Публикации

Аэродинамические «Страдания»

В программе «Сегодня» 13 ноября 2007 г. был показан сюжет о внедрении в Норвегии изобретения нетрадиционного насоса, сделанного россиянином и не признанного на родине. Изобретатель вынужден был покинуть Родину, устав бороться с чиновниками от науки...

Показанный сюжет заставил взяться за перо в защиту других «нетрадиционалов», поскольку по России таких ученых, судя по публикациям СМИ, немало. Есть они и в такой продвинутой отрасли, как авиация, где, казалось бы, все: и высокий уровень профессионализма ученых, и их нравственность должны исключать случаи косности, остракизма в отношении ученых, предлагающих нетрадиционные идеи. Ниже - рассказ об одном из них, Георгии Ивановиче Карачевском - авиационном специалисте, закончившем с отличием в 1972 г. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, аэродинамикой занимается с 3-го курса академии, руководил лабораторией аэродинамики 30 ЦНИИ МО РФ.

Суть проблемы. Наблюдая происходящее в небе всех без исключения авиасалонов мира, в особенности изящный пилотаж наших российских летчиков, невольно свыкаешься с мыслью, что авиация - это одна из тех областей, где у нас, как говорится, все «тип-топ». Результаты работы авиаконструкторов впечатляют, и они доступны оценке широкой общественности (в отличие, например, от нанотехнологий).

Успехи российских авиаконструкторов - это бесспорный успех всех, кто участвовал в создании самолета, но особая роль здесь всегда принадлежала аэродинамикам. Со времен зарождения авиации ученые-аэродинамики прилагали огромные усилия для того, чтобы познать законы аэродинамики, возникновения и изменения аэродинамических сил, действующих на самолет, и научиться ими управлять. На алтарь аэродинамической науки положен не только интеллект замечательных ученых, но и жизни летчиков-испытателей.

Поистине огромный объем проведенных исследований как-то не позволяет задать вопрос: «Неужели в области фундаментальной аэродинамики остались еще нерешенные проблемы?». Оказывается, остались. Но немного пояснений для читателей, недостаточно знакомых с аэродинамикой, чтобы понять суть предложений Г.И. Карачевского.

На несущий профиль крыла летательного аппарата (ЛА), помещенного в поток под углом атаки, действуют распределенные аэродинамические силы, равнодействующую которых можно разложить на две составляющие (рис. 1). Одна ее часть (подъемная сила) отрывает самолет от земли и удерживает его в воздухе. Другая же часть является силой, которую принято называть аэродинамическим сопротивлением, характеризует неизбежную плату за использование подъемной силы. Если бы этого сопротивления не было, то не существовало бы у Г.И. Карачевского никаких проблем.

Над законами природы люди не властны, а посему с фундаментальными законами физики обращаться вольно не принято. Утверждение «не принято» - это для непосвященных. Другое дело - ученые. Они присвоили себе право делать допущения, выдвигать научные гипотезы. Иначе, без таких допущений, многие задачи не были бы решены. Однако все это при одном условии - должно быть доказательство корректности принимаемых допущений.

Теоретическая аэродинамика не является в этом плане исключением. Вывод основных формул аэродинамики проводился при целом ряде допущений. В частности, в современной аэродинамике моделирование реальных физических процессов осуществляется путем условной замены воздуха некоторой сплошной (имеющей немолекулярную структуру) и идеальной (невязкой) средой. С учетом подобных упрощений при малых скоростях потока, соответствующих числам М<0,3:0,4, такая="" среда="" считается="" несжимаемой.="" для="" моделирования="" потока="" воздуха="" при="" этих="" условиях="" используются="" гидродинамические="" уравнения="" в="" форме="" эйлера="" или="" навье-стокса.="" в="" основу="" их="" вывода="" положен="" второй="" закон="" ньютона,="" описывающий="" ускоренное="" движение="" под="" действием="" внешних="" сил="" недеформируемых="" (абсолютно="" твердых)="" материальных="">

Полученные при таких допущениях расчетные картины течений и параметры потока воздуха в пространстве около обтекаемых материальных тел в ряде случаев существенно отличаются от экспериментальных данных. Результаты специальных экспериментов в аэродинамических трубах показали, что отличия экспериментальных и расчетных данных при этом достигают 50:80%.

