Русский космос К звёздам и обратно

LT: Владимир Егорович, скажите несколько слов об истории института.

ВЛАДИМИР ЗАРКО: Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского СО РАН (ИХКГ СО РАН) был создан по решению Президиума Академии наук СССР № 469 от 21 июня 1957 года для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области химической физики и смежных наук. Институт занимается изучением кинетики элементарных процессов и механизмов химических превращений, процессов горения конденсированных и газовых сред; исследованием структуры и динамики химических и биологических систем на молекулярном, супрамолекулярном и микроскопическом уровнях, взаимосвязи между химической реакционной способностью и функциональными свойствами вещества; изучением распространения аэрозолей и экологической химии. Отцами-основателями Института были член-корреспондент АН СССР А. А. Ковальский (первый директор института) и академик В. В. Воеводский. Оба они были учениками и коллегами нобелевского лауреата по химии академика Н. Н. Семенова, директора и основателя знаменитого Института химической физики АН СССР (Москва). Их приезд в Новосибирск со своими учениками был своеобразным десантом из ИХФ, что обеспечило быстрое становление нового научного коллектива высокого уровня в Сибири. В направлении химической кинетики под руководством В. В. Воеводского в течение короткого срока была развита отечественная приборная база исследований в области спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), а затем созданы научные школы его учеников, академиков Ю. Н. Молина и Ю. Д. Цветкова. Их достижения были оценены присуждением в 1986 году Ленинской премии за работы в области магнитно-спиновых эффектов и Государственной премии СССР (1988 год) за работы в области методов ЭПР высокого разрешения.

А каково стратегическое значение работы института сегодня? Расскажите о самых интересных исследованиях, которые проводятся в его стенах.

Работы по изучению механизмов горения конденсированных и газовых сред, а также процессов образования и распространения аэрозолей велись с самого начала под руководством А. А. Ковальского, который был известен трудами не только в области изучения механизма цепных реакций (совместно с Н. Н. Семеновым), но и в области изучения физических факторов воздействия взрыва атомной бомбы. При изучении процессов горения были обнаружены ранее неизвестные явления, такие как резонансный отклик скорости горения твёрдого топлива на возмущения потока излучения, фильтрационный режим горения газов, существование конвективного предела распространения пламени и другие. Важные результаты были получены при изучении процессов с участием аэрозолей, которые использовались для защиты от града и вредителей сельскохозяйственных культур, а также в ряде прикладных разработок. Эти работы были отмечены в 1985 году Премией Совета Министров СССР. Полученные научные результаты открывают нестандартные пути к управлению процессами горения, повышению эффективности уничтожения компонентов химического оружия, созданию действенных средств борьбы с пожарами и взрывами.
Ученики А. А. Ковальского активно продолжали исследования в области горения конденсированных систем. Большое внимание уделялось созданию новых экспериментальных и теоретических подходов в содружестве с сотрудниками Институтов Сибирского отделения АН СССР (теперь России) и коллегами из Томского и Омского университетов. Впервые в мире были проведены исследования химической структуры пламени в процессе горения твёрдого топлива с использованием методов оптической голографии, методов синхротронного излучения и зондовой масс-спектрометрии, а также применены методы ядерного магнитного резонанса для изучения процессов смешения и отверждения высокоэнергетических компонентов реакционных составов.
В течение нескольких последних десятилетий проводится изучение горения металлизированного твёрдого топлива и индивидуальных частиц металлов. Эти работы идут в развитие идей нашего земляка, одного из основоположников отечественной космонавтики Ю. В. Кондратюка, который приблизительно 100 лет назад предсказал будущее металлам как перспективным компонентам ракетного топлива. Основой для такого утверждения служат высокая теплотворная способность и физическая плотность металлов. Следует отметить, что воплощение этих идей на практике встретило серьёзные технические трудности, обусловленные способностью металлических частиц в волне горения объединяться и образовывать на поверхности горения крупные (порядка сотен микрометров) агломераты, которые могут осаждаться в предсопловом объёме ракетного двигателя. Проблема возникла в начале 50‑х годов прошлого столетия и не теряет актуальности до настоящего времени. Известно, в частности, что при работе твёрдотопливных ускорителей американских шаттлов в двигателе остаётся масса шлака величиной несколько тонн!

Многие институты гордятся своими уникальными установками для проведения исследований. Есть ли в лабораториях ИХКГ СО РАН что-то подобное?

