Регистрация / Вход
Прислать материал

Кинетико-магнитогидродинамическое моделирование гелиосферы и астросфер: физические процессы, структура течения и устойчивость

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2010, 13 мес.
Бюджетные средства
2,2 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
20.07.2009 - 30.09.2009
В соответствии с техническим заданием на данном этапе был сделан обзор и проведен критический анализ результатов исследований в моделирования границы гелиосферы, которые были получены в мире до начала выполнения проекта.
Было получено аналитическое решение, описывающее основное двумерное течение в окрестности критической точки на контактной поверхности, отделяющей солнечный ветер от локальной межзвездной среды.
Была построена математическая численная модель взаимодействия холодного нейтрального газа с окружающей его горячей плазмой в рамках двух-континуального подхода. Исследование влияния процессов перезарядки и электронной теплопроводности.
Было проведено шесть научных семинаров в ИПМех РАН по моделям космической газовой динамики под руководством приглашенного исследователя М.С. Рудермана: 1) В. В. Измоденов, О.А. Катушкина, Е. И. Могилевский, Обзор современных кинетико-газодинамических моделей взаимодействия солнечного (звездного) ветра с локальной межзвездной средой; 2) Белов Н. А., М. С. Рудерман, Отсутствие скачка плотности и скорости плазменной компоненты на гелиопаузе: аналитическое решение; 3) Алексашов Д.Б., Влияние магнитного поля на структуру взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой; 4) Катушкина О.А., О функции распределения межзвездных атомов внутри гелиосферы – роль области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой; 5) Тагирова Р.Р., Исследоание неустойчивости в распространении ионизациоанных фронов; 6) Проворникова Е.А., «Математическая численная модель взаимодействия холодного нейтрального газа с окружающей его горячей плазмой в рамках двух-континуального подхода».
В результате проведенного НИР впервые в мире было получено аналитическое решение для распределения плазменной компоненты в окрестности критической точки в носовой части гелиопаузы с учетом взаимодействия плазменной компоненты с межзвездными атомами водорода посредством перезарядки. Полученное решение показало, что ряд работ по исследованию устойчивости гелиопаузы, опубликованных ранее другими авторами, являются неверными. По результатам исследоваиня подготовлена и принята к публикации в ведущий международный журнал статья.
  Впервые двух-континуальный подход был применен для описания взаимодействия холодного нейтрального газа с окружающей его горячей плазмой. Создана и протестирована одномерная газодинамическая модель. Результаты модели позволяют объяснить существование холодных нейтральных облаков в межзвездной среде.
Использован кинетико-континуальный подход, обеспечивающий правильное описание процессов на границе гелиосферы. Данный подход обеспечивает конкурентное преимущество моделей по сравнению с конкурентными.
С помощью созданных в процессе выполнения НИР теоретических моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой могут быть объяснены экспериментальные данные, получаемые на различных космических аппаратах.
По результатам НИР возможно определение научных целей, разработка технических характеристик, возможных сценариев миссий, а также характеристик необходимого (и достаточного) оборудования для нового космического аппарата, который был бы способен достичь границ гелиосферы за 15-20 лет после запуска.
Все представленные в отчете методики войдут в материалы разделов курса лекций для студентов МГУ «Основы космической газовой динамики» (3-5й курс), разрабатываемый в ходе выполнения настоящего Госконтракта.
Внедрение результатов НИР в образовательный процесс должно способствовать улучшению подготовки и закреплению в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров.
Все предусмотренные на данном этапе индикаторы достигнуты.