Следует отметить, что такие отличия результатов получены при оценке направления движения воздушных масс в различных контрольных точках в условиях установившегося и бессрывного потока воздуха, обтекающего серийные аэродинамические профили крыла. Нетрудно предположить, что столь значительные погрешности вызывают сомнения у самих ученых-аэродинамиков в корректности решения расчетными методами целого ряда прикладных задач, связанных с учетом интерференционного взаимодействия частей ЛА, воздействия возмущенного потока на подвесные средства поражения и др. Иначе зачем было бы тратить тысячи часов дорогостоящих продувок на аэродинамическое проектирование?

Указанная выше неадекватность среды и ее модели, на наш взгляд, дает автору право утверждать, что с помощью подобной модели потока воздуха невозможно корректно определять те его основные интегральные характеристики, которые выражают силовое взаимодействие с обтекаемыми потоком материальными телами.

Вследствие принятых допущений о несжимаемости среды применительно к условиям воздуха, основная теорема аэродинамики (теорема Кутта-Жуковского) не вполне согласуется с законом сохранения энергии даже при отсутствии влияния вязкости воздуха (пограничного слоя). Это выражается в том, что она отрицает наличие у несущего крыла того сопротивления, которое связано с затратами энергии на выполнение работы по непрерывному и ускоренному перемещению (отбрасыванию) обтекающих его воздушных масс. Данный факт является частным случаем известного в аэродинамике парадокса Д'Аламбера-Эйлера.

Проблема Карачевского. Складывается впечатление, что к этому парадоксу все аэродинамики привыкли, кроме некоторых, к которым можно отнести и Г.И. Карачевского, предложившего для обеспечения большего соответствия теории и практики, а также расширения области решаемых прикладных задач иной подход. Суть его заключается в том, что для вывода расчетных уравнений в качестве основы используется закон сохранения энергии (а не второй закон Ньютона). При этом моделирование осуществляется применительно к воздуху, а не к его упрощенной модели. Вполне обоснованно автор полагает, что такой подход более приемлем, поскольку воздух является весьма текучим и сильно сжимаемым материальным телом (сжимаемость воздуха почти в 14 000 раз выше, чем воды).

Для моделирования реальных аэродинамических процессов на основе закона сохранения энергии при условии молекулярной структуры воздуха использован квантовый подход (название автора) - представление о передаче и распространении энергии малых возмущений в виде мельчайших дискретных порций, характеризующих последовательное ударное столкновение молекул воздуха. Такой подход, по оценкам автора, позволяет исключить необходимость использования большей части тех допущений, которые были приняты при выводе известных уравнений аэродинамики. Полученные при этом условии уравнения будут относиться к воздуху со всеми присущими ему физическими свойствами, а не к гипотетической «сплошной» среде.

Формулы подъемной силы и сопротивления несущего крыла, полученные при предлагаемом подходе, по утверждению автора, будут иметь более общий характер, что весьма важно для практики прикладных исследований. Проведенные эксперименты, как видно из рис. 3, подтвердили ожидания автора по увеличению сходимости расчетных и экспериментальных зависимостей. Следует заметить, что полученные при таких условиях уравнения в случае допущения о несжимаемости среды приобретают вид, который в точности соответствует теореме Кутта-Жуковского.

Предложенный подход потребовал доказательства его правомерности. Для этого в 1989 г. после обсуждения доклада автора на методическом совете головной организации ВВС по проблемам развития военной авиации (30 ЦНИИ МО РФ) руководством института было принято решение заказать проведение специальных экспериментов для опытной проверки доложенных результатов. В течение следующего года были проведены две серии таких экспериментов в ЦАГИ. Все полученные результаты - положительные, т.е. подтверждают правомерность принятия предложенной гипотезы.

Полученные в ходе апробации выдвинутой гипотезы опытные данные подтвердили, что она в большей степени согласуется с реальными аэродинамическими процессами. Полученные при гипотезе о квантовом характере среды уравнения позволили аналитически выявить, а в дальнейшем и экспериментально подтвердить закономерность, характеризующую влияние сжимаемости воздуха на изменение параметров потока по скорости. В 1991 г. по решению НТС института установленная в результате проведенных исследований закономерность заявлена в Госкомитет для регистрации ее в качестве научного открытия (Приоритетный документ №ОТ-12109 от 12.02.92 г., заявитель - 30 ЦНИИ МО РФ).

Парад парадоксов. Вот здесь все и началось. Оказалось, что парадоксальным является не то, что энергия затрачивается и сопротивление отсутствует, а то, что на разрешение этого парадокса наложено табу. «Проблема Карачевского» обусловлена тем, что он не согласился с допущением о сплошности среды и с возведением в абсолют выведенных при этом допущений законов механики сплошной среды.

