ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 74, № 12 стр. 1118-1122 (2004)

ПО ТУ СТОРОНУ ЗВУКОВОГО БАРЬЕРА
К 90-летию со дня рождения академика В.В. Струминского

С.К. Бетяев,
кандидат физико-математических наук

Лучшие люди - это те люди, без которых не живет и не стоит никакое общество и никакая нация, перед которыми и сам народ и сама нация добровольно и свободно склоняют себя, чтя их истинную доблесть. Ф.М. Достоевский

Владимир Васильевич Струминский (1914-1998) - выдающийся аэродинамик, выражаясь фигурально, отец сверхзвуковой российской авиации - обладал могучим талантом, неиссякаемой творческой инициативой, умением доводить начатое дело до конца. Он родился в Оренбурге в семье педагогов. Его отец Василий Яковлевич Струминский окончил Московскую духовную академию, имел научные труды по психологии и философии, был доктором педагогических наук, профессором, членом-корреспондентом Академии педагогических наук.

В те годы большинство окончивших школу продолжали учебу в ремесленном или фабрично-заводском училище, а затем, по возможности на рабочем факультете (рабфаке). До поступления на физический факультет МГУ В.В. Струминский работал слесарем, затем токарем, окончил рабфак. Двадцатилетним юношей, работая на московском заводе "Динамо", он получил свое первое авторское свидетельство на изобретение - за усовершенствование отбойного молотка!

В МГУ Струминский учился в одной группе с нынешним нобелевским лауреатом академиком В.Л. Гинзбургом. Вот как вспоминает об этом Гинзбург:

"... при том уровне и той системе (в отличие от системы Физтеха, где студент рано может проявить не только способности воспринимать, но и делать что-то самостоятельно) стать круглым отличником значило не так много. Это еще не было указанием на нечто обещающее. В нашей группе явно выделялись 5 человек (примерно из 20-25): В.В. Владимирский, М.Д. Галанин, С.З. Беленький, Л.М. Левин и я (явно способным был и В.В. Струминский, но он уже тогда находился несколько «в другой плоскости»). Из этой пятерки первым бесспорно был Владимирский" [1].

Как понимать эту загадочную "другую плоскость"? Хотелось бы думать, что это - более тесная связь с практикой, не теория, а эксперимент.

В 1938 г. Струминский получил "красный диплом" МГУ. А в мае 1941 г., после окончания аспирантуры и успешной защиты кандидатской диссертации, в которой он рассмотрел образование простейшей кристаллической структуры у "мертвой материи" (Р-латуни), на арифмометре проинтегрировав уравнение Шредингера, Владимир Васильевич был направлен на работу в ЦАГИ - Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского. В этом институте, основанном в 1918 г., ведутся, как известно, фундаментальные и прикладные исследования в области аэродинамики полета и прочности летательных аппаратов. Теоретические проблемы гидродинамики здесь изучали Н.Е. Кочин, Л.Г. Лойцянский, Ф.И. Франкль, А.А. Никольский, В.В. Сычев, В.Я. Нейланд и другие. Они не были связаны с аэродинамическим проектированием, но их вклад в фундаментальную науку трудно переоценить. Аэродинамическим проектированием занимались инженеры Б.Н. Юрьев, Б.С. Стечкин, П.П. Красильщиков, Г.Л. Гродзовский и другие.

В.В.Струминский относился к группе ученых, сочетавших инженерную и научную деятельность, среди которых в разное время работали Н.Е. Жуковский, Д.П. Рябушинский, С.А. Христианович. В ЦАГИ он оказался "последним из могикан" - в том смысле, что в это время между наукой и инженерией образовался разрыв. "Неслыханные перемены, невиданные мятежи" отражались в судьбах людей непредсказуемым образом. В 30-х годах из-за усилившейся секретности, обстановки всеобщей подозрительности и страха атмосфера в научных институтах стала гнетущей. Люди боялись общаться, разговаривать, приглашать в гости. Вот как описывает предвоенную обстановку в ЦАГИ генеральный авиаконструктор А.С. Яковлев:

"... в ведении главка ... находилось ЦАГИ, где положение тогда было плачевное. Создавалось впечатление, что вершителями всех дел в этом основном научном центре нашей авиации являлись не научные руководители, а мелкие администраторы. Научных сотрудников института лишили свободного общения между лабораториями. Пропускную систему довели до абсурда.... Иные научные сотрудники... занимались в основном никому не нужными диссертациями и зарабатывали себе ученые степени" [2].

