10.07.10
Александр Леонтьев опередил многих зарубежных коллег в фундаментальной и прикладной теплофизике, но известно об этом стало только в самое последнее время.
Премия «Глобальная энергия» за 2010 год досталась двум действительным членам Российской академии наук: теплофизику Александру Леонтьеву и известному украинскому ученому в области сварки материалов, металлургии и технологии металлов Борису Патону. Награды лауреатам вручил президент России Дмитрий Медведев.
Если Бориса Евгеньевича Патона известность и даже всенародная слава не обошли стороной, то сказать то же самое об Александре Ивановиче Леонтьеве никак нельзя — его имя начало появляться в широкой печати совсем недавно. Дело в том, что академик Леонтьев всю свою научную жизнь, начиная с 50−х годов прошлого столетия, работал по закрытым военным программам, разрабатывая энергетические установки для ракетной, ядерной, авиационной и военно-морской техники. Поэтому даже вполне «невинные» его работы публиковались в законспирированном, по словам самого ученого, виде, когда от теоретической части приходилось отрывать прикладную. Между тем именно он был автором многих научных открытий в области газодинамики и тепломассообмена. Еще в 50−е годы, задолго до публикации английского ученого Лаундера, были выявлены так называемые эффекты ламиниризации турбулентного пограничного слоя в области критического сечения сопла. Леонтьев ввел понятие эффективной газовой завесы, получил опытные данные по эффективности такой завесы в сверхзвуковом сопле и предложил для нее расчетную формулу за годы до Эккерта, которому официально принадлежит приоритет этих открытий. Сотни открытий были сделаны им и позже, а злые языки утверждают, что идей, изложенных в его докторской диссертации, связанной с теорией пристенной турбулентности, хватило на поживу нескольким десяткам других, более «открытых» докторантов. С разговора о «закрытых» ученых мы и начали наше интервью с новоиспеченным лауреатом.
— Александр Иванович, о вас, ваших исследованиях и разработках широкой общественности, по существу, ничего не известно, между тем коллеги считают вас выдающимся ученым мирового уровня. А много ли остается еще таких «закрытых» академиков, как вы?
— В советское время работало очень много крупных ученых и выдающихся конструкторов, которые были известны только среди специалистов, среди профессионалов. Многие результаты, в том числе и из моей области, в закрытых работах были получены гораздо раньше, чем за рубежом. Но большое число исследований тогда носило закрытый характер и во внешний мир не выходило, поэтому имена авторов долгое время оставались не на слуху. Сейчас потихонечку эти имена раскрываются, но некоторые из них не известны широкой публике до сих пор.
— Об академике Кирюхине, к слову, с которым вы много работали, в интернете я не нашел ни одного упоминания.
— О Владимире Ивановиче-то? Да, это был наш лидер в области турбин для подводных лодок, он работал генеральным конструктором на Калужском турбинном заводе. Причем, знаете, он делал такие двигатели, которые американцам даже не снились. Кирюхин был выдающимся конструктором и удивительно приятным по человеческим качествам, мы были с ним друзья большие. Очень приятные о нем остались воспоминания. А в первые годы после окончания института я работал в Энергетическом институте (ЭНИН им. Г. М. Кржижановского. — «Эксперт») вместе с Виталием Михайловичем Ивлевым — это один из ведущих конструкторов в области ракетно-космической техники. Мы с ним вместе учились в одном институте, позже он стал моим наставником. Его фамилию знали только в очень узком кругу специалистов. Мы занимались разработкой систем охлаждения ЖРД, жидкостных реактивных двигателей, и некоторые вещи, такие, как, скажем, эффективность газовой завесы, влияние низкочастотных пульсаций на систему охлаждения, впервые обнаружили и описали за много лет до того, как это было опубликовано в иностранной печати.
