- Статьи
- Наука и техника
- Непочатые края: космические аппараты оснастят тепловой «броней» для разных планет
Непочатые края: космические аппараты оснастят тепловой «броней» для разных планет
Программные алгоритмы, разработанные российскими учеными, позволят оперативно рассчитывать тепловую защиту космических аппаратов при подготовке межпланетных полетов и посадке на другие планеты. Они учитывают особенности каждой миссии, в том числе плотность атмосферы небесного тела, скорость и угол входа аппарата в нее. В перспективе разработка может помочь создавать космические аппараты, способные за один полет посещать разные планеты. Однако, как отмечают эксперты, для этого необходимы не только программные решения, но и подходящие материалы и конструкции.
Как космические аппараты выдерживают тепловые перегрузки
Учет тепловых нагрузок — одна из самых сложных задач в проектировании космической техники, которая требует привлечения методов из аэродинамики, аэротермодинамики, распределения тепла и других сфер.
— Условия посадки на разные небесные тела зависят от гравитации, наличия атмосферы, ее состава, а также скорости аппарата, угла входа в атмосферу и многих других факторов, — объяснил один из разработчиков, руководитель проекта малых космических аппаратов Центра космических технологий МАИ Александр Бон.
Например, из-за разреженной атмосферы Марса посадочный модуль тормозит менее эффективно, чем на Земле, но при входе в атмосферу всё равно испытывает интенсивный аэродинамический нагрев. Поэтому необходимы материалы, способные сохранять целостность при высоких температурах. Они отличаются от абляционных покрытий, которые защищают аппарат за счет постепенного разрушения и уноса вещества с поверхности.
На Венере материалы посадочного модуля должны выдерживать воздействие капель серной кислоты, содержащихся в облачном слое. Это требует учитывать их химическую стойкость еще на этапе проектирования. На Титане — спутнике Сатурна — атмосфера состоит преимущественно из азота, но также содержит метан и сложные органические соединения. При проектировании посадочного модуля необходимо учитывать не только его взаимодействие с газовой оболочкой, но и воздействие ионизирующего излучения, пояснил специалист.
Как в одном полете посетить несколько планет
Возможность оперативно оценивать параметры тепловой защиты особенно важна на ранних этапах проектирования, когда инженеры ищут оптимальную конструкцию космического аппарата, отметил Александр Бон. Для ускорения расчетов в программный комплекс встроены методы оптимизации.
— Например, если инженер при проектировании изменит материалы или траекторию полета аппарата, программа использует уже накопленную информацию для получения быстрого приблизительного результата, а затем уточнит его с помощью полной физической модели. Такой подход позволяет избежать повторных вычислений и экономит суперкомпьютерные ресурсы, — сообщил разработчик.
Работоспособность алгоритмов проверили экспериментально. В лаборатории изготовили образцы многослойных панелей, имитирующих теплозащиту крыла космического корабля. Их помещали в вакуумную камеру, где воспроизводили условия, с которыми сталкиваются возвращаемые аппараты при входе в плотные слои земной атмосферы.
Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышало 1,5%, что подтвердило точность метода.
В дальнейшем команда планирует расширить функционал программного комплекса. В частности, инженеры смогут рассчитывать схемы теплозащиты с активными элементами — например, с системами принудительного отвода тепла или материалами с изменяемыми свойствами, рассказал Александр Бон.
В более отдаленной перспективе разработку могут интегрировать в бортовые компьютеры межпланетных кораблей. Это позволит автоматически выбирать и подготавливать подходящий тип теплозащитного покрытия перед посадкой на то или иное небесное тело.
Технологии для космических кораблей будущего
— На программном уровне это полезная разработка, но для посадок на несколько небесных тел в рамках одного полета важны не только вычисления. Материалы и конструкция корабля тоже должны соответствовать этой задаче и допускать изменение параметров. Это сложные вопросы, которые еще предстоит решить. На нынешнем техническом уровне применяются многослойные системы защиты, отдельные слои которых можно сбрасывать после каждой посадки, — пояснил «Известиям» астрофизик и популяризатор космонавтики Владимир Афанасьев.
По его словам, разработка также может пригодиться, когда требуется скорректировать параметры теплозащиты в небольшом диапазоне. Например, если посадочному модулю придется входить в плотные слои атмосферы под более острым углом, чем планировалось.
— На концептуальном уровне я бы разделил корабль и посадочные аппараты. Первый может доставить к разным целям несколько модулей. Для каждого из них щит и способ торможения будут рассчитаны под свою скорость и параметры входа в атмосферу. Быстрые алгоритмы помогут заранее сравнить траектории сближения космического аппарата с небесным телом и подобрать нужную толщину защиты, — рассказал эксперт Национальной технологической инициативы по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
Однако для изменения режима работы теплового щита непосредственно в полете потребуются специальные системы, отметил эксперт. При их разработке придется искать компромисс между массой и надежностью модулей. Например, подача охлаждающего газа через пористый щит потребует установки бака, клапанов и системы управления подачей, что увеличит массу конструкции.
У покрытий с выгорающим наружным слоем другая особенность: перед повторным использованием необходимо оценить остаток защитного материала и при необходимости восстановить его.
— Уже есть прецеденты, когда один аппарат посещал несколько небесных тел в ходе одной миссии. Например, зонд «Вояджер-2» облетел четыре планеты. Однако посадка на поверхность нескольких небесных тел в ходе одной миссии и создание универсальной активной тепловой защиты — задача амбициозная, но решаемая, — сообщил член Федерации космонавтики России, руководитель образовательных программ Национального центра космических компетенций Дмитрий Олиферович.
Зонд «Вояджер-2»
Для этого инженерам предстоит объединить пассивную теплозащиту с активными системами, отметил эксперт. Среди возможных решений — модульная архитектура космических аппаратов, резервирование контуров охлаждения и встроенные алгоритмы быстрого пересчета параметров защиты с применением искусственного интеллекта.
