Русский космос Космос бросает новые вызовы

LT: Дмитрий Маркович, расскажите об основных направлениях работы вашего института.

ДМИТРИЙ МАРКОВИЧ: Институт теплофизики занимается фундаментальными исследованиями процессов теплообмена и физической гидрогазодинамики, а также решением прикладных задач для различных технологических сфер, начиная от тепловой, ядерной, возобновляемой энергетики и заканчивая интенсификацией процессов переноса в машиностроении и химических технологиях. Наша работа касается и, казалось бы, совсем нетипичных для нас направлений — медицины, переработки отходов, экологии и других. Разработки наших сотрудников удостоены многих премий высокого уровня. Например, наши ведущие сотрудники — академики Владимир Накоряков и Сергей Алексеенко получили премию «Глобальная энергия» за выдающиеся научные исследования, которые помогают всему человечеству решать проблемы энергетики.

А что насчёт космической отрасли?

В 1957 году произошло два важнейших события — организация Сибирского отделения Российской академии наук и запуск первого в мире искусственного спутника. Последнее событие сформировало целый ряд задач, стоящих перед научным сообществом, и, конечно, наш Институт теплофизики не остался в стороне. Мы проводим много исследований, часть из которых нашла практическое применение в области освоения космоса. Мы получаем гранты от различных фондов — российских и международных. В рамках фундаментальных исследований мы интенсивно работаем над вопросами особенностей переноса тепла в условиях, приближенных к космическим. Недавно наш институт выиграл крупный грант, так называемый стомиллионник, основная направленность которого — процессы горения и детонации, играющие ключевую роль для освоения космоса с точки зрения создания камер сгорания ракетных двигателей. В этом проекте участвуют полторы сотни учёных из десяти институтов и университетов в разныхгородах России. Есть несколько мегагрантов, во главе которых работают выдающиеся ученые из Великобритании, Швеции, Канады. Во многих проектах мы изучаем особенности процессов теплообмена в условиях микрогравитации. Это очень интересно, ведь в космосе физические силы действуют по-другому, например, пламя свечи выглядит не так, как на Земле, а представляет собой шар. Для учёных это настоящий вызов, проверка пытливости их ума.

Сделать космические полёты экологичнее и безопаснее
для человека, провести увлекательнейший эксперимент
на орбите Земли, переплетая сложнейшую научную работу с воздушными приключениями и искусством — это, конечно, Институт теплофизики СО РАН

Наши сотрудники работают и в области ядерных космических установок. Как американские, так и советские учёные занимались этими вопросами ещё на заре космической эпохи, в 70‑х годах, и это до сих пор актуально. Поскольку в космической отрасли есть жёсткие требования к массогабаритным характеристикам двигателей, необходимо подобрать топливо, содержащее энергию в наиболее концентрированном виде. На сегодняшний день это либо жидкий водород, либо ядерное топливо. Применительно к фундаментальным основам ядерных энергетических установок, которые могут использоваться в космосе, мы решали задачи как теплообмена в реакторной зоне, так и отвода тепла в термодинамическом цикле газотурбинной установки. Во второй задаче в космических условиях возникает целый ряд особенностей. В космосе отводить тепло можно либо при помощи излучения, либо накапливая тепловым аккумулятором, а после отстреливая, но последний способ приводит к накоплению космического мусора. Нами и нашими коллегами из других организаций изучался вариант отвода тепла путём генерации дорожек из микрокапель нагретого в теплообменном устройстве масла, радиационно охлаждаемых в космическом пространстве и затем возвращаемых в аппарат. Получается такой замкнутый цикл из летящих по специальной траектории капелек масла. Это интересный и оригинальный способ, решающий широкий круг задач по охлаждению аппаратуры космических аппаратов. Мы трудимся и в области спутниковых навигационных систем, плотно сотрудничаем с АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва. Ещё одной гордостью Института теплофизики является большой комплекс уникальных установок, построенный нашими специалистами под руководством академика Алексея Реброва для изучения физических процессов в космосе. В частности, это одна из крупнейших в России вакуумных камер для исследований газодинамики космических аппаратов, течений разреженного газа и плазмы — ВИКИНГ.