— Казалось бы, эти двигатели начали разрабатываться более полувека назад, но американцы тем не менее подписали договор о закупке двигателей РД-180 на большую сумму…
— Они до сих пор по своим параметрам являются лучшими (этот двигатель, по уточнению Леонтьева, по сути, является «половинкой» РДС-170, над которым и работали в свое время Ивлев и Леонтьев. — «Эксперт»). И американцы пришли к выводу, что лучше купить, чем самим осваивать эту технологию. То есть такой задел тогда был сделан хороший, фундаментальный, на долгие годы вперед — и все благодаря тому, что мы проводили исследования по самому широкому фронту проблем. Работы были не узконаправленны, как сейчас, когда на всем экономят деньги. И появлялись результаты, иногда неожиданные, но очень полезные. С одной стороны, мы нигде не могли ничего публиковать, наши результаты того периода нельзя было обсуждать в среде широкой научной общественности, а с другой — мы эти результаты сразу внедряли в практику. Эти десять лет работы с тем же Ивлевым все исследования носили закрытый характер, но творческое удовлетворение тем не менее они приносили полное: только проведешь эксперимент, а его результаты тут же идут в конструкторское бюро.
— Многие специалисты одной из основных ваших научных заслуг считают создание вами на основе своих достижений в области фундаментальных наук различных инженерно-расчетных методик. Вам принадлежат методы расчета парогенераторов для наших подлодок, энергоустановок различного назначения. Недаром же вы обладатель очень ценимого в профессиональном сообществе звания иностранного члена Инженерной академии США, награждены престижной медалью Макса Якоба Американских обществ инженеров-механиков и инженеров-химиков. Прикладной подход в науке вам, должно быть, особенно близок?
— Конечно, всегда приятнее заниматься фундаментальной наукой. Кто-то очень остроумно сказал, что фундаментальные исследования подобны стрельбе из лука: вы сначала пускаете стрелу, а потом уж рисуете цель там, куда она попала. И правда, часто ведь получается так, что вы занимаетесь какой-то проблемой год-два. Сначала казалось все интересным, а потом этот интерес уходит, и вроде бы ничего не получилось с точки зрения конечного результата. Но труд не пропадает, потому что вокруг этой темы организуется коллектив, появляются новые темы, интересы, идеи, в конечном счете связи с другими учеными расширяются — так ведь и прирастает наука. Но работа с Виталием Михайловичем Ивлевым стала для меня действительно серьезной подпиткой, опытом решения практических задач, когда сначала цель, а потом — стрельба.
— А чем вы занимались с точки зрения решения практических задач?
— ЖРД — это, по сути, и камера сгорания, где сжигаются окислитель и топливо, и сопло, где продукты сжигания разгоняются до больших скоростей, — так создается тяга. Но температура внутри камеры достигает трех тысяч градусов, а стенка камеры держит температуру самое большее 800 градусов, поэтому надо ее охлаждать. Мы ее охлаждали, и сейчас, конечно, в ракетных двигателях все охлаждают. По каналу снаружи сначала пускаем окислитель или топливо. Но этого охлаждения недостаточно, поэтому часть охладителя приходится выпускать в проточную часть и создавать вдоль всей проточной части такую завесу из холодного (ну относительно холодного — 800 градусов) газа.
— Это оттуда уже потом пошли охлаждаемые пористые лопатки для газовых турбин?
— Конечно, именно там все начиналось. Сейчас, наверное, об этом можно говорить. Был такой очень интересный проект, Виталий Михайлович, кстати, был главным его инициатором, — это газофазный ядерный двигатель, ГФЯРД. А предназначался он для полета на Марс и обратно.
— В нем теплоноситель играл роль, собственно говоря, и рабочего тела?
— Совершенно верно. Температура на выходе из сопла была на уровне 12 тысяч градусов. Представляете? И вся проточная часть ГФЯРД была выполнена из пористого материала, через который продувался водород. Только таким образом удавалось удержать вот эту, по существу, плазму. Но тем не менее на таком уровне температур камера могла работать только за счет такого пористого охлаждения. А количество продуваемого через пористый материал газа определялось по формулам Кутателадзе—Леонтьева для случаев критического вдува газов. А уже потом пористое охлаждение стали переносить на лопатки.
— Это на «Красной звезде», наверное, разрабатывалось?
— Там много участвовало предприятий, в том числе, конечно, и «Красная звезда» (разработчик и изготовитель космических ядерных энергетических установок. — «Эксперт»).
