Каждый раз, знакомясь с новой лабораторией, наша редакция не устает удивляться ее предыстории. Все началось с серьезного проекта по созданию модели капельной системы охлаждения для космических установок мегаваттного класса, которые являются важной составляющей будущих дальних космических полетов. Именно из этого проекта и выросла лаборатория моделирования механических систем и процессов в 2015 году. Команда под руководством Натальи Завьяловой уверена, что способна решить любые физико-математические задачи, начиная от моделирования спутниковых систем и заканчивая разработками программного обеспечения для нефтяников.
Эта лаборатория необычна и интересна хотя бы потому, что руководит ей физтешка, выпускница факультета аэрофизики и космических исследований 2008 года, кандидат физ.-мат. наук Наталья Завьялова. Путь до завлаба не обошелся без интересной предыстории.
«Мои родители почему-то решили, что с физикой и математикой я сама разберусь, а вот с языками… Поэтому училась в языковой школе, хотя она показала, что я полностью неспособна к лингвистике. Физика с математикой у меня и правда получались, но для поступления на Физтех надо было сильно ботать, а я не очень старалась. В итоге набрала тогда 17 баллов из 24-х, и меня чудом взяли на ФАКИ. По-моему, с 17 баллами больше никого не приняли. Видимо, какое-то послабление сделали», — вспоминает Наталья. Что ж, деканат ФАКИ точно не ошибся в своем решении.
Как и все, Наталья на первом курсе думала: «выгонят». Честно признается, что никогда так много не занималась в жизни, как во время первых двух семестров. В результате обе сессии закрыты на «отлично», правда, по истории поставили четверку. Как ни странно, в аспирантуру ФАКИ Наталью не взяли, и ей пришлось поступать на факультет управления и прикладной математики здесь же, в МФТИ. После защиты будущая завлаб начала преподавательскую карьеру: «У нас всю математику вела очень хорошая преподавательница — Лидия Ивановна Коваленко. Она понятно объясняла, очень интенсивно спрашивала. На втором курсе вся наша группа сдала матан на “отлично”. Я подумала, что на самом деле матан — это круто, а народ не весь понимает, потому что нет преподавателей, которые бы до них донесли так же интересно, как доносили до нас. Это на самом деле не так сложно, как кажется поначалу. Я решила: пойду преподавать, обязательно на ФАКИ. Когда приходишь в первый раз на занятие, очень тяжело. Все первокуры ничего не понимают, ты не понимаешь, как им объяснить, приходишь домой, решаешь 25–30 задач, на семинаре разбираешь три или четыре. Эта не наглядная, эта слишком сложная, эта далеко от программы уходит. Я один год преподавала, поняла, что это слишком тяжело, и пошла преподавать вычислительную математику. На третьем курсе народ гораздо более уравновешенный, спокойный, с ними гораздо легче». Позже Наталья стала зам. зав. кафедрой по базовым специализациям вычислительной математики. Именно этот опыт и привлек директора Физтех-школы аэрокосмических технологий Сергея Негодяева, который предложил Наталье руководить молодой лабораторией.
Источник: rosmos.ru
Первая миссия
Происхождение у лаборатории с ФАКИ, конечно же, космическое! Изначально ребят собрали в команду для участия в реализации проекта, выполняемого под эгидой Центра Келдыша по созданию энергодвигательной установки мегаваттного класса. Эта программа началась в 2010 году с указа президента.
Космические полеты на дальние расстояния требуют мощных двигателей, питание которым обеспечивают мощные энергоустановки. Они сильно нагреваются, и им требуется эффективная система охлаждения. Традиционный способ решения этой задачи — выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует жидкость-теплоноситель, излучая лишнее тепло в космос. Но такие радиаторы, как правило, имеют большой вес и габариты, а кроме того, они никак не защищены от попадания метеоритов. «Система охлаждения для такой гигантской мощной установки занимает 90% массы, — объясняет Наталья Завьялова. — Даже в самой маленькой комплектации она не помещалась в ракету “Ангара”».
Российские ученые предложили новое решение: капельный холодильник-излучатель. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. Таким способом жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), конструкция становится существенно легче, плюс повышается ее живучесть — метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит системе охлаждения.
