Фото Елены Либрик / портал «Научная Россия»

Теплозащита не прощает ошибок. После катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году NASA на два года приостановило пилотируемые миссии, а период с 2011 по 2020 годы, когда экипажи на МКС доставляли только «Союзы», был связан с переходом США с шаттлов на «Крю Дрэгон» и «Старлайнер». Именно поэтому наземные испытания материалов, которым предстоит выдерживать вход в атмосферу, остаются одной из ключевых задач космической инженерии.

О том, как на Земле воспроизводят условия входа космических кораблей в атмосферу, рассказал Алексей Владимирович Чаплыгин — старший научный сотрудник лаборатории взаимодействия плазмы и излучения с материалами ИПМех РАН. Поводом для разговора стал пресс-тур, организованный порталом «Научная Россия», в ходе которого журналистам показали высокочастотные плазмотроны, на которых испытывают теплозащиту космических аппаратов.

 

Рождение потока

 

В лаборатории взаимодействия плазмы и излучения с материалами создают потоки высокотемпературного газа, моделирующие плазму, которая окружает аппарат при входе в атмосферу Земли, Марса, Венеры и даже Титана. Здесь можно достаточно точно воспроизводить эти условия и заранее исследовать, как поведёт себя тот или иной материал, чтобы выбрать наилучшее решение для тепловой защиты.

Холодный газ сначала попадает в разрядный канал индукционной камеры плазмотрона. Канал окружен индуктором, на витки которого подается ток высокой частоты, в пространстве канала создается индукционный разряд.

Проходя через область разряда газ нагревается и высокоэнтальпийная струя (то есть струя, в которой много тепловой энергии на единицу массы) попадает в испытательную камеру, где в нее вводят образец, после чего горячий газ удаляется через систему откачки — мощные насосы.

Установок в ИПМех РАН две. ВЧ-плазмотрон мегаваттного класса ВГУ-3 был создан в 1983 году для программы советского корабля «Буран». Его сейчас используют для испытаний крупногабаритных образцов, близких к натурным конструкциям. ВЧ-плазмотрон ВГУ-4 средней мощности — основной исследовательский инструмент: на нем проводят до нескольких сотен экспериментов в год, испытывают небольшие образцы в виде цилиндров со сферическим или плоским носком, а также плитки и пластины.

Барокамеры установок стальные, но внутри они оснащены экранами водяного охлаждения, поэтому стенки защищены от перегрева. Охлаждаются также державки образцов, индуктор и даже трубопровод, отводящий горячий газ. Однако, даже при водяном охлаждении поверхность иногда перегревалась: например, когда плитку «Бурана» вводили поперёк струи, поток разбивался и под 90 градусов бил в стенку. После испытательной камеры газ проходит через многорядный теплообменник с пересекающимися водоохлаждаемыми трубками, остывает и только потом удаляется насосом.

 

Не просто нагреть, а повторить траекторию

 

«Задача установок, — говорит Алексей Владимирович Чаплыгин, — не всегда обеспечить максимальную температуру. Чаще нужно подобрать режим, соответствующий реальной точке траектории: определить необходимые плотность теплового потока, давление, температуру, измерить их и подтвердить, что условия в лаборатории приближены к тем, в которых аппарат будет входить в атмосферу».

Для Марса, например, воспроизводят химический состав среды и работают в струе углекислотной плазмы. Меняя мощность установки, можно моделировать разную скорость входа и разные траектории. Для различных условий испытаний часто требуется подбирать геометрию образца или теплозащитной плитки. В процессе экспериментов исследователи не только испытывают материал, но и диагностируют саму струю: измеряют плотность тепловых потоков специальными датчиками, получают спектр излучения плазмы.

Прямые контактные измерения при температурах плазмы, которые могут достигать 10000 градусов, крайне затруднены — сложно подобрать зонд, который не разрушится. Поэтому важны оптические методы: измерение температуры поверхности образцов и спектрометрия самой плазмы. Полученные данные затем идут в расчёты течения плазмы: без численного моделирования сегодня не обойтись. Подход лаборатории — расчётно-экспериментальный: каждое испытание образца сопровождается диагностикой условий, в которых этот материал был испытан.

Именно об этой особенности — невозможности прямых контактных измерений при высоких температурах и ставке на оптическую диагностику и численное моделирование — говорит и ректор Российского нового университета Владимир Алексеевич Зернов, академик РАО, доктор технических наук. По его словам, нишу подготовки специалистов на стыке спектроскопии плазмы, теплофизики и вычислительных методов закрывают вузы, которых в стране меньше, чем пальцев на одной руке, — те, у которых есть базовые кафедры ведущих институтов РАН именно в этой области.