— Эта камера сгорания дошла до стендовых испытаний? Или только в теории осталась?
— Нет-нет, были расчеты сделаны, проведены кое-какие эксперименты, я тоже в них участвовал. Но потом этот проект прикрыли, и как-то он выдохся, к сожалению, хотя там были очень интересные заделы сделаны.
— В другом проекте, где вы участвовали, в качестве силовой установки для космоса предполагали использовать очень маленький ядерный реактор — чуть ли не всего с кубометр объемом, — насколько я понимаю, на быстрых нейтронах с жидким теплоносителем. По-моему, для него вы разрабатывали охлаждение турбинных лопаток.
— Это другой вариант. Обнинск этим занимался, академик Субботин Валерий Иванович.
— Ну вы-то к этому руку приложили?
— Приложил.
— Опять же с точки зрения охлаждения лопаток?
— С точки зрения охлаждения. Технология пористого охлаждения очень заманчива, потому что вы можете делать саму лопатку из пористого материала и подавать в каждом ее месте именно столько охладителя, сколько необходимо. А если создавать завесу, а так сейчас происходит охлаждение в турбинах, вы вначале пускаете какое-то количество охлаждающего газа или воздуха, и он распространяется между лопатками. Неэкономно получается. А когда вы распределяете охладитель по пористой стеночке, вы даете столько, сколько надо, чтобы поддерживать температуру, безопасную для материала лопатки.
— И при этом рабочее тело внутри турбины не охлаждается.
— Да, совершенно верно, и термодинамику не портите, потому что, если очень много выпускать охладителя, вы снижаете температуру рабочего тела. То есть с точки зрения термодинамики самый оптимальный вариант — распределение охлаждающего вещества через пористый материал. Но есть проблема — при практическом использовании пористого охлаждения эти самые поры забиваются, получается фильтр, по существу. И поэтому, к сожалению, пористое охлаждение пока не получило массового применения ни в авиационных, ни тем более в энергетических газовых турбинах. В большой энергетике главное же — срок службы. Это в авиации, особенно в военной, двигатель может сто часов проработать, и все. А в энергетике надо, чтобы газовая турбина годами работала, поэтому борьба с механической эрозией лопаток там главное. Кстати, и для паровых турбин тоже очень важный вопрос. На последней ступени турбины лопатки, где выпадает уже влага, тоже механической эрозии поддаются.
— Вы сказали, что материалы с порами для лопаток не нашли особого применения, но General Electric пошел по пути парового охлаждения лопаток газовых турбин, где охлаждающий пар тоже идет через поры. А Siemens разработал самую большую энергетическую газовую турбину, где используется воздушное охлаждение — также через отверстия.
— Это другое. У General Electric и Siemens в лопатках не пористые секции, как это было у нас, а, по существу, большие отверстия диаметром в миллиметры. А размер наших пор 10 микрон, это толщина волоса человеческого. Причем у них отверстия эти расположены только в поясах — в центральной части лопатки, где-то в серединке и, может быть, немножко в хвосте. А такого распределения по всей поверхности лопатки, какое мы разработали, нет ни у кого.
— Понятно, что турбиностроение для повышения КПД все равно будет идти по пути увеличения начальных температур рабочего газа или пара, и нужно уметь правильно охлаждать лопатки, чтобы добиться повышения этой эффективности.
— Конечно, ведь все же очень просто. Еще Карно в 1824 году сформулировал основные пути развития энергетики. Осваивать более высокие температуры, а это что значит? Нужно разрабатывать систему охлаждения, потому что материалы не могут выдерживать больших температур, да еще при высоких давлениях. Значит, отрабатывать систему охлаждения — одно направление. А второе направление — карнотизация цикла, как мы это в теплофизике называем. То есть приближение реального цикла к идеальному циклу Карно. И парогазовые установки — самый прямой путь к этому приближению. Нужно достигать максимальной температуры на газовых турбинах, а потом эти же газы срабатывать в паровом блоке электростанции. И тут два варианта для развития: использование либо очень дорогих жаропрочных материалов, либо материалов с пористой поверхностью. Способ бороться с засорением пор есть — можно ставить перед пористым материалом другой материал, с более мелкой пористостью, который будет задерживать там какие-то частички, и периодически менять этот материал, то есть это проблема решаемая. А при использовании пара в качестве рабочего тела проблема загрязнения вообще снимается, там можно спокойно использовать пористое охлаждение, и мы это делаем уже сейчас.