Все эти достижения — заслуга старших поколений, или молодёжь тоже стремится решать глобальные научные задачи?

У нас хорошая молодёжь, подающая большие надежды. Главное, чтобы рядом были старшие товарищи, которые могут научить, передать свою мудрость и опыт, а если нужно — поддержать и дать совет. В Институте теплофизики процесс работы строится в соответствии с этим принципом. Мы создаём молодёжные лаборатории, где начинающие специалисты получают самостоятельность и продвигают свои проекты, а также имеют возможность обратиться к более опытным коллегам за консультацией. Такой подход даёт свои результаты. Наши молодые сотрудники имеют премии Правительства Российской Федерации, награды Российской академии наук. Один из наших молодых учёных Фёдор Роньшин закончил НГУ в 2014 году, сейчас он уже кандидат физико-математических наук, удостоен премии мэрии города Новосибирска в сфере науки и инноваций, ведёт собственный проект в сфере исследований двухфазных течений в мини- и микроканалах применительно к высокоэффективным системам охлаждения.
Нашим институтом учреждена стипендия имени академика С. С. Кутателадзе, а в Новосибирском госуниверситете для работы со студентами младших курсов создана научная лаборатория. На уровне среднего образования мы организовали шефство над гимназией № 3 г. Новосибирска. Мы прилагаем много усилий, чтобы сибирская талантливая молодёжь не уезжала насовсем не только за границу, но и в европейскую часть России. Безусловно, научная мобильность должна быть, ведь это правильно, когда учёные имеют возможность путешествовать, общаться с коллегами, работать в различных лабораториях, а не только «вариться» в замкнутой среде собственной лаборатории, но плохо, когда преобладает отток специалистов из региона и нет обратного движения. Большая государственная задача — наладить гармоничное движение кадров в обе стороны.

А если сравнить Россию с другими странами, мы сильно отстаём в темпах покорения космоса?

В области базовой фундаментальной науки мы нисколько не уступаем коллегам из других стран, а в ряде направлений даже существенно их опережаем. Но есть и проблемы. В идеале фундаментальные исследования должны превращаться в конкретные технологии, но на сегодняшний день никто не хочет финансировать такой рискованный этап, как опытно-конструкторские разработки, все ждут готовых решений и не стремятся инвестировать в сырой продукт. А у учёных зачастую нет возможности самим доводить весь цикл разработки до конца — от научной идеи до её конкретного воплощения. Но в целом российский потенциал в космической отрасли довольно высок. Да, Илон Маск где-то локально вырвался вперёд, но в чём-то до сих пор США нас не догнали, например, они до сих пор закупают российские ракетные двигатели РД‑180 и все их попытки создания конкурентного аналога пока терпят крах. Космос для России — это стратегический приоритет и совершенно точно он будет активно развиваться в ближайшие годы.

