Лаборатория физической газовой динамики. Подробная информация

• Основные достижения
• История лаборатории
• Международные научные связи
• Премии, награды, почётные звания
• Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории
  • Книги
  • Статьи

См. также Общие сведения о лаборатории

См. также Семинар Физическая газовая динамика (руководители: Д.Б. Алексашов, В.В. Измоденов)

• 
  Владимир Борисович
  Баранов,
  доктор физ.-мат. наук, профессор
  основатель и зав. лабораторией
  с 1987 по 2004 гг.
• 
  Сергей Владимирович
  Чалов,
  доктор физ.-мат. наук
  зав. лабораторией с 2004 по 2021 гг.
• 
  Сотрудники лаборатории

Основные достижения

В лаборатории была предложена и построена первая кинетико-континуальная модель обтекания солнечного ветра сверхзвуковым потоком частично ионизованной водородной плазмы межзвездной среды, которая наиболее адекватно описывает рассматриваемое физическое явление. В этой модели взаимодействие солнечного ветра с заряженной компонентой межзвездной среды описывается в рамках уравнений механики сплошной среды, а взаимодействие с атомами водорода описывается на основе кинетической теории газов. 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 (Baranov, Malama, 1993). 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.

• 
  Качественная картина обтекания
  солнечного ветра межзвездной средой.
  
  ЛМС – локальная межзвездная среда,
  TS – ударная волна торможения
  сверхзвукового солнечного ветра,
  BS – головная ударная волна торможения
  плазменной компоненты межзвездной среды,
  HP – гелиопауза или тангенциальный разрыв,
  разделяющий потоки газа
• 
  Результаты расчетов осесимметричной модели
  Баранова и Маламы (1993).
  
  Штриховые линии – без атомов водорода,
  MD – диск Маха,
  TD – тангенциальный разрыв
• 
  Рассчитанное теоретически распределение
  с подветренной стороны плотности атомов H,
  движущихся из межзвездной среды.
  Пик этого распределения,
  находящийся вблизи гелиопаузы,
  положение которой отмечено через HP,
  назван водородной стенкой
• 

К данной тематике тесно примыкают работы по взаимодействию солнечного ветра с атмосферами комет.

В лаборатории была построена уникальная численная 3D нестационарная модель магнитогидродинамического течения частично ионизованной плазмы в окрестности кометы Чурюмова–Герасименко (Baranov, Alexashov, Lebedev, 2015; Baranov, Alexashov, Lebedev, 2019). Зависимость течения от времени обуславливалась изменением расстояния кометы от Солнца при сложной траектории вокруг нее аппарата Розетта. Результаты расчетов по этой модели дали хорошее совпадение с данными эксперимента.

• 
  Траектория аппарата Rosetta
  вокруг кометы Чурюмова–Герасименко
• 
  Распределение магнитного поля
  вдоль траектории кометы Чурюмова–Герасименко.
  Теория (Baranov, Alexashov, Lebedev, MNRAS, 2019)
  и эксперимент на аппарате Розетта

Сотрудники лаборатории принимают участие в экспериментальных исследованиях 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 из космоса (Рубцов, Алымов, Калинин и т.д., 2019).

Проводятся исследования в области классической гидроаэродинамики. Эти исследования 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 (Алексин, 2008; Алексин, Зубарев, 2008).

В лаборатории проводится работа по созданию и исследованию нестационарных, двухтемпературных моделей неравновесных, многокомпонентных, реагирующих смесей газа с частицами твердой фазы, представляющими интерес для синтеза новых мелкодисперсных материалов методом горения (Markov, 2019).

История лаборатории

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 АН СССР академик Георгий Иванович Петров. Отдел состоял из двух лабораторий: экспериментальной лаборатории «Физической кинетики», зав. лабораторией которой был В.Б. Леонас, и теоретической лаборатории «Физической газовой динамики» с зав лабораторией В.Б. Барановым. После кончины Владаса Бронислово Леонаса экспериментальная лаборатория распалась. С 2004 года по достижению В.Б. Барановым предельного для зав. лаборатории возраста лабораторию «Физической газовой динамики» возглавил С.В. Чалов.

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.