1937-й для ЦАГИ - это расстрел выдающегося руководителя института Н.М. Харламова. Позднее номенклатура, постепенно занявшая повсюду административные посты, начинает увольнять крупных ученых. Опытного, знающего свое дело С.Н. Шишкина сняли с высокой должности начальника ЦАГИ в 1950 г. "за аморальное поведение". На его место не нашлось никого лучше А.И. Макаревского, тогда малозаметного инженера. В 1953 г. с молчаливого согласия последнего избавляются от академика С.А. Христиановича, создателя сверхзвуковых аэродинамических труб. Вот как об этом говорил сам Сергей Алексеевич в одном из интервью: "Начальником в то время был А.И. Макаревский - человек мягкий и ни во что не вмешивающийся. Мне так прямо в лицо и сказали, что надобности во мне нет, - трубы работают, все необходимые испытания пройдены".

В это время В.В. Струминский был уже руководителем отделения и заместителем начальника института. Впоследствии отношения с начальством испортились, и его переводят в начальники отдела. Он развивает активную деятельность в Академии наук, где его избирают сначала членом-корреспондентом, а в 1966 г. - действительным членом АН СССР. Тогда же он принимает предложение стать директором созданного в Сибирском отделении АН СССР Института теоретической и прикладной механики. После шестилетней работы в Сибири он вернулся в Москву, став заведующим Сектором механики неоднородных сред - самостоятельной организации Академии наук на базе Института проблем механики [3].

Владимир Васильевич Струминский. 1980-е годы

В историю ЦАГИ и российской авиации В.В. Струминский вошел как инженер-исследователь №1. Под его руководством были созданы комплексы уникальных экспериментальных установок: малотурбулентные дозвуковые и сверхзвуковые аэродинамические трубы (в ЦАГИ и в Сибирском отделении АН СССР), сверхзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы периодического действия, гиперзвуковые импульсные установки для больших чисел Рейнольдса, вакуумные трубы, криогенные стенды.

Однако главное его достижение - это создание первых в стране самолетов со стреловидными крыльями и преодоление ими звукового барьера. Законы обтекания на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях различны. Поэтому кроме внедрения стреловидных крыльев требовалась иная механизация крыла (предкрылки, закрылки и т.д.), иная система управления и аэродинамическая компоновка самолета, необходимы были кропотливые и многолетние испытания моделей самолетов в аэродинамических трубах. Так началась революция в самолетостроении, которую впоследствии журналисты назовут "эпохой штурма звукового барьера" [4,5].

Неистовая энергия Струминского помогла ему преодолеть противодействие со стороны руководства института внедрению стреловидных крыльев. (Ромбовидные крылья имеют крылатые ракеты, а треугольные - опытные и серийные сверхзвуковые самолеты: Су-9, Су-11, Су-15, Т-4, МиГ-21, М-50 и др.) Интересно, что во время войны он ездил на фронт для опроса летчиков о поведении самолетов в боевых условиях. Уже в 1947 г. в конструкторских бюро Лавочкина, Яковлева и Микояна были построены первые опытные истребители со стреловидными крыльями. Применение оптимальных крыльев в пассажирской и военной авиации существенно повысило аэродинамическое совершенство российских самолетов.

Самолет Ла-176, который 28 декабря 1948 г. преодолел "звуковой барьер"

В 1948 г. самолет Ла-176 авиаконструктора С.А. Лавочкина преодолел звуковой барьер. Инженерные идеи и технические исследования Струминского лежат в основе создания, в частности, самолетов МиГ-15, превосходно зарекомендовавших себя в 50-х годах во время боевых действий в Корее...

По сию пору не затихают споры о предназначении ЦАГИ. Что он должен представлять собой: арсенал аэродинамических труб или "силиконовую долину"? Струминский отстаивал первую точку зрения, Христианович - вторую. Тогда невозможно было выбрать одну из этих возможностей на основе точного экономического расчета. Сегодня проблемы другие. Перед Россией стоит первоочередная задача создания конкурентоспособных летательных аппаратов, выхода на мировой авиационный рынок, где господствуют американская фирма "Боинг" и европейский консорциум "Эрбас индастри". Авиация должна стать локомотивом, способным вытащить российскую экономику из затянувшегося застоя. В связи с этим ЦАГИ предстоит разработать современную методику аэродинамического эксперимента и создать конкурентоспособный пакет прикладных программ по аэродинамическому расчету летательных аппаратов.

Невозможно подсчитать, какое место в мире занимала российская авиация во времена Струминского. Обычно считается, что второе-третье место - по пассажирским самолетам, первое-второе - по военным. Сегодня наша авиация вместе со страной переживает глубокий кризис. Что требуется для выхода из него? Идеи, деньги и таланты! Идеи есть: наука готова созидать самолеты следующего поколения. Деньги тоже есть. И непременно нужны жуковские, сикорские и струминские, которые могут создавать летательные аппараты.