Крупномасштабная установка ВИКИНГ создана для исследований по газодинамике космических аппаратов и течений разреженного газа и плазмы. В этой вакуумной камере можно воссоздать условия, в которых находится МКС. Известно, что Международная космическая станция — это гигантское сооружение размером с футбольное поле и весом в 400 тонн, состоящее из множества блоков. И ВИКИНГ соответствует размерам российского служебного модуля, в котором живут космонавты, а также располагаются блоки двигателей, поддерживающие станцию в нужном направлении. Благодаря экспериментам в ВИКИНГЕ наш институт смог найти решение проблемы внешнего загрязнения МКС струями двигателей управления и ориентации. Это была крайне актуальная задача, ведь двигатели, стоящие на космических аппаратах, работают на чрезвычайно токсичных компонентах топлива — амиле и гептиле. Если вдохнуть гептил несколько раз, то можно легко получить рак горла. Он крайне опасен для здоровья, но с точки зрения энергетики, удельного импульса и тяги, лучше этого топлива пока ничего нет, поэтому его и используют.
В процессе работы двигателя продукты сгорания осаждаются на внешней поверхности МКС, создавая неприятности для космонавтов, которые, выходя в открытый космос, могут зацепить вредные вещества скафандром и занести их в жилой отсек со всеми вытекающими последствиями. Нашему институту была поставлена задача: снизить уровень загрязнения. Совместно с РКК «Энергия» мы занялись поиском решения. В первую очередь мы изучили механизмы загрязнения поверхности станции, смоделировав работу двигателей в ВИКИНГЕ и установив, как именно происходит истечение в вакуум продуктов сгорания. На Земле струя двигателя направлена только вперёд, но в космосе газ старается занять всё окружающее пространство и движется не только вперёд, но и назад, т. е. возникают обратные потоки, и вся грязь летит на поверхность станции. Поняв причину, мы разработали специальное устройство — экран, напоминающий стакан, который надевается на сопло и собирает на себя продукты сгорания. Космонавты уже установили наши технические решения на двигатели ориентации Служебного модуля «Звезда» и подтвердили, что это позволило, в зависимости от режима работы двигателя, уменьшить загрязнение поверхности МКС в 100–1000 раз!

Кипение — процесс, знакомый каждому, но до сих пор до конца не описанный в науке, хотя это один из основных процессов теплопередачи. Особенно интересно, как кипение протекает в космосе. Некоторое время назад учёные задавались вопросом: возможно ли вообще вскипятить жидкость на орбите? На Земле в кипящей воде образуются пузырьки, которые всплывают на поверхность, поскольку пар легче воды. Но в условиях микрогравитации пар имеет практически тот же вес, что и жидкость, то есть пузырьки не всплывают. Кроме того, на Земле действует множество сил, например, термокапиллярных, порой не заметных в условиях гравитации. В космосе эти силы становятся более существенными, делая исследовательскую задачу ещё более интересной и увлекательной. Когда в кастрюле кипит вода, возникают тысячи пузырьков — наблюдать их все одновременно невозможно. Поэтому в 2000‑х годах у международной группы ученых, включая и нашу команду, родилась идея создать единичный центр кипения, то есть всего один пузырёк и изучить его. Была сделана установка, где с помощью лазерного импульса в определённой точке нагреваемой жидкости возникает первый пузырёк, далее он поддерживается и растёт, а мы наблюдаем за процессом, используя инфракрасный сканер и скоростную камеру, а также принимаем меры, чтобы не возникало других пузырьков.
Безусловно, опыты на орбите требуют не только значительного финансирования, но и много времени для подготовки. Работа нашей международной группы учёных началась ещё в 2003 году и только сейчас мы её закончили — понадобилось целых 18 лет на проведение одного эксперимента. Обычно такие эксперименты готовятся в три этапа.