«У нас базовые кафедры в РАН есть, но они связаны с вычислительными процессами и волновыми задачами — радиолокацией и решением волновых задач», — уточняет Зернов. На плазмотронах, созданных для космоса, испытывают материалы атомщики и химики-керамисты, которым нужно нагреть образец до 3500 градусов на длительное время».

Однако, по мнению ректора РосНОУ, организация таких межотраслевых испытаний — это задача с госфинансированием, и для неё уже есть специализированные НИИ и институты Академии наук, например, Объединённый институт высоких температур (ОИВТ РАН), который многие годы возглавлял Владимир Евгеньевич Фортов и который в этой области является мировым лидером.

«Открывать это направление заново — примерно то же самое, что в балетном училище открывать кружок танцев. Мягко говоря, несуразно. Нам надо работать вместе с ними, у них специалисты высочайшего мирового класса: институт как был мировым лидером, так и остался. Нам за ним не угнаться, да и не надо — надо брать с них пример и работать вместе, если будет потребность», — резюмирует Владимир Алексеевич.

Крупные индукционные плазмотроны есть в ИПМех РАН, в ЦНИИмаш и в ЦАГИ, а также в Бельгии, Франции, Германии, Японии, Китае и США. Это штучная инфраструктура. Негосударственный вуз не может построить крупную установку, но может стать интеллектуальным хабом: брать на себя численное сопровождение экспериментов, подготовку методик диагностики, обучение персонала, студентов и преподавателей для этих установок.

«Впрочем, гораздо лучше это сделает Физтех, который занимался вопросом последние 50–70 лет, — ещё при Олеге Михайловиче Белоцерковском, который на посту ректора МФТИ вместе с Фортовым эту задачу успешно решал. РосНОУ может давать своих специалистов, но они будут играть роль помощников у ведущих учёных с кафедры Белоцерковского в МФТИ, из ОИВТ, из ЦНИИмаш», — полагает академик РАО.

 

Чёрное с белым берите

 

Плитка теплозащиты космического аппарата «Буран» работает в плазме, которая образуется при входе аппарата в атмосферу. Тепло передаётся поверхности за счёт конвективного теплообмена, и плитка начинает нагреваться, одновременно излучая тепло. По закону Стефана — Больцмана излучательная способность поверхности пропорциональна температуре в четвёртой степени, а это очень существенно. Чем выше излучательная способность — её иногда называют «чернотой поверхности», — тем эффективнее поверхность охлаждается излучением.

Но у покрытия есть и вторая функция. Когда воздух переходит в плазму, молекулы распадаются на атомы, и на это тратится энергия. У поверхности атомы могут снова собраться в молекулу — и тогда энергия выделяется, передавая стенке дополнительное тепло. Чем больше атомов рекомбинирует на поверхности, тем сильнее нагрев. Поэтому состав и свойства покрытия подбирают так, чтобы атомам было «неудобно» собираться обратно в молекулу, а вероятность рекомбинации была минимальной. Чёрное покрытие плитки одновременно обеспечивает высокую излучательную способность и низкую каталитическую способность поверхности.

Есть и штатная белая плитка орбитального корабля «Буран». Её каталитические свойства почти такие же, как у чёрной, но белой она сделана потому, что это не донная поверхность аппарата, а внешняя, обращённая к Солнцу на орбите. Если повернуть к Солнцу чёрную поверхность, аппарат перегреется за счёт солнечного излучения. Белое покрытие слабее поглощает солнечный свет в видимой области, где Солнце излучает наиболее интенсивно, но в инфракрасной области, где плитка отдаёт тепло, оно излучает достаточно эффективно. Поэтому белая поверхность кажется нам белой, но при этом работает как эффективный излучатель тепла.

Кейс, который Алексей Владимирович Чаплыгин продемонстрировал журналистам в ходе пресс-тура, — оригинальный чехол, в котором поставлялись плитки. Каждая плитка имела уникальный номер, паспорт и свой кейс; на производстве она хранилась именно так, а устанавливать её нужно было в строго определённое место на корпусе.

 

От ВГУ-1 до мировой карты плазмотронов

 

Гиганты восьмидесятых в ИПМех РАН — это продолжение серии высокотемпературных газодинамических установок (ВГУ) 1960-х годов.