Как ученый, Струминский имеет достаточно высокий индекс цитируемости. Его теоретические исследования отличались обзорностью, дидактичностью, рекордно широким охватом научных разделов и всегда были актуальны. Он не ждал, когда время догонит его. Именно такая крупномасштабная направленность исследований свойственна выдающимся ученым-прикладникам. Поражает широта научных интересов Владимира Васильевича: печать его таланта видна чуть ли не на всех разделах гидродинамики. Аэромеханика и энергетика, физика и химия, экология и квантовая механика, авиация и космонавтика, технология и машиностроение, экономика и философия - вот неполный перечень направлений, в которых он интенсивно работал.

Теоретические разработки Струминского по гидродинамике можно уверенно разделить на четыре группы: аэродинамика крыла, теория пограничного слоя, теория гиперзвуковых течений и кинетическая теория газов [6].

Аэродинамика крыла. Струминский открыл и исследовал так называемый эффект скольжения, который заключается в том, что, во-первых, продольное течение не зависит от поперечного течения (принцип автономности), а во-вторых, течение двумерно, то есть не зависит от третьей (поперечной) координаты. Эффект скольжения в идеальном газе является прямым следствием принципа относительности Галилея: физические законы не зависят от выбора инерциальной системы координат. Однако действует ли он в вязкой жидкости? Казалось бы, нарастание пограничного слоя по размаху крыла позволяет усомниться в этом. Именно такие аргументы выдвигали консерваторы (академик А.А. Дородницын и другие), не признававшие эффекта скольжения. Л. Прандтль (1945) и В.В. Струминский (1946) показали, что он справедлив в случае ламинарного течения. В результате многочисленных экспериментальных исследований на стреловидных крыльях были обнаружены области, где эффект скольжения нарушается.

Теория пограничного слоя. В школе Жуковского-Чаплыгина изучали течение идеальной жидкости, не учитывая действие вязкости. Ф.И. Франкль и В.В. Струминский были первыми в ЦАГИ, кто обратился к теории пограничного слоя и проблеме его устойчивости. Владимир Васильевич получил точное решение уравнений трехмерного пограничного слоя, когда внешнее течение исходит от вихреисточника. Им же предложен метод решения уравнений трехмерного пограничного слоя с помощью координатных рядов, а также показано, что трехмерный пограничный слой вырождается в двумерный только в случаях плоского или радиального внешних течений.

Одна из исследовательских проблем - нестационарный пограничный слой. Хотя эмпирические методы в наше компьютерное время считаются устаревшими, Владимир Васильевич с их помощью получил ряд новых качественных результатов. Например, оказалось, что положительное ускорение самолета уменьшает неблагоприятное влияние градиентов давления, ликвидирует отрыв потока, а отрицательное ускорение усиливает его. Ученый предложил использовать метод деформированных координат в теории устойчивости пограничного слоя, им рассмотрены вопросы стабилизации течения с ростом времени.

Теория гиперзвуковых течений. Здесь новаторство Струминского состоит в том, что в задаче об обтекании тела гиперзвуковым потоком он выдвинул эмпирический метод, заключающийся в использовании интегральных соотношений и аппроксимирующих функций.

Гиперзвуковая аэродинамическая труба
в Институте теоретической и прикладной механики СО АН СССР,
созданная В.В. Струминским

Кинетическая теория газов. Для решения уравнения Больцмана Струминский использует метод деформированных координат, учитывая одновременно быстрый и медленный процессы. Как и при применении метода Гильберта, в первом приближении получаются уравнения Эйлера, во втором - уравнения Навье-Стокса, в третьем - уравнения Барнетта.

Как задавать начальные данные для решения уравнения Больцмана? В виде начальной функции распределения или в виде первых пяти гидродинамических моментов? Струминский показал, что полная информация о начальном состоянии газа, определяемая бесконечным набором моментов (начальной функцией распределения), теряется в течение времени, равного по порядку величины времени свободного пробега, а затем система сохраняет в памяти лишь первые пять моментов.

В случае газовой смеси, когда процесс перемешивания еще не завершен и вероятность соударений молекул разного сорта мала, в первом приближении получается обобщенная на случай многокомпонентной среды система уравнений Эйлера. В следующем приближении получается система уравнений Навье-Стокса с коэффициентами вязкости и теплопроводности, отличными от тех, которые выводятся с помощью классического метода Чепмена-Энскога. Лишь вблизи равновесного состояния это отличие исчезает. В качестве примеров Струминский рассмотрел течение бинарной смеси между двумя параллельными плоскостями и течение в круглой трубе.