Этап первый — параболические полёты, которые проводятся во Франции Европейским космическим агентством. На специально оборудованный Airbus A310 Zero G грузятся исследовательские установки и садится порядка 30 учёных со всего мира. Самолёт для параболических полётов довольно большой, одновременно в нём можно проводить 12 экспериментов в течение 3–4 часов — примерно столько длится полёт. Под управлением трёх пилотов самолёт поднимается по параболе под углом в 47 градусов на высоту от 6 до 8,5 км. На самом верху параболы его центробежное ускорение компенсирует силу тяжести, создавая в земных условиях состояние невесомости, которое длится 22 секунды. За один рейс невесомость повторяется до 31 раза — это очень много, под конец полёта, конечно, все ужасно устают, сказываются перегрузки. Я принимал участие в десяти таких полётах, другие сотрудники нашей лаборатории также в них бывали — контролировали проводимые на борту эксперименты. Обычно иллюминаторы самолёта задраены, но иногда пилоты приглашают учёных в кабину, чтобы «насладиться» зрелищем во время спуска с параболы. Такое пике — действительно жутко выглядит, зато после подобных экспериментов не страшна никакая турбулентность. (Смеётся.) Раньше подобные полёты совершались в России, но были прекращены в силу недостаточности финансирования, а Европа продолжает их до сих пор. Наш институт сотрудничает с Европейским космическим агентством с 1995 года, на мой взгляд, российские учёные ценятся в мировом сообществе за свою способность генерировать уникальные идеи. Участие в подобных проектах — отличная мотивация для молодёжи, которая понимает, что наука — это не только теория, но и увлекательнейшая практика на пределе физических и интеллектуальных возможностей. Так что молодым учёным Институт теплофизики даёт в прямом смысле уникальные старты.
Второй этап подготовки важного космического эксперимента — запуск экспериментальной установки на ракете, которую аэрокосмическое агентство Швеции поднимает на высоту до 240 км, после чего аппарат 6 минут находится в свободном падении, за счёт чего внутри создаётся эффект микрогравитации. Недавно, в 2019-м, мы испробовали этот метод для подготовки следующего эксперимента по испарению капель жидкости в условиях микрогравитации. Такой эксперимент готовится на 2023–2024. Эксперимент на МКС был третьим этапом нашего пути, который успешно состоялся. Его настройка заняла у астронавтов всего несколько часов, а затем было 6 месяцев работы в автономном режиме, что дало нам колоссальные данные для дальнейших исследований.
Среди многих интересных эффектов «космического» кипения мы особо выделяем одно особенно любопытное с точки зрения теплофизики. Во время эксперимента под пузырьком появляется тонкий микрослой, который быстро испаряется, распадаясь с середины, где образуется сухое пятно. На краю этого сухого пятна возникает очень специфическая зона всего в несколько микрон, которая называется линия контакта пара, жидкости и твёрдого тела. Это поверхностное явление, известное как смачиваемость. Именно в этой точке наблюдается сверхвысокая интенсивность испарения. В Германии наши коллеги-учёные утверждают, что на краю сухого пятна пузырьком производится 50% пара, мы думаем, что этот показатель составляет порядка 30% — в любом случае, энергетический потенциал линии контакта чрезвычайно высок, и нам предстоит изучить это явление подробнее.

В перспективе исследование кипения в космосе имеет большое значение для работы космических аппаратов. Ведь наличие жидкостей в космосе неизбежно, с помощью них охлаждается электроника, а также функционирует система жизнеобеспечения человека на борту Международной космической станции. В первые годы освоения космоса использовался газ, а затем однофазная жидкость, которая циркулировала по трубкам, но вскоре стало понятно, что это неэффективно и крайне громоздко. Двухфазная система — жидкость-пар — обеспечивает более высокую эффективность теплообмена, а также занимает меньший объём. То есть в этой системе жидкость вскипает, испаряется и особым образом конденсируются — учёным нужно понимать этот процесс целиком. Эксперимент международной группы учёных, включая Институт теплофизики, стал первым серьёзным исследованием в этой области. Микрогравитация позволила получить медленно растущие пузырьки огромного размера, до 7 миллиметров, которые в идеальных условиях были практически абсолютными сферами и не отрывались. Всё это как бы дало возможность воспроизвести идеальный процесс кипения и получить уникальные данные о его сути.
Конечно, процессы кипения, испарения и теплообмена нужно изучать и дальше, а для этого просто необходимы эксперименты в невесомости. Возможно, благодаря полученным знаниям мы сможем обеспечить космонавтов водой и создать комфортные условия во время не только длительных полётов, но и освоения ближайших планет, таких, как Марс. Но, на мой взгляд, единственный путь быстрого развития космоса — это международное сотрудничество. МКС остаётся самым глобальным и дорогостоящим международным проектом. Если все страны наладят общение, то и полёты человека к ближайшим планетам станут реальны в самое ближайшее время, поскольку пока ни у Америки, ни у Китая нет на это ресурсов. Поэтому будущее космической отрасли я связываю именно с глобальной интеграцией и единством человечества на пути покорения космического пространства.