Александр КАРПОВ: Горение под присмотром

Главный научный сотрудник УдмФИЦ УрО РАН Александр КАРПОВ рассказал о своих научных работах.

Что такое горение, чем оно отличается от пожара? Как предугадать движение пламени и его скорость и как делают ракетные двигатели? А также о том, чем занимается лаборатория физико-химической механики Института механики Удмуртского федерального исследовательского центра УрО РАН, рассказал главный научный сотрудник УдмФИЦ УрО РАН Александр КАРПОВ.

– Александр Иванович, расскажите, чем занимается ваша лаборатория физико-химической механики.
– Тема нашего государственного задания сформулирована как решение сопряжённых задач гидродинамики, тепломассообмена и горения в гетерогенных средах. Решение этих задач прилагается к ракетным и авиационным двигателям, к горению газообразных и твёрдых (полимерных) видов топлива в целом, в том числе к пожарам. Уравнения здесь используются одни и те же – уравнения гидромеханики химически реагирующих сред.

В лаборатории работают девять человек. Каждый ведёт определённое направление и при этом, в той или иной мере, понимает задачи, стоящие перед коллегами. При возникновении каких-то комплексных задач усилия и знания всех сотрудников складываются. Кстати, у нас сейчас нет такого понятия, как заведующий лабораторией в виде начальника-администратора. Я – главный научный сотрудник. Так называется моя должность, которая определяется моим функционалом. Я такой же научный сотрудник… только главный. То есть не только руковожу, но и сам работаю. Я – звено в этой цепочке. Иногда, когда нужно решить конкретную задачу, мы создаём микроколлективы. Есть такая группа из трёх сотрудников, в том числе меня. Мы занимаемся, так скажем, процессами горения.

У нас есть специалисты конкретно по ракетным двигателям. Есть темы, связанные с сопряжёнными задачами теплообмена в нефтегазовых скважинах. В том числе, это вопросы конденсации и кристаллизации. Проблемы газодинамики, когда поток газа облучается лазером определённой частоты. Газ это излучение поглощает и начинает испускать поток другой, более высокой, частоты. Это лазерная накачка. И этот лазер уже может быть использован для обработки какой-нибудь поверхности. Или… ну, можно сломать чего-нибудь… Спутник чужой, к примеру… Кто-то больше занимается экспериментами, кто-то теорией и расчётами.

– В чём заключается ваша научная деятельность? Каковы её направления?

– Уже много лет я занимаюсь теорией горения. Условно говоря, есть материал, например, горючий полимер. Мы его поджигаем, и он начинает гореть. Чтобы измерить скорость, с которой пламя будет распространяться, достаточно линейки и секундомера. Ну, спички ещё нужны… Задача состоит в том, чтобы всё это рассчитать теоретически. Как будет двигаться воздух, сколько в нём будет кислорода и так далее. Всё это, конечно, можно измерить. Но самый главный параметр – скорость, с которой движется пламя. Это в самом общем виде, не прибегая к специальным терминам. Мы должны учесть все факторы, которые влияют на процесс горения – свойство материала, свойство воздуха или газа, в котором он горит. Всё это называется сопряжённой моделью. Это касается и ракетного двигателя. Если мы вот здесь сделаем отверстие, а здесь приделаем сопло, а здесь поместим несколько килограммов или тонн чего-нибудь полезного или, наоборот… – мы получим ракету. А уравнения, которые используются, одни и те же, что в ракетном двигателе, что при пожаре. И в этом направлении мы находимся на лидирующих позициях в мире. Ну, есть ещё люди, которые в этом разбираются. Есть группы в Америке, Китае, Индии. В Европе тоже есть.

– Как вы пришли в науку?

– Случайно. Был день открытых дверей в Ижевском механическом институте, и мы с отцом туда пошли. Когда я спросил, зачем это надо ему, он ответил, что интересно и что он хотел и мог бы стать инженером, а стал юристом. А мой отец, Иван Макарович Карпов, был и председателем Верховного суда УАССР, и министром юстиции. Напросился он со мной тогда. И вот мы идём по ИМИ, а навстречу нам ректор Алексей Матвеевич Липанов. Они с отцом были знакомы. И Липанов решил мою дальнейшую судьбу. Сказал, что раздумывать нечего, и сразу указал на свою кафедру, где я должен специализироваться.

В 1985 году я окончил Ижевский механический институт по специальности «двигатели летательных аппаратов». Тогда это так называлось. Сейчас в дипломах пишут конкретнее: «ракетные двигатели на твёрдом топливе». Нас готовили, чтобы обеспечить кадрами предприятия, которые связаны с ракетостроением. Например, Воткинский машиностроительный завод и другие. Распределение было по всей стране. Меня распределили в НИТИ «Прогресс», но потом оставили на кафедре. Я тогда как раз увлёкся теоретическими разработками. Конец 80-х годов… Ситуация понятная. Предприятия нашего профиля оказались в тяжёлом положении. В Воткинске американцы просто пилили «Пионеры», СС-20. Отрасль разваливалась. Но я на заводах никогда не работал, а занимался исключительно уравнениями, которые связаны с горением разных материалов. И не обязательно ракетного топлива. А уравнения одни и те же. В 1987 году меня пригласили в Хабаровск в политехнический институт. Я поступил в аспирантуру и стал готовить кандидатскую диссертацию. Но в Хабаровске не было ничего, что бы было связано с разработками ракетных двигателей. Зато были лесные пожары. И я перешёл в эту область, стал заниматься теорией горения как таковой, ничего в смысле темы научного исследования не потерял. Просто в ракетном двигателе нужно, чтобы горело быстрее, а в лесу медленнее… А лучше, чтобы вообще не горело.