— Речь идет о проекте высокотемпературных паровых турбин, в котором участвует калужская фирма «Турбокон»? Мы знаем эту компанию и ее руководителя Владимира Алексеевича Федорова, они побеждали на Конкурсе русских инноваций, который проводит наш журнал.
— Совершенно верно. Но эта идея, конечно, тоже не новая. После возвращения в Москву из Новосибирска (а я проработал там десять лет во время становления Сибирского отделения РАН, в том числе с уже упомянутым академиком Самсоном Семеновичем Кутателадзе) я стал работать в ИВТАНе (Институт высоких температур Академии наук. — «Эксперт») в отделе массообмена, которым руководил выдающийся энергетик ХХ века академик Михаил Адольфович Стырикович. Здесь мои научные интересы были сориентированы на изучение процессов теплообмена при кипении воды в парогенерирующих каналах тепловых электростанций (и силовых установок судовых двигателей. — «Эксперт»). И результаты этих работ, безусловно, были использованы при разработке проекта высокотемпературных паровых турбин.
А Федоров Володя — мой бывший аспирант, потом докторант, и я являюсь научным руководителем этой компании. Мы организовали с МГУ и МГТУ имени Баумана интересный способ работы — так называемую межвузовскую лабораторию. А в Калуге как раз есть филиал МГТУ, и там на базе Калужского турбинного завода с ведущим участием в этом проекте «Турбокона» мы разрабатываем цикл с перегретым паром. Какая там идея? Скажем, ночью, когда потребляемая мощность падает, ее избыток можно использовать для электролиза воды и получать водород и кислород. Днем этот водород сжигаем в кислороде в специальной высокотемпературной паровой камере и получаем пар с высокой температурой — около двух тысяч градусов. Потом этот пар смешиваем с тем паром, который получается на обычной тепловой электростанции, и поднимаем температуру пара перед паровой турбиной до 1500 градусов, где и используем эти самые лопатки с пористым охлаждением. У нас (я имею в виду «Турбокон» и калужский филиал Бауманского университета) уже есть действующие камеры сгорания и 100−киловаттная турбина — все работает довольно стабильно. Сейчас идет работа над блоком уже в 25 мегаватт.
— Вы говорите о высокотемпературных камерах, скорее всего небольших, похожих на те, что работают в авиационных или ракетных двигателях. Но ведь тепловая энергетика сопряжена с выработкой больших объемов пара, с большими мощностями.
— Вы задаете очень профессиональные вопросы. Камеры сгорания — очень серьезный вопрос. В этом одна из главных проблем проекта. Но что нас должно выручить? Камеры сгорания, которые мы уже испытываем, действительно значительно меньшего размера, чем те, которые будут работать в реальном цикле в будущем. Но, вы знаете, с увеличением размера уменьшаются и те проблемы, которые приходится решать с охлаждением, и здесь эффект масштабирования играет в нашу пользу.
В области охлаждения наметилось два направления работ. Одно — использование для охлаждения пара, который вырабатывается на тепловой электростанции. Это направление развивается как раз у Федорова. Более того, американцы переориентируются именно на эту схему охлаждения. То есть, по существу, повторяют наш цикл. И недавно была статья опубликована, где они прямо об этом пишут. Там по заказу министерства энергетики США хотят сделать паровую надстройку с высокотемпературной камерой сгорания и сжиганием водорода в кислороде к проекту энергоблока с парогазовым циклом с использованием синтез-газа, полученного из угля. Похожая работа с высокотемпературной паровой турбиной и использованием водородного топлива ведет Toshiba; японцы тоже сориентировались, как мы видим, на наши с Федоровым публикации и перестраивают свои работы именно в том направлении, в каком движемся мы. Раз уж у нас появились такие последователи — General Electric, Siemens, Toshiba, которые ориентируются сейчас именно на наш проект, мы надеемся, что справимся с этой проблемой. Другое направление, которое развивается параллельно, — использование для охлаждения высокотемпературной камеры того же кислорода, который получается при электролизе. Эта технология разрабатывается в лаборатории водородной энергетики в ИВТАНе, которой заведует Станислав Петрович Малышенко, очень известный в водородной энергетике ученый и очень активный человек, а я там тоже являюсь научным руководителем, так что руковожу разработкой двух конкурентных идеологий.