• 
  Академик Г.И. Петров
  (1912–1987)
• 
  Отдел «Космической газовой динамики» ИКИ АН СССР
  в день 70-летия Георгия Ивановича Петрова
• 
  Лаборатория «Физической газовой динамики»
  ИПМ АН СССР, 1990 г.

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 (Astrophysical Institute of Bonn University) 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 (Institute of Aeronomy French Academy of Sciences), Университетом Южной Калифорнии (University of Southern California), Международным институтом космических исследований г. Берн (International Space Science Institute), Шеффилдским университетом, Великобритания (Sheffild University) и др.

Премии, награды, почётные звания

• Баранов В.Б.: орден «Знак Почета» за заслуги в развитии советской науки и техники по космосу (1971 г.),
• Баранов В.Б.: премия АН СССР им. С.А. Чаплыгина за монографию «Гидродинамическая теория космической плазмы» (1982 г.),
• Баранов В.Б.: медаль им. Ю.А. Гагарина (Национальный комитет по теоретической и прикладной механике, 1981 г.),
• Баранов В.Б.: памятная медаль им. акад. Г.И. Петрова (2006 г.),
• Измоденов В.В.: медаль им. Я.Б. Зельдовича международной организации КОСПАР (2006),
• Измоденов В.В.: премия им. И.И. Шувалова (МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006),
• Баранов В.Б.: медаль им. М.В. Келдыша (Российская академия космонавтики, 2007 г.),
• Баранов В.Б. и Измоденов В.В.: премия им. акад. Г.И. Петрова (2020 г.) за работу «Исследование неравновесных и нестационарных процессов в области взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой – численное моделирование и анализ данных космических аппаратов».

Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории

Книги

1. Баранов В.Б., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука, 1977. 336 с.
2. Баранов В.Б. Гидроаэромеханика и введение в магнитную гидродинамику. Изд-во Московского университета, 2018. 256 с.
3. Рубцов Н.М., Алымов М.И., Калинин А.П., Виноградов А.Н., Родионов А.И., Трошин К.Я. Дистанционное исследование процессов горения и взрыва на основе оптоэлектронных методов. Саратов: Издательство «КУБиК», 2019. 288 с.
4. Izmodenov V.V., Kallenbach R. (Eds.) The Physics of the Heliospheric Boundaries. ESA Publications Division, 2006, 413 p.