Все заявленные в ТЗ требования по первому этапу настоящего Госконтракта выполнены полностью.
Основными достижениями первого этапа НИР стали:
1.1. Составление обзора и проведение критического анализа результатов исследований в области моделирования границы гелиосферы, которые были полученны в мире до начала выполнения проекта.
1.2. Проведение серии научных семинаров в ИПМех РАН по моделям космической газовой динамики под руководством приглашенного исследователя М.С. Рудермана.
1.3. Получение аналитического решения, описывающего основное двумерное течение в окрестности критической точки на контактной поверхности, отделяющей солнечный ветер от локальной межзвездной среды.
1.4. Построение математической численной модели взаимодействия холодного нейтрального облака с окружающей его горячей плазмой в рамках двух-континуального подхода. Исследование влияния процессов перезарядки и электронной теплопроводности.
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.11.2009
В соответствии с техническим заданием на данном этапе проекта разработана кинетико-газодинамическая модель взаимодействия звездного ветра с двухкомпонентной межзвездной средой с учетом неравновесного характера, как солнечного ветра, так и межзвездной среды. Разработана программа, проведено тестирование и расчеты в рамках модели взаимодействия звездного ветра с двухкомпонентной межзвездной средой с учетом неравновесного характера, как солнечного ветра, так и межзвездной среды.

Проведен анализ параметров солнечного ветра, полученных на космических аппаратах Voyager 1 и 2 с использованием моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой.
Вычислены спектры заряженных и нейтральных энергичных частиц гелиосферного происхождения в рамках моделей с учетом влияния межзвездного магнитного поля и в рамках модели с учетом неравновесного характера солнечного ветра.

В результате проведенного НИР впервые в мире была разработана кинетико-газодинамическая модель взаимодействия звездного (солнечного) ветра с двухкомпонентной межзвездной средой с учетом неравновесного характера заряженной компоненты. В этой модели захваченные ионы описывались кинетическим уравнением типа Фоккера-Планка. Разработанная модель является уникальной и в настоящее время не имеет аналогов в мире, так как конкурентные модели вместо корректно-вычисленной функции распределения используют ничем не обоснованное приближение в виде каппа-функции.

Впервые на основе моделей с учетом сильного (B~ 4.4 микроГаус) межзвездного поля был проведена анализ параметров солнечного ветра, полученных на космических аппаратах Voyager 1 и 2. Получено хорошее согласие теории и эксперимента.

Впервые в рамках моделей с учетом влияния межзвездного магнитного поля и модели с учетом неравновесного характера солнечного ветра были вычислены спектры заряженных и нейтральных энергичных частиц гелиосферного происхождения.

Использован кинетико-континуальный подход, обеспечивающий правильное описание процессов на границе гелиосферы. Впервые в рамках глобальной модели взаимодействия звездного ветра с межзвездной средой использовался кинетический подход для описания распределения захваченных протонов. Данный подход обеспечивает конкурентное преимущество моделей по сравнению с конкурентными моделями. Получено хорошее согласие расчетов с данными, полученными на космических аппаратах.


С помощью созданных в процессе выполнения НИР теоретических моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой могут быть объяснены экспериментальные данные, получаемые на различных космических аппаратах.

По результатам НИР возможно определение научных целей, разработка технических характеристик, возможных сценариев миссий, а также характеристик необходимого (и достаточного) оборудования для нового космического аппарата, который был бы способен достичь границ гелиосферы за 15-20 лет после запуска.
  
Все представленные в отчете методики войдут в материалы разделов курса лекций для студентов МГУ «Основы космической газовой динамики» (3-5 курс), разрабатываемый в ходе выполнения настоящего Госконтракта.

Все предусмотренные на данном этапе индикаторы достигнуты. Все заявленные в ТЗ требования по второму этапу настоящего Госконтракта выполнены полностью.