— Слушая рассказы об исследованиях, проводившихся в советское время, не перестаешь удивляться системности тех взаимосвязей, которые пронизывали буквально все технические научные, отраслевые и учебные институты, КБ, производственные предприятия. Создание межвузовской лаборатории и ее работа с калужскими предприятиями — шажок в сторону восстановления подобной системы?
— В какой-то степени да, но не в такой, конечно, как в советское время, — тогда все это управлялось сверху, вертикально. Ставилась задача выполнить, и выполнялось. А иначе ничего не получалось бы. Вот недавно я прочитал книжечку такую, называется «Альтернативное немецкое оружие», очень интересно. Сколько у них было разработок, прежде чем полетел тот же «Мессершмитт», к примеру, — десятки всяких вариантов. Причем все доводилось до действующей модели, понимаете, и потом только, после проведения испытаний, отбиралось лучшее. И у нас было то же самое. К примеру, было ОКБ Надирадзе (Александр Надирадзе, генеральный конструктор НИИ-1, потом Московского института теплотехники, где создавались твердотопливные ракеты: оперативно-тактические ракеты «Темп», «Темп-С», межконтинентальные «Темп-2С», средней дальности «Пионер», МБР «Тополь», там же шла работа над созданием комплексов «Вихрь», «Горн», «Ливень», «Луна-М», «Пионер УТТХ». — «Эксперт»). Я помню, когда мы, представители АН, раньше туда приезжали, нам показывали десятки разных вариантов ракет. А вот недавно было совещание — два варианта. «Буран», «Булава», больше ничего нет, все остальные направления прикрыты. Так не пойдет, так мы не выдержим никогда конкуренции. Здесь приходится тратить деньги на разные ответвления, а там все же пересекается — и технология, и безопасность, и экология, и приходится привлекать разных специалистов, так развивается наука, развивается техника.
Как мы сейчас пытаемся действовать? Вот, скажем, в Институте механики Московского университета есть группа людей, которые занимаются газовой динамикой, работая в своих лабораториях, но мы их привлекаем в нашу межвузовскую лабораторию. Из НИИ энергомашиностроения МГТУ имени Баумана людей привлекаем, из ИВТАНа. Они вроде бы работают на своих местах, трудовые книжки у них там, а фактически они трудятся над единой тематикой в одном межведомственном коллективе. Мне кажется, это очень интересный вариант совместной работы разных научных учреждений, а главное, мы собираем специалистов, которые занимаются конкретной тематикой. Вот, скажем, возьмем работы по температурной стратификации…
— Александр Иванович, поясните, что это за исследования и в каких областях можно использовать их результаты. С этим ведь связывают то, что называют трубой Леонтьева?
— Да, это так. Объясню на таком примере, это как раз то, чем мы и занимаемся в межвузовской лаборатории. Температурная стратификация — это разделение одного потока газа на два потока газа. Один поток можно разогнать в сверхзвуковом сопле и направить в цилиндрический канал, а другой поток движется в кольцевом канале с дозвуковой скоростью. И в результате получается, что между двумя этими потоками газа идет очень эффективный переток тепла от дозвукового потока к сверхзвуковому, причем намного эффективнее, чем в трубе Ранка. Таким образом и возникает эффект так называемой температурной стратификации газа. А использовать его можно в той же энергетике, к примеру, на газоперекачивающих станциях для безогневого подогрева природного газа перед его транспортировкой, и в холодильных установках для сжижения того же газа, и в устройствах для его низкотемпературной сепарации.