Конечно. Скажу коротко только об установках, предназначенных для исследования процессов горения конденсированных сред. В лаборатории горения конденсированных систем, первым руководителем которой был ещё А. А. Ковальский, создана уникальная экспериментальная установка, позволяющая отбирать и исследовать конденсированные продукты горения металлизированного топлива при давлениях до 150 атмосфер в предельно широком диапазоне размеров частиц: от десятков нанометров (оксидные частицы) до сотен микрометров (частицы-агломераты).
Установка также позволяет гасить частицы на разном расстоянии от поверхности образца топлива и тем самым исследовать эволюцию частиц металла в процессе выгорания. Методика с такой представительностью отборов частиц обеспечивает возможность получения наиболее объективной информации о процессе горения металлических компонентов твёрдого топлива в отличие от имеющихся в России и за рубежом аналогов, предназначенных в основном для отбора крупных частиц-агломератов. Полученная информация успешно используется для целенаправленных изменений состава твёрдого топлива, направленных на повышение его энергетической эффективности.
Ещё одна уникальная экспериментальная установка служит для измерения локальной нестационарной скорости горения твёрдого топлива в условиях обдува окислительным газом, в частности воздухом.
До настоящего времени скорость горения (газификации) твёрдого топлива при обдуве газом измерялась примитивным образом — по полному времени сгорания заданной массы топлива, и затем полученные грубо усреднённые данные вынужденно использовались проектировщиками ракетных двигателей. При этом не учитывалось, что в процессе зажигания и гашения заряда твёрдого топлива скорость горения имеет отличные от среднего значения. Более того, не учитывалось, что скорость горения в различных точках канального заряда также не одинакова. В разработанной совместно с Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН установке используется для измерений оригинальный микроволновый датчик, позволяющий получать разрешенные во времени и по пространству данные по скорости горения. Такая информация призвана существенно повысить точность предсказания параметров рабочих режимов ракетного двигателя.

Насколько нам известно, ваш институт уделяет много внимания экологическим проблемам ракетно-космической деятельности, так ли это?

В содружестве с Омским государственным техническим университетом сотрудники лаборатории работают над решением проблем накопления взрывоопасного космического мусора в виде орбитальных ступеней жидкостных ракет с остатками топлива на наиболее часто используемых орбитах и отчуждения значительных площадей в районах падения ступеней. Увеличивающийся объём космического мусора в околоземном космическом пространстве, который имеет тенденцию «саморазмножаться» за счёт соударений крупных космических объектов, в ряде случаев приводит к ситуациям, когда с высокой вероятностью рабочие космические объекты могут быть поражены фрагментами космического мусора. Уже известны случаи вынужденной корректировки траекторий больших спутников и даже Международной космической станции с целью предотвращения столкновения с объектами космического мусора. Актуальной задачей является также снижение техногенного воздействия ступеней ракет в районах их падения.

Покорение межпланетных пространств невозможно
без мощных ракет, и если прежде конструкторам приходилось выбирать между эффективным и безопасным топливом, то сегодня химики предоставляют разработчикам космических аппаратов пространство для манёвра

Известно, что затраты России на поиск ступеней и фрагментов, их обезвреживание, перевозку, складирование и утилизацию, рекультивацию земель составляют до 30% от стоимости пуска ракет. Соответственно, разрабатываются методы для использования технологических остатков жидкого топлива во вспомогательных двигателях с целью удаления выполнивших свою миссию ступеней за пределы населенных орбит, либо для их приземления в выбранных районах, а также методы принудительного сжигания в плотных слоях атмосферы крупных элементов носовых обтекателей ракеты. Для решения таких задач проводятся экспериментальные и теоретические исследования с привлечением аппаратов теории горения и теплопередачи.

Сейчас многие беспокоятся, что в науке остаётся всё меньше молодых специалистов — их отпугивают невысокие зарплаты и трудная работа. Так ли это?

Руководство Института отчетливо понимает, что для обеспечения поступательного развития научных исследований жизненно необходимо осуществить приток молодых научных кадров. Спектроскопические специальности в Институте обеспечиваются в основном выпускниками Новосибирского государственного университета, специальности по горению и аэрозолям — выпускниками Новосибирского государственного технического университета и педагогического университета. Мы принимаем по совместительству на работу в Институт и приглашаем на постоянную работу после окончания учёбы студентов старших курсов и магистрантов университетов. Уже заметны положительные итоги этой деятельности, и наметилась перспектива омоложения коллектива Института в ближайшие годы. Этому также способствует участие молодёжи в различных региональных и отечественных конкурсах, что обеспечивает повышение материального состояния студентов и их организационного и научного уровня. Конечно, сделать науку привлекательной для подрастающего поколения — важнейшая государственная задача. Профессия учёного должна быть престижной. В советское время научные достижения имели важное идеологическое значение, доказывающее преимущества социалистического строя. Кроме того, учёные работали в первую очередь ради идеи, мечты о лучшем будущем для человечества. Они были по-хорошему дерзкими и бесстрашными. Современная же молодёжь гораздо более прагматична и даже в чём-то цинична. Привлечь внимание к научно-техническим дисциплинам, безусловно, поможет повышение заработной платы, вложения в научное оборудование, а также планомерная политика популяризации науки, начиная со школьной скамьи. Ведь наука — это не только сложные расчёты и теория, это творчество, практика, эксперименты. Именно учёные качественно меняют наш мир, двигая вперёд цивилизацию, они способны наяву воплощать те идеи, которые многим кажутся просто фантастическими. Молодые люди должны знать, что для науки нет ничего невозможного, а границы определяются лишь уровнем развития технологий и смелостью самих учёных. И очень важно наряду с популяризацией достижений науки создавать привлекательный образ труда ученых, работающих во благо общества и всего человечества.