Он применяет методы кинетической теории газов к исследованию турбулентных течений. По современным воззрениям, турбулентное течение представляет собой стохастический конгломерат рождения, эволюции и смерти когерентных и некогерентных вихрей разных масштабов и форм. Гидродинамический хаос взаимодействует с молекулярным хаосом. Поэтому в уравнении Навье-Стокса должны появиться напряжения Больцмана, ответственные за эхо-влияние этого взаимодействия. К сожалению, их величина не оценена. Обычно считается, что эти напряжения малы.

Стру минский предположил, что в турбулентном течении можно, выделив отдельные группы молекул, исследовать их движение и перемешивание. Такую двухгрупповую модель течения он применяет для изучения течения в плоском канале и для описания структуры ударной волны. Однако модель не учитывает перехода молекул из одной группы в другую и не является замкнутой. По-видимому, по этим причинам она не получила дальнейшего развития.

В разное время Владимир Васильевич читал лекции по теории крыла, кинетической теории газов, теории устойчивости, проблемам турбулентности. Хорошо помню, как в 50-х годах вместе с другими студентами Московского физтеха я ездил из Долгопрудного в Жуковский слушать Струминского. Читал он не по учебникам, его лекции были, что называется, авторскими. Нужно отметить, что теории крыла в том виде, как мы ее сейчас понимаем, не существовало, ибо еще не появились работы основателей метода сращивания асимптотик, широко используемого в аэродинамике: М. Ван-Дайка, С. Каплуна, П. Лагерстрема, Цянь Сюэсена и многих других [7]. В.В. Струминский хотел построить здание теории, для которой еще не был возведен фундамент. И здесь он опережал время.

Как научный руководитель, Владимир Васильевич не занимался плотной опекой вверенных ему студентов и аспирантов. Однако своим непосредственным учителем его считают Ю.И. Пономарев, А.В. Зубцов, В.М. Филиппов, специализировавшиеся в изучении пограничного слоя. Работы Струминского по аэродинамическому проектированию самолетов продолжили Я.М. Серебрийский, а затем В.Г. Микеладзе и В.М. Фомин.

В последние годы жизни ученый занимался перспективной проблемой применения в качестве топлива жидкого водорода. Он состоял членом редколлегий многих научно-технических журналов, был научным руководителем семинаров и конференций. Владимир Васильевич всегда был переполнен идеями. С карандашом и тетрадкой он не расставался даже во время отдыха: возникшие мысли сразу же фиксировались на бумаге. В ежегодные поездки на юг он брал с собой научные книги и журналы. Читать, осмысливать, внедрять - вот его жизненное кредо. Теория для него была неразрывно связана с экспериментом. Кроме того, он активно интересовался искусством, политикой, философией, спортом. Писал популярные статьи о науке, авиации, о применении водородного топлива на транспорте. На склоне лет человеку свойственно задумываться над вопросами мироздания. Работы Струминского по философским проблемам [8] профессионалу могут показаться наивными, но они лишний раз свидетельствуют о необычайно широком круге его интересов.

На детях Владимира Васильевича природа не отдыхала. Его сын Борис Владимирович Струминский (1939-2003) был крупным физиком-теоретиком, учеником академика Н.Н. Боголюбова. Вместе с учителем и президентом Академии наук Грузии академиком А.Н. Тавхелидзе он ввел новое квантовое число - цвет - и построил схему сильных взаимодействий, основанную на трех триплетах кварков с целочисленными зарядами.

В связи с 90-летием В.В. Струминского на здании ЦАГИ, где размещена лаборатория спроектированных им малотурбулентных аэродинамических труб, открыли памятную доску. В торжественный день среди собравшихся были и те немногие сотрудники, которым посчастливилось видеть этого выдающегося человека в расцвете сил, в пору его творческого горения. Директор ЦАГИ В.Г. Дмитриев тепло отозвался о юбиляре.

Искривленная временем река истории входит в свои берега...

Автор благодарит дочь академика Ирину Владимировну Струминскую за помощь, оказанную ею при подготовке к печати этой статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург B.Л. Как я стал физиком-теоретиком и вообще о себе...// УФН. 2001. № 10. С. 1141.

2. Яковлев А.С. Цель жизни. М.: Республика, 2000. С. 163.

3. Горячева Р.И., Клейменова Р.Н., Маркеев Б.М. Владимир Васильевич Струминский. М.: Наука, 1993.

4. Храбровицкий Д. Штурм "звукового барьера". М.: Правда, 1956. (Библиотека "Огонек". № 42).

5. Арлазоров М.С. Фронт идет через КБ. М.: Знание, 1969.

6. Струминский В.В. Аэродинамика и молекулярная газовая динамика. М.: Наука, 1985.

7. Бетяев С.К. К истории гидродинамики: научные школы России XX века // УФН. 2003. № 4.

8. Струминский В.В. Как и зачем возникла жизнь на Земле и других планетах // Вестник РАН. 1995. № 1.