В течение 1991-1992 гг. была проведена экспертиза поданной заявки на открытие в профильных НИИ и вузах России. Полученные отзывы и заключения - отрицательные и однотипные. Основная аргументация - предложенная научная гипотеза не согласуется с известной теорией, а экспериментальные данные, возможно, связаны с влиянием вязкости воздуха или имеют случайный характер.

В 1993 г. в ЦАГИ проведен дополнительный целевой эксперимент с использованием лазерной установки, в котором было практически исключено влияние вязкости воздуха на исследуемые параметры. Результаты положительные и сильно выраженные. Констатация факта проявления новых эффектов содержится и в выводах соответствующего отчета ЦАГИ.

В 1997 г. на запрос 30 ЦНИИ МО РФ получено отрицательное заключение, подписанное девятью учеными ЦАГИ. Разработки 30-го НИИ в нем отвергаются одной фразой: «Принципиальная ошибка автора заключается в том, что методика, которую он применяет, приводит к нарушению законов механики сплошной среды, что лишает смысла дальнейшее рассмотрение конкретных примеров».

Однако с этим вряд ли можно согласиться, в силу того, что «законы механики сплошной среды», на которые делается ссылка, строго говоря, являются условными, полученными при определенных допущениях. По определению, закон может выражать лишь связи и взаимозависимости каких-либо явлений объективной действительности, а так называемая сплошная среда является лишь упрощенной моделью среды (воздуха, воды) и, соответственно, относящиеся к ней уравнения законами вряд ли можно считать.

В указанном документе опровергаются и результаты экспериментов со ссылкой на возможное влияние вязкости воздуха. Но это уже принципиально не согласуется не только с результатами вышеупомянутых серий экспериментов, но и с выводами отчета ЦАГИ.

В течение 1998-2001 гг. проведена совместная работа 30 ЦНИИ МО РФ и Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск) по исследованию той же проблемы. Результаты выполненных серий экспериментов еще раз подтвердили:

  • заявленные новые эффекты неизбежно проявляются;
  • в рамках известной теории эти эффекты не моделируются;
  • они не связаны с влиянием вязкости воздуха.

И так почти 20 лет. Спрашивается: за что боремся?

Что делать? На этот извечный русский вопрос у авторов статьи ответа нет. Возникает только недоумение: почему государство, способное вкладывать огромные средства в нанотехнологии, проходит мимо таких обыденных вопросов, как насос на новых принципах работы, аэродинамическое сопротивление крыла ЛА и др.?

Если не поддерживать прикладную науку, то кто будет внедрять результаты фундаментальных исследований? Они станут не более как питательной средой для очередной плеяды академиков, вставляющих палки в колеса тем ученым, которые пытаются приложить их результаты к нашей повседневной действительности. И как здесь не согласиться с одним из известных политиков, утверждающим, что в последнее время к двум известным российским бедам добавилась третья - дефицит совести. Только абсолютно безнравственный человек, руководствуясь собственными амбициями, способен без колебаний душить всех инакомыслящих, взгляды которых не подходят под разработанную им 50 и более лет тому назад теорию.

Такая мысль - это первое, что приходит на ум после ознакомления с «проблемой Карачевского». А как может быть иначе, если дискуссий с аргументированной научной критикой автора не было, публикаций нет, выступить на конференции по аэродинамике не дали: А может, потому и не дали изложить отличную от общепринятой точку зрения, что автор слишком приблизился к истине и способен немного подвинуть именитых без их на то согласия? Как показывает практика, для этого все методы хороши. При подготовке этого материала у авторов оказался в руках документ (отзыв 2001 г.) на академическом бланке, но никем не подписанный:

И пожаловаться некому. Ну не подавать же, на самом деле, в суд на родное государство, оставившее «нетрадиционалов» без защиты и сделавшее бегство за пределы Родины единственным способом утвердиться! И, тем не менее, мы не теряем надежду, что в России найдутся руководители, способные не только продвигать нацпроекты, но и заняться «земным», не только констатировать утечку мозгов, но и создавать условия российским ученым-прикладникам, при которых им не нужен будет ни «:берег турецкий, ни Африка:».


Авторы: Владимир Платунов, Георгий Скопец
Источник: Журнал «Авиапанорама»

Все статьи