Однако здесь появляется следующая проблема: капли жидкости-теплоносителя под действием солнечного излучения, частиц ионосферы и других эффектов заряжаются и начинают разлетаться в разные стороны, не попадая в приемник. Именно из-за этой проблемы капельная система охлаждения на тот момент не считалась применимой в космической технике. Команда Натальи Завьяловой сумела найти решение: «По сути, мы сделали численное описание открытой части системы охлаждения. Важно было правильно оценить эффект разлета и придумать, как его скомпенсировать. Для этого мы создали специальный комплекс программ, который позволяет моделировать реальные условия полета в космосе».
Физтехи не ограничились математическим моделированием, в лаборатории была сконструирована специальная установка, позволяющая создать условия, приближенные к реальному космическому полету. «Мы сделали программу, собрали установку, получили совпадение эксперимента и теории. Готово!» — резюмирует Наталья. Все наработки были переданы в Исследовательский центр имени Келдыша для следующего шага — эксперимента в космосе.
В итоге этот проект одновременно подарил науке очень важный результат и новую успешную лабораторию, которая с 2015 года решает не только космические, но и практически любые физико-математические задачи.
«Качаем-качаем, а выкачать не можем!»
Сейчас много задач лаборатории связано с подземной гидромеханикой и нефтедобычей. «Обычно к нам приходят, если возникают проблемы в создании физико-математических моделей, численных методов или принципиально новых продуктов. Остра тема санкций, часть коммерческого ПО стала недоступной, и приходится разрабатывать самим что-то, чтобы не уступать нашим партнерам, — рассказывает программист лаборатории Ян Невмержицкий. — В последнее время было два больших проекта: по разработке программного обеспечения для моделирования теплового воздействия при извлечении высоковязких нефтей и проект, связанный с моделированием гидроразрыва пласта в низкопроницаемых коллекторах».
«Традиционные месторождения истощаются, вариантов, когда вы пробурили скважину, и вдруг из нее фонтан нефти забил, не наблюдается. Если лет пятьдесят назад было так, то теперь с этим проблема», — говорит научный сотрудник лаборатории Иван Завьялов. Большинство известных месторождений имеют так называемую «высоковязкую нефть», которая составляет около 60% от всех мировых запасов. Вязкость в десятки тысяч раз выше, чем у воды. Люди додумались до некоторых ухищрений: подогревать такую нефть снизу, чтобы она разжижилась, стала по свойствам ближе к воде и проще выкачивалась.
Лаборатория прикладная, поэтому к ней приходят в основном внешние заказчики в лице компаний, для которых ученые разрабатывают готовые производственные решения. Например, для «Зарубежнефти» необходимо было разработать программный продукт, который позволил бы оптимально планировать разработку месторождений с учетом прогрева и рассчитывать показатели добычи — сколько нефти добудут и сколько денег потратят. Проблема была в том, что стандартные симуляторы выдавали результат, далекий от того, что происходит «в поле». Поэтому в лаборатории МФТИ сделали свой полноценный гидродинамический промышленный симулятор выкачки нефти, куда пришлось добавить физики от высоковязких нефтей, нелинейные эффекты и фильтрацию бингамовской жидкости . Раньше так делали в единичных случаях или в научных статьях.
«Мы отдали программу заказчикам, она прошла успешное внедрение. Выглядит ПО цивилизованно: не черный экранчик что-то считает, а нормальный интерфейс с нормальными кнопками и системой подсказок. Как бы ни было смешно, интерфейс — одна из самых важных частей, потому что именно ее воспринимает инженер. Он в физике и математике профессионалом не является, у него другие компетенции. Если ему сложно продраться через интерфейс, то ПО не получит распространения. Мы также организовали курсы, чтобы обучить сотрудников ей пользоваться», — вспоминает Наталья.
Спасение времени
Еще один большой проект был связан с моделированием гидроразрыва пласта (ГРП) — основной технологией интенсификации добычи нефти, при которой в нефтесодержащем пласте создается система техногенных трещин. Но эта технология имеет существенный недостаток: трещина гидроразрыва может случайно задеть непродуктивные пласты, которые не нужно разрабатывать, например, воду или газ.
Чтобы этого избежать, индустрии потребовались точные методы моделирования образования трещин. Цель лаборатории ММСП заключалась в том, чтобы сделать метод не только точным, но и быстрым. Тогда инженер сможет с высокой скоростью просчитывать множество возможных вариантов установления трещины и выбирать наилучшие.