Основными достижениями второго этапа НИР стали:
- Разработка модели взаимодействия звездного ветра с двухкомпонентной межзвездной средой с учетом неравновесного характера, как солнечного ветра, так и межзвездной среды.
- Разработка программы, проведение тестирования и расчетов в рамках модели взаимодействия звездного ветра с двухкомпонентной межзвездной средой с учетом неравновесного характера, как солнечного ветра, так и межзвездной среды.
- Анализ параметров солнечного ветра, полученных на космических аппаратах Voyager 1 и 2 с использованием моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой.
- Вычисление спектров заряженных и нейтральных энергичных частиц гелиосферного происхождения в рамках моделей с учетом влияния межзвездного магнитного поля и в рамках модели с учетом неравновесного характера солнечного ветра.
Развернуть
3
01.01.2010 - 15.03.2010
В соответствии с техническим заданием на данном этапе проекта исследованы нестационарные явления внутри области взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой. В рамках нестационарной самосогласованной кинетико-газодинамической модели взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой были проведены различные расчеты, направленные на выявление влияния нестационарных эффектов на распределения плазмы и атомов водорода в области гелиосферного ударного слоя. Исследовано распространение газодинамических возмущений в области взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой. Проведено моделирование нестационарного течения во внешней гелиосфере и гелиосферном ударном слое для реального солнечного ветра. Проведено усовершенствование модели взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой путем введения зависимоcти параметров солнечного ветра на орбите Земли от гелиошироты. Данная модель также учитывает межзвездное магнитное поле.
Развернуть
4
16.03.2010 - 31.08.2010
В соответствии с техническим заданием на данном этапе проекта исследована устойчивость контактной поверхности и проведены расчеты в рамках осесимметричной и трехмерной моделей взаимодействия звездного ветра с локальной межзвездной средой. Выполнено аналитическое локальное исследование устойчивости двумерного стационарного течения в окрестности критической точки на гелиопаузе в постановке линейной задачи устойчивости. Результаты аналитического локального исследования устойчивости гелиопаузы использовались при численном исследовании глобальной устойчивости гелиопаузы, проведенном в рамках осесимметричной и трехмерной моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой. В ИПМех РАН проведена серия научных семинаров по моделям космической газовой динамики под руководством приглашенного исследователя М.С. Рудермана. На семинарах студентами, аспирантами и молодыми учеными были представлены доклады с результатами исследования различных задач космической газовой динамики, выполненных в рамках проекта: 1) Влияние солнечного цикла на свойства солнечного ветра на границе гелиосферы, докладчик – Проворникова Е.А.; 2) Устойчивость сдвиговых МГД течений: применение к физике космической плазмы, докладчик – Рудерман М.С.; 3) Течение плазмы солнечного ветра во внутреннем гелиошисе в условиях солнечного минимума: результаты трехмерной модели, докладчик – Алексашов Д.Б.; 4) Гелиосферные ЭНА из внутреннего и внешнего гелиошиса: обсуждение результатов кинетико-газодинамических моделей, докладчик – Измоденов В.В.

Также на данном этапе были разработаны научно-методические материалы для учебного пособия по «Космической газовой динамике» и программа соответствующего курса лекция для студентов 4-5 курсов университетов. Материалы включают обзор и описание всех современных моделей взаимодействия звездного (в частности солнечного ветра) с локальной межзвездной средой и сравнение результатов этих моделей с экспериментальными данными с космических аппаратов Voyager 1 и 2, SOHO, IBEX и др.
Требования технического задания выполнены полностью.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Продолжительность работ
2012 - 2013, 12 мес.
Бюджетные средства
2,05 млн
Организация
ЮМИ ВНЦ РАН и РСО-А
профинансировано
Тема
Разработка научных основ моделирования многофазных течений и управления газодинамическими и теплофизическими процессами в паровых турбинах.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование особенностей получения микроканальных структур на основе пористого оксида алюминия и выявление технологических факторов, определяющих кинетику процесса оксидирования, свойства и строение микроканальных структур.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка суперкомпьютерных технологий бессеточного моделирования течений вязкой жидкости для решения сопряженных задач взаимодействия систем упруго связанных тел с потоками сплошной среды.
Продолжительность работ
2014 - 2016, 25 мес.
Бюджетные средства
29,4 млн
Количество заявок
1
Тема
Физическое моделирование возобновляемых магнитоизолированных передающих линий для термоядерного реактора на Z-пинчах.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Поисковые исследования в области разработки программного обеспечения современных высокопроизводительных систем для гидродинамического моделирования течения сплошной среды на основе мезоскопического подхода, позволяющего получать достоверные результаты вблизи границ применимости гидродинамического описания.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 18 мес.
Бюджетные средства
13 млн
Количество заявок
2