Группа космической газовой динамики

Лаборатория "Физической газовой динамики" образовалась в ИПМех РАН в 1987 году в составе "Отдела космической газовой динамики" после перехода отдела из Института космических исследований (ИКИ) РАН. Отделом руководил его создатель и первый директор ИКИ РАН академик Георгий Иванович Петров. Лаборатория занимает ведущее место в мире по созданию теоретических моделей физических явлений, встречающихся в космическом пространстве. Это ведущее место обусловлено пионерской работой Баранова, Краснобаева и Куликовского (Докл. АН СССР, 1970, 194, стр. 41), в которой была предложена модель взаимодействия солнечного ветра со сверхзвуковым потоком межзвездного газа. Сверхзвуковой характер обтекания солнечной системы уже в 1971 году был подтвержден экспериментами на американском космическом аппарате OGO-5.

В лаборатории была предложена и построена первая осесимметричная кинетико-континуальная модель обтекания солнечного ветра сверхзвуковым потоком частично ионизованной водородной плазмы межзвездной среды (Баранов и Малама, J.Geophys. Res., 98, стр. 15157, 1993), которая наиболее адекватно описывала рассматриваемое физическое явление. В этой модели взаимодействие солнечного ветра с заряженной компонентой межзвездной среды описывалось в рамках уравнений механики сплошной среды, а взаимодействие с атомами водорода описывалось на основе кинетической теории газов. На рисунке приведена общая физическая картина течения в предложенной модели. В результате взаимодействия локальной межзвездной среды (LISM) с солнечным ветром (SW) образуется интерфейс, состоящий из внешнего ударного слоя (областью между головной ударной волной BS и тангенциальным разрывом HP, называемым обычно гелиопаузой) и внутреннего ударного слоя (областью между гелиопаузой и ударной волной торможения солнечного ветра TS). Влияние введенной и рассчитанной в лаборатории области интерфейса на проникновение атомов водорода, кислорода, азота и др. из межзвездной среды в солнечную систему признано во всем мире благодаря экспериментам на космических аппаратах Voyager 1/2, Pioneer 10/11, Ulysses, Hubble Space Telescop, SOHO и др. Главным препятствием для такого проникновения является процесс перезарядки.

Очень важным предсказанием модели является так называемая "водородная стенка", т.е. немонотонное убывание концентрации межзвездных атомов Н с пиком вблизи гелиопаузы. Водородная стенка была экспериментально подтверждена по спектру поглощения в Лайман-альфа от далеких звезд на известном американском аппарате Hubble Space Telescope в 1996 году.

Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой постоянно усовершенствуется посредством включения новых физических эффектов: гелиоширотной зависимости скорости солнечного ветра, динамического влияния галактических и аномальных космических лучей, влияния солнечного и межзвездного магнитных полей, циклов солнечной активности, многокомпонентности плазменного течения и др.

Пересечение гелиосферной ударной волны аппаратами Вояджер-1 в декабре 2004 г. и Вояджер-2 в августе 2007 г. на расстояниях 94 а.е. и 84 а.е., соответственно, было задолго до этих событий предсказано результатами построенной в лаборатории модели с точностью до нескольких процентов.

К данной тематике примыкают экспериментальные работы в области физической кинетики и научного приборостроения. Эти работы связаны как с изучением атомных столкновений применительно к явлениям, встречающимся в условиях космического пространства, так и к созданию научных приборов для аэрокосмических аппаратов с целью изучения строения атмосфер планет, межпланетной среды, изучения Земли методом дистанционного зондирования с аэрокосмических аппаратов.

Группа вычислительной гидроаэродинамики

Исследования в данном направлении связаны с численным моделированием турбулентных течений и теплообмена в двухмерных каналах и трехмерных нестационарных пограничных слоях на телах сложной формы. Особое внимание уделяется процессам перехода от ламинарных режимов к турбулентным.

В лаборатории проводятся численные исследования нестационарных потоков многокомпонентных реагирующих газовых смесей с частицами твердой фазы, представляющими интерес в разработке химических (CVD) реакторов парофазного охлаждения. Разработан метод решения подобных задач, основанный на самосогласованном расчете процессов на микро и макро уровне.

Международные научные связи

Лаборатория принимает активное участие в международных программах и проектах. Особо следует отметить космический проект NASA IBEX (Interstellar Boundary Explorer). Сотрудничество с Астрономическим институтом Боннского университета по теме "Физические процессы в гелиосфере" продолжается с середины 80-х годов. Кроме того, сотрудники лаборатории поддерживают тесные контакты с Институтом аэрономии Французской академии наук, Университетом Южной Калифорнии, Международным институтом космических исследований (г. Берн), Шеффилдским университетом (Великобритания) и др.

