Разработанные в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) компьютерные модели помогут защитить поверхность летательных аппаратов от космического мусора.

Ученые лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН с помощью программного комплекса EFES (Explicit Finite Element Solver) моделируют процессы, протекающие в различных материалах и конструкциях летательных аппаратов в открытом космосе при их столкновении с космическим мусором. Объектами исследования ученых стали специальные защитные экраны и иллюминаторы. Полученные результаты позволят оптимизировать элементы конструкций российских космических аппаратов, а также расширить фундаментальные представления об изменении свойств различных материалов в экстремальных условиях.

«Одной из актуальных проблем является огромное количество космического мусора на орбите: только учтенных объектов насчитывается около 300 тысяч. Конечно, о приближении большого объекта становится известно заранее, и в таком случае меняется орбита движения летательного аппарата, но столкновение с более мелким мусором неизбежно. Например, объект весом меньше грамма (песчинка кварца или кусок алюминия), летящий со скоростью несколько тысяч метров в секунду, может нанести весьма серьезный урон», – рассказывает кандидат физико-математических наук Павел Андреевич Радченко.

Если встреча с космическим мусором неизбежна, то нужно к ней должным образом подготовиться. Проведение подобных экспериментов в лабораторных условиях – трудоемкая и дорогостоящая задача. Например, требуется сложная аппаратура, способная развить огромные скорости, с которыми летит космический мусор. Этим и обусловлена востребованность методов компьютерного моделирования, которые позволяют воссоздать ситуацию с любыми параметрами скорости и массы объекта, исследовать и описать их воздействие на нужный элемент летательного аппарата.

Научное направление, связанное с компьютерным моделированием протекающих в космосе процессов, было заложено в Научно-исследовательском институте прикладной математики и механики Томского государственного университета, с которыми ученые ИФПМ СО РАН активно сотрудничают. В институте реализуется комплексный подход в организации исследований по космической тематике: материаловеды создают новые материалы с заранее заданными свойствами, перспективные для использования в аэрокосмической отрасли (например, композиты могут использоваться для изготовления защитных экранов). Экспериментаторы, в свою очередь, выявляют характеристики материалов или конструкций. Специалисты по компьютерному моделированию на основе этих данных моделируют разные варианты развития событий в условиях открытого космоса, описывают процессы, представление о которых невозможно получить в лабораторных условиях. Принципиально важно то, что данные экспериментов и моделирования взаимно дополняют друг друга.

«Главная задача нашего коллектива – исследовать взаимодействие Международной космической станции с космическим мусором, а также изучить, как меняются свойства материалов. При больших скоростях они трансформируются, становятся иными, нежели при обычных нагрузках, например сплавы начинают вести себя как жидкости. Создание компьютерных моделей позволит понять, как ведут себя сложные конструкции из перспективных материалов», – поясняет кандидат физико-математических наук Станислав Павлович Батуев.

Все исследования ведутся в рамках госзадания и нескольких грантов РНФ на уникальных программных комплексах, разработанных учеными ИФПМ СО РАН и имеющих все необходимые патенты. Полученные результаты могут лечь в основу конструкторских решений, таких как изменение геометрии отдельных элементов конструкций и их оптимизация. Например, применение специальных защитных экранов позволит уменьшить массу основных модулей: в космосе не должно быть ничего лишнего, каждый дополнительный килограмм на орбите стоит космических денег, поэтому летательный аппарат должен быть сконструирован идеально.

Ученые создали модели, дающие представление о том, что происходит при столкновении космического мусора со специальными защитными экранами и иллюминаторами космических летательных аппаратов. Крошечная песчинка летит в разы быстрее пули, со скоростью семь-восемь километров в секунду, и при столкновении с незащищенной поверхностью может оставить на ней след или даже сделать пробоину. Однако использование экрана небольшой толщины позволяет избежать этого. На рисунках, иллюстрирующих процесс взаимодействия, видно, как мелкая частица встречается с поверхностью экрана, которая, в свою очередь, тормозит ее, и космический мусор начинает разрушаться. Даже если в экране образуется отверстие, то главная задача выполнена – важный модуль или конструкция летательного аппарата не пострадали, что позволяет продлить срок их эксплуатации на орбите.

Что же касается иллюминаторов, то стекло, из которого они выполнены, материал очень капризный. С одной стороны, он очень хрупкий, с другой – стекло обладает большой откольной прочностью (устойчивостью к ударным нагрузкам).

Исследователи моделировали ситуации взаимодействия иллюминатора с космическим мусором разной массы, летящим с разной скоростью. Это позволило им описать, что именно в таких ситуациях происходит с иллюминатором: могут образовываться трещины, сколы или даже отколоться целые куски стекла, а образовавшаяся трещина может привести к разрушению всего иллюминатора.

В ИФПМ СО РАН достигнуты значительные успехи по совершенствованию технологии сварки трением с перемешиванием, применяемой для соединения различных металлов и сплавов в интересах аэрокосмической отрасли; с ее помощью можно сваривать большие конструкции, состоящие из отдельных элементов. Получаемые сварные соединения имеют высокие характеристики прочности.

Исследователи намерены изучить, каким образом удары космического мусора влияют на сварные швы конструкций и околосварные зоны, а также исследовать физические свойства материалов и поведение всей конструкции. Компьютерное моделирование позволяет на Земле получить ответы на многие вопросы относительно того, как же будет в космосе.

Источник: газета «Наука в Сибири»
выпуск № 14 (3375) от 6 апреля 2023 года.
Текст: Ольга Булгакова.
Фото Вероники Петровской.