В 1990 году защитил кандидатскую диссертацию в Томском университете. В Хабаровске преподавал, чем и зарабатывал себе на жизнь. А с 1995 по 1998 год появился российско-канадский проект по модельным лесам, и мы в него вошли со своими разработками.

– В чём суть вашей работы с канадцами?

– Мы на канадские деньги разработали автоматизированную систему для отслеживания и прогнозирования пожарной обстановки в лесах. Взяли для этого оцифрованную лесоустроительную карту примерно на миллион гектаров. На ней было указано, где и какие растут деревья, где и какие есть реки и болота, подрост, подлесок. Понятно, что одно дело, если лес хвойный или берёзовый, а другое – если где-то растёт ольха с бузиной. Это влагосодержащие растения и гореть они не будут, даже если их специально поджигать. Или болота. Одно дело болото в апреле, другое – в июле. Учитывался и травяной покров, и другие факторы. Система определяла и прогнозировала скорость и направление распространения пламени при определённой скорости ветра, его направлении и других внешних, в том числе погодных факторах. Исходя из этого анализа, можно было давать рекомендации лесникам и пожарным. Эта модель была нашим ноу-хау.

– Часто ли вам приходилось работать с иностранцами, бывать за границей?

– Как только исчез «железный занавес». В 1993-1994 году побывал в Токио. Там год поработал. И позднее ещё раз бывал в Японии на конференциях и семинарах. Даже японский выучил. Сейчас многое забыл, но в магазине или в ресторане объясниться смогу, рыбу с мясом не перепутаю. Там даже хотел на курсы записаться, но когда стали давать домашние задания, передумал. Язык-то я учил по словарям и на улицах Токио. Было интересно. Выучил несколько десятков иероглифов. Надо сказать что письменная и устная речь у японцев – совершенно разные вещи. У меня даже статья на японском языке есть, с соавторами, конечно. Я её даже пытался читать. Абзаца два из введения прочитал – всё понял…. Дня два потратил на это.

Бывал и в других странах, наверное, с десяток наберётся: Китай, Корея, Австралия, Индонезия, Сингапур, Канада, Япония, Великобритания, Ирландия. В Америке был уже за свои деньги. Их я как раз в Токио заработал.

– А когда вы вернулись в Ижевск?

– Мне надо было защитить докторскую диссертацию. В Хабаровске диссертационного совета не было. Ближайшие – в Москве, Томске, в Ижевске. А это далеко. Один раз съездил, а на второй денег уже может и не быть. А тут открылся совет по математическому моделированию в Комсомольске-на-Амуре. И по договорённости с коллегами я там защитился, но отработал полтора-два года в их техническом университете.

А в 2005 году меня пригласил уже академик Алексей Матвеевич Липанов, который руководил Институтом механики, возглавить лабораторию. Прежний руководитель лаборатории Ю.Ф. Кисаров, к сожалению, ушёл из жизни. С появлением Алексея Матвеевича академическая наука в Удмуртии, связанная с ракетостроением, начала возрождаться. Активнее стали проводиться конференции с участием академических организаций, вузов и промышленных предприятий. Мы довольно много сделали проектов с Государственным ракетным центром в Миассе по их тематикам, то, что связано с твёрдотопливными двигателями. И это сотрудничество продолжается.

– Какие задачи вам приходится решать в связи с ракетными двигателями?

– Двигательная тема в нашем институте долгое время не развивалась. А недавно благополучно возродилась, наверное, в 2012 году, когда появился заказ от Ракетного центра. А до этого было больше теории. Я до этого на предприятиях-то практически не бывал, хотя много лет возглавляю ГАК в ИжГТУ по ракетостроению и двигателям летательных аппаратов.

– Какие у вас планы вашей деятельности на перспективу?

– Мусор. Речь идёт о современном реакторе по сжиганию мусора. Мы недавно занялись этим проектом. Я думаю, что в России это всё находится ещё в зачаточном состоянии. Мусор сжигают, а он не горит. Можно добавить газа, метана, к примеру, или применить электрическую дугу… Но проблема ещё и в том, чтобы мусор сгорал до безопасных веществ. Конечно, прежде всего, нужно решить вопрос с сортировкой мусора. Если материал для сгорания более или менее однородный, то и режим для его сжигания подобрать проще. Пусть даже не извлекать при этом какую-то энергию, а хотя бы добиться того, чтобы он гадость всякую не выделял. Это комплексный вопрос. И больше социальная проблема. И мы сейчас вступили на этот путь, но находимся только в его начале.

Источник: https://udmpravda.ru/2021/12/02/gorenie-pod-prismotrom/