Премии, награды, почетные звания

Баранов В.Б. - орден "Знак Почета" за заслуги в развитии советской науки и техники по космосу (1971 г.), премия АН СССР им. С.А. Чаплыгина за монографию "Гидродинамическая теория космической плазмы" (1982 г.), медаль им. Ю.А. Гагарина (Национальный комитет по теоретической и прикладной механике, 1981 г.), памятная медаль им. акад. Г.И. Петрова (2006 г.), медаль им. М.В. Келдыша (Российская академия космонавтики, 2007 г.).

Измоденов В.В. - медаль им. Я.Б. Зельдовича международной организации КОСПАР (2006), премия им. И.И. Шувалова (2006).

Основные публикации

1. Алексин В.А. Моделирование влияния параметров потока с высокой интенсивностью турбулентности на нестационарные пограничные слои с продольными градиентами давления, Изв. РАН. Мех. жидк. и газа, N 2, с. 122-136, 2008
2. Алексин В.А., Зубарев В.М. Моделирование влияния параметров турбулентности набегающего потока на пристенные переходные течения впограничном слое, Математическое моделирование, т. 20, с.87-106, 2008.
3. Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г., Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой, Докл. АН СССР, т. 194, с. 41, 1970.
4. Баранов В.Б., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы, Москва, Наука, 335 с., 1977.
5. Белов Н.А. Неустойчивость тангенциального разрыва в плоском течении с критической точкой, МЖГ, 2, с. 78-82, 1997.
6. Белов Н.А. Течение плазмы в окрестности критической точки гелиопаузы в присутствии нейтральных атомов водорода, Письма в Астрон. Журн., 2010, т. 36, 2, с. 154, 2010.
7. Измоденов В.В., Алексашов Д.Б. Модель хвостовой области гелиосферного интерфейса, Письма в Астрон. Журн., т. 29, с. 69-75, 2003.
8. Марков А.А. Численное моделирование трехмерных вязких потоков маршевым методом с глобальными итерациями давления, Изв. РАН, МЖГ, 5, с. 132-147, 1992.
9. Непобедимый С.П., Родионов И.Д., Воронцов Д.В., Орлов А.Г., КалашниковС.К, Калинин А.П., Овчинников М.Ю., Родионов А.И., ШиловИ.Б., Любимов В.Н., Осипов А.Ф. Гиперспектральное дистанционное зондирование Земли, Доклады Академии наук, т. 397, 1, с. 45-48, 2004.
10. Alexashov D.B., Chalov S.V., Myasnikov A.V., Izmodenov V.V., Kallenbach R. The dynamical role of anomalous cosmic rays in the outer heliosphere, Astron. Astrophys., v. 420, p. 729, 2004.
11. Alexashov D., Izmodenov V. Kinetic vs. multi-fluid models of H atoms in the heliospheric interface: a comparison, Astron. Astrophys., v. 439, p. 1171, 2005.
12. Baranov V.B., Lebedev M.G. Solar wind flow past a comet ionosphere, Astrophys. Space Sci., v. 147, p. 69, 1988.
13. Baranov V.B., Malama Yu.G., Model of the solar wind interaction with the local interstellar medium: numerical solution of the self-consistent problem, J. Geophys. Res. 98, 15157, 1993.
14. Chalov S.V., Alexashov D.B., McComas D., Izmodenov V.V., Malama Y.G., Schwadron N. Scatter-free pickup ions beyond the heliopause as a model for the Interstellar Boundary Explorer ribbon, Astrophys. J. Lett., v. 716, p. L99, 2010.
15. Izmodenov V.V., Gruntman M., Malama Yu.G. Interstellar hydrogen atom distribution function in the outer heliosphere, J. Geophys. Res., v. 106, p. 10681, 2001.
16. Izmodenov, V.V., Malama, Y.G., Ruderman, M.S. Modeling of the outer heliosphere with the realistic solar cycle, J. Adv. Space Res., v. 41, Issue 2, p. 318-324 , doi:10.1016/j.asr.2007.06.033, 2008.
17. Malama Y.G., Izmodenov V.V., Chalov S.V. Modeling of the heliospheric interface: multi-component nature of the heliospheric plasma, Astron. Astrophys., v. 445, p. 693, 2006.
18. Markov A.A. Micro and macro scale technique for strongly coupled two-phase flows simulation, Comput. Fluids, v. 38.7, p. 1435-1444, 2009.
19. Myasnikov A.V., Alexashov D.B., Izmodenov V.V., Chalov S.V. Self-consistent model of the solar wind interaction with three-component circumsolar interstellar cloud: Mutual influence of thermal plasma, galactic cosmic rays, and H atoms, J.Geophys.Res., v. 105, p. 5167, 2000.
20. Rylov Yu. A. Hydrodynamic equations for incompressible inviscid fluid in terms of generalized stream function, Int. J. Math. & Mat. Sci., v. 32, No. 11, pp. 541-570, 2004.

Состав лаборатории