Так вот, мы знаем, кто этой темой интересуется, изучает ее, и стараемся привлечь их. Специалистов отпускают поработать на эту тематику, потому что они, кроме того что работают по профилю, приносят еще и деньги в свой институт, за счет выполнения контракта с тем же «Турбоконом», к примеру. А нам они интересны, поскольку работают по нашей тематике. А самое главное, что создается новое межведомственное научное сообщество, и это очень важно: атмосфера, коллектив, идут постоянные дискуссии, обсуждения. Чуть ли не каждую неделю там какие-то открытия, правда, в большинстве случаев за открытием следует быстрое закрытие, но такова технология ученой работы.
— Сейчас много говорят о руководстве НТП, руководстве наукой. На ваш взгляд, как надо было бы руководить сейчас наукой?
— Очень сложный вопрос. Меня больше всего беспокоит, что молодежь очень трудно стало привлечь в научную работу. Когда я учился в Авиационном институте, у меня был товарищ, Володя Игнатьев. Мы дружили, знаете, как в студенческие годы дружат. Он учился в Академии внешней торговли, а я в Авиационном институте. И вот как-то мы загорали на Химкинском водохранилище, и он мне говорит: слушай, вот две девушки лежат, давай подойдем и познакомимся. Я говорю: ну давай! Он говорит: только знаешь, ты не говори, что я учусь в Академии внешней торговли, скажи, что я учусь вместе с тобой в Авиационном институте. Представляете? Вот такое было отношение к науке, технике. Сейчас же все наоборот, еще, пожалуй, придется скрывать, что ты технарь. Еще до войны мы пацанами бегали в Химках, там в основном прошло мое отрочество, там четыре авиационных завода было. И мы только и говорили о том, что наши самолеты самые лучшие в мире и танки самые быстрые. В школе были прекрасные учителя, в основном молодые ребята, почти все они потом погибли на фронте, они нас заражали любовью к науке. Поэтому естественно, что молодежь потом шла в технические вузы. Чтобы в технический институт поступить, надо было лучше учиться в школе. А сейчас имидж инженера, имидж ученого утерян.
— Ваша школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» как раз многое делает, создавая условия для научной преемственности.
— Я вообще считаю, что раз уж давать мне премию, так следовало ее присудить как раз за руководство этой школой. Я такие цифры могу назвать — не сотни, а тысячи кандидатских диссертаций уже защищены выпускниками этой школы. Защищены сотни докторских диссертаций, несколько академиков вышли из числа участников школы. Владимир Елиферьевич Накоряков, известный теплофизик, к примеру, и, к слову, тоже лауреат премии «Глобальная энергия». Эта школа работает уже 33 года, прошло 17 семинаров, их работа не прерывалась ни разу. Школа стала международной. К нам с удовольствием приезжают ведущие ученые из нашей области, читают лекции.
— Насколько я знаю, идея школы-семинара возникла еще в советское время.
— Идея появилась еще в 1968 году у заведующего знаменитой кафедрой термодинамики и теплопередачи энергомашиностроительного факультета Бауманского училища Виталия Ивановича Крутова. Он предложил организовывать такой семинар для аспирантов теплофизических кафедр ведущих вузов Москвы. И мы такой семинар сделали, собирались по субботам. Ведущим было МВТУ, а участвовали аспиранты МИФИ, МАИ, МЭИ, МИХМа и кафедры теплотехники Лесотехнического института.
— А Лесотехническому-то институту зачем такая кафедра?
— Не скажите, у них там очень интересные проблемы. Скажем, сушка древесины — это же очень интересный вопрос. Те же элементы пористого охлаждения, кстати. Летом следующего года проведем уже восемнадцатую школу, она будет посвящена проблемам тепло— и массообмена в энергосберегающих технологиях.
— Конъюнктурная тема, Александр Иванович…
— Что вы, какая же здесь конъюнктурность: задача приближения к идеальному циклу Карно в тепловых машинах была и будет актуальна всегда.
Ирик Имамутдинов
Источник: www.expert.ru
