Engineering Research Group




"Наука и Жизнь" 1983 №10 стр.21

СНАЧАЛА ПОДОЗРЕВАЛИ ОШИБКУ...


...В Государственном реестре Госкомитета СССР по делам изобретений и открытий под номером 55 значится открытие нового физического эффекта - Т-слоя. О том, как было сделано открытие, рассказывает один из его авторов, доктор физико-математических наук Ю. П. ПОПОВ, в ту пору аспирант Московского физико-технического института. Рассказ об открытии, идею которого «подсказала» ЭВМ в ходе вычислительного эксперимента, вероятно, будет интересен тем, кто мечтает об открытии, экспериментируя над числами с помощью карманной ЭВМ — микрокалькулятора.


Это было в конце 60-х годов, когда оживленно обсуждалась идея МГД-генератора. (Буквы МГД в его названии расшифровываются как «магнитогидродинамический»: это прилагательное употребляют, когда говорят о течениях плазмы в магнитном поле.) Известно, что если проводник движется в магнитном поле, пересекая магнитные силовые линии, то в нем возникает электродвижущая сила. При этом проводник не обязательно должен быть твердым, металлическим. Это может быть проводящий газ — плазма. Пусть в канале, по которому она течет, магнитные силовые линий направлены сверху вниз. Если боковые стенки канала снабдить электродами, с них можно снимать ток, возникающий в плазме. Даже из этого предельно грубого описания понятны выгоды такого генератора. В его конструкции нет движущихся деталей (как в турбогенераторе), за трение между которыми приходилось бы расплачиваться уменьшением кпд. Такой генератор тем эффективнее, чем выше проводимость газа. А она растет с температурой. Но температуру нельзя наращивать беспредельно: тогда ее не выдержит никакой канал. С другой стороны, если она упадет ниже некоторого порогового значения, плазма перестанет взаимодействовать с магнитным полем.

Как быть в столь противоречивой ситуации ? Наш научный коллектив тоже участвовал в исследованиях, связанных с разработкой МГД-генератора. Нашим оружием был вычислительный эксперимент **. Один из процессов, которые рассчитывались на ЭВМ, мыслился так. В пространство между двумя проводящими дисками по осевому каналу впрыскивается порция плотной горячей плазмы, затем она растекается между дисками в радиальных направлениях.

** См. «Наука и жизнь». ,N2. 1979 г., статью А. Самарского «Что такое вычислительный эксперимент ?".

pix 1 pix 2


Схематизируя явление, можно представить, что в некоторый момент сгусток плазмы приобрел конфигурацию цилиндра (на рисунке очерчен пунктиром), а тот далее расширяется в пустоту. По мере расширения плазма будет остывать, и картина распределения температуры в ее объеме, вероятно, станет изменяться так, как показано на графике. Начали счет. Его результаты поначалу вполне согласовывались с ожиданиями. И вдруг на температурном графике, на самом его хвосте появился небольшой всплеск. Он рос и рос. Первая мысль была такая: может быть, это дефект вычислительного алгоритма, разностной схемы, по которой ведется счет ? Стали совершенствовать ее, чтобы устранить ошибку. Всплеск упрямо появлялся все снова и снова. И чем аккуратнее мы вели расчеты, тем отчетливее вырисовывалась все та же странная картина. И в конце концов стало ясно, что перед нами не случайная погрешность вычислений, а математическая модель реального физического явления.

pix 3 pix 4


Это был интереснейший момент исследования: круто изменился наш взгляд на происходящее, резко поменялась психология наших действий. Теперь мы старались доказать, что обнаруженный нами феномен должен возникать непременно, выясняли условия его появления. Проводимость плазмы по мере роста температуры вначале растет по экспоненциальному закону, затем график этой зависимости описывается степенной функцией с показателем 3/2. Диапазон наиболее крутого роста проводимости приходится на довольно низкие температуры (порядка пороговой), но именно в этом диапазоне разогрев плазмы протекает лавинообразно: небольшой прирост температуры вызывает резкий скачок проводимости, текущий по плазме ток усиливается, обусловленное им джоулево тепло разогревает плазму сильнее, ее проводимость вновь прирастает... Высокая температура, таким образом, подхлестывает сама себя, развивается, как говорят радиотехники, в режиме с положительной обратной связью. Вникая в природу необычного феномена, мы вводили в расчеты все более тонкие детали, уточняющие физическую картину явления,— учли излучение, поточнее задали график роста проводимости с температурой. Результаты счета говорили, что в некоторых вариантах процесса эти тонкости могут подавить развитие эффекта, а в некоторых — лишь стабилизируют его рост. Правда, говорить о новом эффекте, располагая расчетами лишь одного довольно специфического процесса, было рановато. Хотелось понять, наскольно распространено необычное явление, обнаружить его в других магнитогидродинамических процессах. Примеры такого рода нашлись.

И тогда была подана заявка на открытие. В плазме, взаимодействующей с магнитным полем, говорилось в заявке, при определенных условиях могут возникать устойчивые зоны относительно высокой температуры. Температурные, токовые слои или кратко Т-слои - так были названы эти зоны. Заявка вызвала бурные дебаты среди экспертов. Еще бы: эффект еще никем не наблюдался в физическом эксперименте, он обнаружил себя лишь в расчетах, в эксперименте вычислительном.

Видимо, кое-кого это даже задевало: мол, математики должны лишь уточнять расчетами то, что выявлено в реальной действительности. «Такого не может быть!» — говорили, прочитав заявку, наши оппоненты - физики. Но расчеты говорили сами за себя — и физики меняли тон возражений: «Это давно известно!» — и пытались все свести к эффектам давно исследованным (перегревной неустойчивости, скин-эффекту.. )
. Пришлось доказывать, что ими обнаруженный феномен не исчерпывается.

В марте 1967 года Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий признал эффект Т-слоя открытием. Некоторое время спустя его независимо друг от друга зарегистрировали три различных научных коллектива в Москве, Новосибирске и Сухуми. А сейчас уже намечается практическое использование Т-слоя. Представьте: в канал МГД-генератора подается газ, обладающий достаточно низкой температурой, чтобы не разрушить канал, и неспособный эффективно взаимодействовать с магнитным полем, но имеющий достаточный запас тепловой энергии, чтобы совершить полезную работу. В нем создаются высокотемпературные Т-слои. Они-то и взаимодействуют с магнитным полем, в них-то и рождается электрический ток. Быстро проходя по каналу, они не успевают его разогреть. Так мыслится решение каверзной проблемы, от которой начинался путь к открытию.





Copyright MyCorp © 2017 | Make a free website with uCoz