«Была ВГУ-1, которая выбрасывала плазму прямо в комнату, но вокруг нее быстро соорудили испытательную камеру, чтобы люди не начали падать в обморок, надышавшись оксидами азота. Была ВГУ-2, где уже появилась полноценная барокамера, 1960-1970-е — пионерский и иногда гораздо более брутальный подход к исследовательским работам. Потом (в 80-е) создана ВГУ-3 с большой барокамерой для работы над тепловой защитой «Бурана», а затем установка поменьше – ВГУ-3 (для науки). На плазмотроне ВГУ-3 проходили огромные циклы испытаний, в том числе стократные тесты одной и той же плитки: её сто раз проводили по режиму входа в атмосферу и подтверждали, что тепловая защита корабля действительно может выдерживать до ста входов, то есть «Буран» реально является многоразовым», — подчеркнул Алексей Чаплыгин.

Последняя в серии ВГУ-4 дала много научных результатов по защитным материалам, тепломассообмену и течениям струй плазмы. Основателем лаборатории был Михаил Иванович Якушин — профессор, к.т.н. и выдающийся инженер, без которого эти установки, по словам Алексея Владимировича, никогда бы не состоялись.

Каждая такая установка уникальна, и за ней стоит огромное количество инженеров и исследователей: создать подобные испытательные камеры — сложная техническая задача и для физиков, и для инженеров. Но именно здесь, в струе плазмы, на Земле проверяют, выдержит ли материал вход в атмосферу— и не повторится ли трагедия, которую теплозащита не прощает.

Инженеры для «космического чуда»

 

Проектирование и изготовление уникальных стендов — отдельная инженерная компетенция, которая почти исчезла из вузовской среды. Готовить людей, которые умеют строить и обслуживать такие сложные установки, необходимо. Вопрос второй — кто этим должен заниматься. Именно об этом — о преемственности и о подготовке инженеров, способных создавать и эксплуатировать уникальные стенды, а не только работать с готовыми цифровыми моделями, — говорит ректор РосНОУ Владимир Зернов. Главный корпус Российского нового университета находится в здании, где работал Сергей Павлович Королёв, и его сотрудники ощущают личную преемственность не только по адресу, но и по типу задачи.

«Королёв добился победы в космической гонке благодаря настойчивому желанию и вере в победу. У него не было столько ресурсов, как у основного соперника, — был только один, интеллектуальный. И он сумел собрать команду намного сильнее, чем у оппонента: именно благодаря этому и победил», — считает Владимир Алексеевич.

Если задача не решается, уверен ректор РосНОУ, унывать нельзя. Надо верить в светлое будущее, брать пример с Королёва. Несмотря на все перипетии жизни Сергея Павловича — и тюрьму, и отсидку, и то, что ближайшие помощники в него уже не верили, Главный конструктор не сдавался. В кабинете ректора РосНОУ висит портрет Королёва. Когда совсем тяжело, говорит руководитель вуза, смотришь на него и понимаешь — Сергею Павловичу было намного тяжелее, но он веру в себя и команду не терял, значит, и мы, его преемники, не имеем права распускаться.

«Прямых требований, что за упрощением или пропущенным испытанием может стоять катастрофа, у нас, как в Институте проблем механики РАН, нет, но мы всегда приводим студентам примеры. Пропущенный блок или пропущенная часть в системном решении может в будущем обернуться катастрофическими последствиями. И учим их одному: любой подход к решению сложной, особенно технической, задачи может быть только системным», — подчёркивает Зернов.

В РосНОУ, как и в ИПМех РАН, есть программы, ориентированные на долгосрочную работу, — это и экзоскелеты, которые постоянно совершенствуются, испытываются, и производство принципиально новых беспилотников. Что касается психологической готовности студента к стократному повторению одного и того же опыта — того самого, что стоит за стократными испытаниями плитки «Бурана», — по мнению ректора РосНОУ, она оставляет желать лучшего, ибо сейчас весь мир ориентируется на быстрый результат.

«Из местности, где я родился и вырос, хутора Красная Яруга в Белгородской области, люди ездили на лошадях в Сумы, Харьков, Белгород, даже в Одессу. А сейчас, если человек в путешествии больше полусуток, он считает это дико долго; в Крым доезжают за 12–13 часов — и говорят, что это очень долго. Уже есть целая культура, чем заниматься в автомобиле, когда есть свободное время. Поэтому психологическая адаптация молодёжи к решению длительных задач, конечно, нужна, но силами одного вуза это не решить — это системная задача, которую нужно решать всем обществом», — говорит Владимир Зернов.

В своё время, по словам ректора РосНОУ для достижения этой цели был создан научный центр в Троицке, который сейчас является частью Москвы, — там основное направление было подготовить специалистов для обслуживания уникальных установок: Институт физики высоких давлений, филиал Института атомной энергии и другие. У них у всех была эта задача, и люди приходили с прекрасным физико-математическим образованием.