Статьи

1. Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой // Докл. АН СССР. 1970. Т. 194, С. 41-44.
   = Baranov V.B., Krasnobaev K.V., Kulikovskii A.G. A model of the interaction of the solar wind with the interstellar medium // Soviet Phys. Dokl. 1971. V. 15. P. 791-793.
2. Baranov V.B., Malama Yu.G. Model of the solar wind interaction with the local interstellar medium: numerical solution of self-consistent problem // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 15157-16163. DOI: 10.1029/93JA01171
3. Alexashov D., Izmodenov V. Kinetic vs. multi-fluid models of H atoms in the heliospheric interface: a comparison // Astron. Astrophys. 2005. V. 439. P. 1171-1181. DOI: 10.1051/0004-6361:20052821
4. Baranov V.B. Kinetic-Fluid Perspective on Modeling the Heliospheric/Interstellar Medium Interface, Space Science Reviews. 2009. V. 143. Issue 1-4. P. 449-464. DOI:10.1007/s11214-008-9392-6
5. Баранов В.Б. О влиянии токов Холла на проникновение магнитного поля через тангенциальные разрывы в незамагниченную плазму в физических условиях космического пространства // Письма в Астрон. Журн. 2013. Т. 39. № 11. С. 878-883. [elibrary]
   = Baranov V.B. On the influence of Hall currents on the magnetic field penetration through tangential discontinuities into unmagnetized plasma under physical conditions of cosmic space // Astron. Lett. 2013. V. 39. No. 11. P. 792-796. DOI: 10.1134/S1063773713100010
6. Baranov V.B., Alexashov D.B., Lebedev M.G. Magnetic fields near spacecraft-explored comets: 3D MHD numerical simulation // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2015. V. 449. P. 2268-2273. DOI: 10.1093/mnras/stv448
7. Баранов В.Б., Алексашов Д.Б. Влияние магнитного поля на распределение плотности протонов солнечного ветра и кометных ионов в ударном слое перед ионосферами комет // Письма в Астрон. Журн. 2017. Т. 43. № 2. С. 149-156. [elibrary]
   = Baranov V.B., Alexashov D.B. Influence of the magnetic field on the density distribution of solar wind protons and cometary ions in the shock layer ahead of cometary ionospheres // Astron. Lett. 2017. V. 43. No. 2. P. 126-133. DOI: 10.1134/S1063773717020013
8. Baranov V.B., Alexashov D.B., Lebedev M.G. MHD simulation of the solar wind flow around the coma of comet Churyumov-Gerasimenko during Rosetta's flyby // MNRAS. 2019, V. 482. Issue 4. P. 5642-5650, 2019 DOI: 10.1093/mnras/sty3080
9. Белов Н.А. Неустойчивость тангенциального разрыва в плоском течении с критической точкой // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1997. № 2. С. 78-82. [elibrary]
10. Белов Н.А. Течение плазмы в окрестности критической точки гелиопаузы в присутствии нейтральных атомов водорода // Письма в Астрон. Журн. 2010. Т. 36. С. 154. [elibrary]
    = Belov N.A. Plasma flow in vicinity of the heliopause stagnation point in the presence of hydrogen neutral atoms // Astron. Lett. 2010. V. 36. P. 144-149. DOI: 10.1134/S1063773710020064
11. 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. 2010. V. 716. P. L99. DOI: 10.1088/2041-8205/716/2/L99
12. Chalov S.V. Temperature of electrons downstream of the solar wind termination shock. MNRAS. 2019. V. 485. Issue 4. P. 5207-5209. DOI: 10.1093/mnras/stz686
13. Chalov S.V. Kelvin–Helmholtz instability of velocity tangential discontinuity in partly ionized plasma with charge exchange. MNRAS. 2019. V. 482. Issue 2. P. 1664-1669. DOI: 10.1093/mnras/sty2750
14. Chalov S.V., Malama Yu.G., Alexashov D.B., Izmodenov V.V. Acceleration of interstellar pickup protons at the heliospheric termination shock: Voyager 1/2 energetic proton fluxes in the inner heliosheath. MNRAS. 2016. V. 455. Issue 1. P. 431-437. DOI: 10.1093/mnras/stv2323
15. Измоденов В.В., Алексашов Д.Б. Модель хвостовой области гелиосферного интерфейса // Письма в Астрон. Журн. 2003. Т. 29. С. 69-75. [elibrary]
    = Izmodenov V.V., Alexashov D.B. A model for the tail region of the heliospheric interface // Astron. Letters. 2003. V. 29. P. 58-63. DOI: 10.1134/1.1537379
16. Izmodenov V.V., Alexashov D.B. Magnitude and direction of the local interstellar magnetic field inferred from Voyager 1 and 2 interstellar data and global heliospheric model. Astron. and Astrophys. 2020. V. 633. Id. L12. DOI: 10.1051/0004-6361/201937058
17. Malama Y.G., Izmodenov V.V., Chalov S.V. Modeling of the heliospheric interface: multi-component nature of the heliospheric plasma // Astron. Astrophys. 2006. V. 445. P. 693-701. DOI: 10.1051/0004-6361:20053646

1. Алексин В.А. Моделирование влияния параметров потока с высокой интенсивностью турбулентности на нестационарные пограничные слои с продольными градиентами давления // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2008. № 2. С. 122-136. [журнал, elibrary]
   = Aleksin V.A. Simulation of the effect of high-intensity turbulence flow parameters on unsteady boundary layer with streamwise pressure gradients // Fluid dynamics. 2008. V. 43. No. 2. P. 274-286. DOI: 10.1134/S0015462808020129
2. Алексин В.А., Зубарев В.М. Моделирование влияния параметров турбулентности набегающего потока на пристенные переходные течения в пограничном слое // Математическое моделирование. 2008. Т. 20. № 8. С. 87-106. [math-net]
3. Markov A.A., Filimonov I.A., Martirosyan K.S. Two-Temperature Model and Simulation of Induced Electric Field During Combustion Synthesis of Zinc Sulfide in Argon // International Journal of Thermophysics volume. 2019. V. 40. No. 1. Id. 6. DOI: 10.1007/s10765-018-2469-x

Информация на май 2021 г.