Выпускница МАИ работает над инновационной моделью динамики газов для гиперзвука

Развитие аэрокосмической отрасли и, в частности, переход к гиперзвуковым технологиям, требует качественного совершенствования вычислительных методов и математических моделей, способных описывать характеристики окружающей среды при взаимодействии с летательным аппаратом, движущимся на высокой скорости. Решению этой проблемы посвящена работа выпускницы Московского авиационного института, ассистента кафедры 105 «Аэродинамика летательных аппаратов» Алёны Тихоновец. В конце минувшего года Алёна защитила кандидатскую диссертацию по теме «Разработка комбинированной физико-математической модели для описания течений высокой динамической неравновесности». Автор представила в своей работе ряд перспективных методов, позволивших на порядки повысить эффективность её модели по сравнению с аналогами.

Уникальная методика

Работа над проектом велась с 2016 года под руководством доктора физико-математических наук, профессора кафедры 105 Юрия Алексеевича Никитченко. Также в рабочую группу вошли заведующий кафедрой Сергей Александрович Попов и аспиранты Наталья Сергеева, Максим Березко, Дмитрий Кудрявцев.

— Уравнения, позволяющие нам описывать процессы на дозвуковых и умеренных сверхзвуковых скоростях, перестают работать на гиперзвуке, — объясняет Алёна. — Часть процессов при высоких скоростях протекают очень быстро, и, ввиду сложности и дороговизны натурных экспериментов, необходимы математические модели, которые могли бы эффективно рассчитывать значения давления, температуры, плотности при обтекании воздухом поверхности тела той или иной формы. Существующим сегодня моделям, как правило, не хватает либо точности, либо скорости расчёта. Основное же преимущество нашей модели — это компромисс вычислительной экономичности и точности относительно совпадения с экспериментом.

Среди факторов, которые способствовали достижению командой исследователей высокого результата, — использование специальной методики расчёта, позволяющей существенно ускорить процесс.

— Мы нашли способ не сохранять каждый раз в памяти значение, полученное на очередной итерации. Это значительно экономит память и повышает скорость расчёта в сотни раз, — говорит автор модели. — Сейчас в мире работы в этой области вышли на плато: скорость расчётов кардинально увеличить техническим образом невозможно. Даже если мы используем более мощный суперкомпьютер, качественного прорыва не случится: пока нет такой технологии, которая бы это позволяла. Поэтому мы вынуждены ускорять процесс программными или математическими методами, и именно этот вариант будет актуальным в ближайшее время.

Средства на исследования выделяются Министерством образования и науки РФ в рамках госзадания. В настоящее время коллективом кафедры запатентованы две программы — для расчёта фронта ударной волны и обтекания активной поверхности.

Как тебе такое, Илон Маск?

Результат работы маёвцев представляет интерес как один из инструментов совершенствования гиперзвуковых технологий. Например, модель помогает определять оптимальную форму летательных аппаратов, предназначенных для эксплуатации на гиперзвуковых скоростях, рассчитывать температуру на их поверхности и, исходя из полученного результата, выбирать материал покрытия.

— Одно из важных направлений в аэрокосмической отрасли сегодня — создание возвращаемых летательных аппаратов, — отмечает Алёна Тихоновец. — Изготовить такой аппарат невозможно без расчёта. Только зная, какая температура будет на его поверхности при спуске в атмосферу, мы можем выбрать подходящий по свойствам материал, который не будет разрушаться или деформироваться в данных условиях. Расчёт частично заменяет нам эксперимент и позволяет существенно экономить время и средства на разработку.

В дальнейших планах коллектива кафедры 105 — усовершенствование модели для последующего внедрения в реальные производственные процессы.

— У нас есть ещё несколько нерешённых задач, — продолжает Алёна. — Так, существуют определённые математические трудности, связанные с описанием процесса обтекания острой кромки — к примеру, передней кромки крыла или входа в воздухозаборник двигателя. Этим вопросом мы планируем заняться.

Что касается личных планов Алёны, они не менее амбициозны. Девушка рассчитывает подготовить докторскую диссертацию по данной теме, а затем продолжить научную работу и, возможно, найти ответ на один из самых масштабных фундаментальных вопросов тысячелетия.

— У меня есть большой интерес к проблемам турбулентности, — говорит выпускница МАИ. — Я хотела бы попробовать расширить нашу модель и понять, что такое турбулентность и как она работает. Это одна из последних нерешенных задач классической механики, и я надеюсь, что смогу в будущем приблизиться к её решению.