Прежде чем делать основную трещину, проводится пробное нагружение, или мини-ГРП. Главная проблема нефтяников в том, что они ничего не знают про пласт. Исследования стоят очень дорого, и их стараются не делать лишний раз. «Такие исследования, в общем-то, погоду на Марсе показывают в основном», — шутит Иван Завьялов. Когда бурят скважину и делают гидроразрыв, то идут в основном вслепую, не зная точных параметров, поэтому и нужно провести мини-ГРП. Посмотрят, похоже ли на то, чего ожидали, или непохоже. Если непохоже, все срочно переделывают. У инженера буквально несколько часов, чтобы принять решение сделать нормальное ГРП, так как для проведения гидроразрыва вызывается очень большая команда людей с техникой, каждый час которой стоит несколько миллионов рублей.
Лаборатория моделирования механических систем и процессов создала ПО для быстрого и точного моделирования ГРП. Особенностями являются расчет динамики роста трехмерных трещин в сложной неоднородной среде с учетом их взаимного влияния друг на друга и дальнейшая оценка их влияния на параметры окружающей среды.
Команда
В лаборатории есть два основных физика-экспериментатора, это Александр Быков и Иван Завьялов. Александр отвечает за установки «на заказ». Например, купленный томограф или новосибирскую установку для исследования пластовых условий. А Иван заведует оборудованием, которое лаборатория ММСП собирает самостоятельно.
Если нужно спроектировать и изготовить какую-то деталь для эксперимента, то подключаются инженеры из соседней лаборатории, также идет тесное сотрудничество с опытно-промышленной базой МФТИ. Каждая задача лаборатории представляет собой комплексный проект. «Обычно, начинается с “ничего не понятно”, — раскрывает секреты работы Наталья. — Тогда за дело берутся наши физики: Александр Быков, Алексей Бычков, Иван Завьялов и Олег Извеков. Когда формируется модель системы, важно понять, что с ней делать дальше, какие методы и алгоритмы использовать, или же изобретать что-то свое. На этом этапе у нас работают математики-вычислители, определяющие ход решения задач: Ян Невмержицкий, Илья Перепечкин, я тоже участвую. На этом этапе, бывает, мы консультируемся с нашими друзьями и партнерами извне, которые охотно помогают, к работам часто подключаются Андрей Конюхов и Александр Галыбин».
Ну а дальше за дело берутся программисты: Владимир Панов, Вадим Семака и Денис Заворотнюк. Тут следует отметить, что это не обычные прогеры: как и другие физтехи, они понимают и физическую постановку, и алгоритмическое наполнение, что значительно ускоряет их продвижение к решению.
В исследованиях активно участвуют студенты и аспиранты. Очень приятен тот факт, что они творчески подходят к выполнению задач: находят новые подходы и решения, причем даже в тех местах, где кажется, что все уже решено.
Сейчас в лаборатории работает 19 человек.
Каждый проект имеет что-то общее с предыдущими. И практически везде фигурирует механика сплошных сред. «МСС — это профильный предмет на ФАКИ, который мучил нас долго. Существует байка, что Гейзенберг пытался заниматься механикой сплошной среды, у него ничего не получилось, и он ударился в квантовую механику», — шутит Наталья. Поэтому в области МСС еще много научных задач, равно как и в области вычислений.
Challenge
«Есть один challenge, в котором очень хочется поучаствовать, — делится Наталья. — Мы ведем переговоры по проекту создания российской системы моделирования и проектирования многоспутниковых группировок с Фондом перспективных исследований. Это большая работа на три года.
Сейчас идет динамический переход от освоения космоса к его активному использованию. Например, американцы сделали систему спутниковой связи “Iridium”. Абонент платит 1 доллар в минуту и может звонить по телефону из любой точки мира: из Тихого океана, из Сахары, из Гималаев. Активно используется космическая съемка Земли для контроля состояния сельскохозяйственных земель, контроля состояния лесных массивов для предупреждения пожаров и мониторинга их продвижения.
В России на данный момент формируется гигантская федеральная программа “Сфера”, которая объединит в себе уже имеющиеся космические аппараты из действующей группировки: “Глонасс”, “Гонец“, “Луч”, “Ресурс” и другие — и дополнит их самыми разнообразными космическими аппаратами.
Для понимания, на каких орбитах должны быть аппараты, какой должна быть их компоновка, как должен быть организован информационный обмен между ними и с Землей, как управлять такой группировкой конечно же, нужен программный комплекс, который сможет оказать адекватную поддержку инженерам, работающим на этом проекте.
Участвовать в “Сфере” будут предприятия Роскосмоса, частные компании, университеты и, конечно же, наш Физтех».