«Таких вузов не больше десятка, а ведущие — МГУ, Физтех, Бауманка, МИФИ: по уровню знаний математики и физики таких вузов в Москве больше нет. Уже на их основе надо доводить, дошлифовывать этих специалистов — это штучный товар, и много их в стране не нужно, потому что и установок много быть не может: это очень дорого», — считает Владимир Алексеевич.

 

Технология важнее публикации

 

Одним из критериев оценки вуза, по мнению Владимира Алексеевича Зернова, должно стать создание технологии, а не только публикации в научных журналах, при всей значимости последних. Испытание плитки теплозащиты в ИПМех РАН — это технология, но она даёт результат через годы и требует уникального стенда. Такие медленные экспериментальные компетенции, которые не конвертируются в быстрый Scopus, — это уже фундаментальные разработки, которые совершенно очевидно приведут к осязаемому технологическому прорыву в данной области.

«Их учитывать можно и нужно созданием конкретных приборов и технологий — так, как делает весь мир. Китайцы всю свою систему переняли у Советского Союза, и сейчас отличаются от нас тем, что им мало освоить деньги — у них нужно создать действующую технологию или прибор. То же самое можно сделать и у нас: пусть это даст через 3–4–5 лет, но технология должна быть действующая, рабочая, проверенная и испытанная», — заключает Зернов.

 

Диагностика не стоит на месте

 

Сегодня сложно модернизировать сами барокамеры плазмотронов, их генераторы, вакуумные системы, это потребовало бы масштабных конструкторских работ и фактической перестройки здания ИПМех РАН, но коллектив лаборатории постоянно совершенствует методы диагностики.

 «Мы используем целый набор приборов для оптической пирометрии (бесконтактного измерения температуры поверхности по тепловому излучению), — отмечает Алексей Владимирович Чаплыгин. — Яркостные пирометры, пирометры спектрального отношения, пирометры полного излучения, современные тепловизионные камеры. Для спектральной диагностики струй плазмы применяем портативные спектрометры на различные диапазоны длин волн. Для точного задания расхода плазмообразующего газа используем современные цифровые расходомеры».

Основные параметры установки с помощью блока АЦП в режиме реального времени сохраняются на компьютере. После экспериментов учёные исследуют свойства поверхностей с помощью рефлектометров (излучательные свойства), профилометров (3D-профиль поверхности), оптической микроскопии. Для калибровки оптических пирометров и спектрометров в лаборатории есть модель чёрного тела (отдельная установка, которая очень точно и стабильно воспроизводит заданную температуру).

 

Вместо послесловия: куда идёт молодёжь

 

Веяния в среде юношества, как диагностическая аппаратура, меняются едва ли не более динамично. По сравнению с событиями полувековой давности, сейчас у молодёжи совсем другая парадигма интересов, рассуждает Владимир Зернов.

«Полстолетия назад в фокусе внимания был космос, оставалась авиация — быть лётчиком тогда было очень почётно, и космонавты, в основном, вышли из лётчиков. Сейчас парадигма другая: когда я учился на Физтехе, только полгруппы занималась биофизикой, а сейчас это целый отдельный институт, 7–8 крупных учебных групп — рост в подготовке кадров больше, чем на порядок, в десятки раз. У меня такое ощущение, что, если бы сейчас я был молодым, я бы скорее всего пошёл в биофизику, - замечает Владимир Зернов. — Это не говорит о том, что не надо летать в космос: Олег Атьков — биофизик, но летал; Сергей Рязанский — выпускник биологического факультета МГУ, тоже летал. Тогда самый простой путь и больше всего были востребованы радиофизика, радиосвязь, а сейчас, боюсь, уже биофизика: задачи, которые решали радиофизики, в основном решены».

Биофизики в современном мире решают, как полагает ректор РосНОУ, очень важные задачи, начиная с познания клетки, понимания, где в организме сконцентрирована основная энергетика, почему с годами наша энергетическая печь начинает слабеть, изучения теломеров, нервных окончаний, соединения человеческих нейронов в единую сеть, по аналогии с компьютерами и сетью Интернет.

«Возможно ли это в принципе — покажет время, но для биофизиков сейчас задач огромное количество. Есть специалисты, которые занимаются, как в известном анекдоте, «ухо, горло, левая пятка, правый палец», а есть те, кто фокусируется на проблемах всего организма. Как так получилось, что организм человека был создан в текущем виде — в биофизике пока ответа нет. Мне кажется, я бы, если бы смог вернуть молодость, пришёл в космическую медицину — но это уже теперь, когда у меня много друзей, которые работают в этой отрасли и многого в ней добились», — шутливо подводит итоги беседы Владимир Зернов.