Как защититься от космических частиц?

Ученые Томского научного центра СО РАН в кооперации с Томским государственным университетом ведут работы по созданию методов защиты поверхности космических аппаратов от повреждений и моделируют условия возникновения подобных чрезвычайных ситуаций на орбите.

В условиях космоса автоматические и пилотируемые аппараты постоянно подвергаются опасности. Дело в том, что околоземная орбита похожа на гигантскую свалку, только здесь вместо бытовых отходов – космический мусор. Встреча с крупным осколком техногенного происхождения может стать причиной серьезной аварии, и чтобы предотвратить это, необходимо изменить траекторию движения спутника.

Но вот столкновений с мелкими частицами мусора и метеорных тел, летящими с космическими скоростями, к сожалению, избежать нельзя. Кто-то спросит, ну какой вред они могут причинить массивному космическому аппарату, ведь они ничтожно малы? Конечно, малы, но и очень коварны! Даже объект диаметром всего в доли миллиметра, летящий со скоростью восемь километров в секунду, то есть значительно быстрее пули, способен повредить поверхность аппарата, пробить оболочку и вызвать сбои в работе оборудования на его борту.

Решением этой проблемы занимается объединенный коллектив из сотрудников ТНЦ СО РАН и НИИ прикладной математики и механики ТГУ. Ученые создают физико-математические модели, позволяющие спрогнозировать условия возникновения подобных ситуаций на орбите. Реализация проекта, получившего финансовую поддержку Российского научного фонда, предусматривает эксперименты на специальных установках, численное моделирование и собственно разработку технологических решений, обеспечивающих защиту космических аппаратов от внешних механических воздействий.

– Нашим научным коллективом проводятся эксперименты на уникальных баллистических установках, позволяющих в наземных условиях имитировать воздействие мелких частиц на космические аппараты, – рассказывает руководитель проекта, зав. отделом НИИПММ профессор Александр ГЕРАСИМОВ. – Очень важно изучить процессы деформации и разрушения, которым подвергаются металлы, стекло, композиционные материалы, а также получить представление о повреждениях элементов корпуса космического аппарата и различного оборудования, например, оптических приборов.

Наряду с экспериментальными методами большое значение имеет численное моделирование, осуществляемое на базе суперкомпьютера ТГУ «СКИФ Cyberia». Как поясняет профессор Сергей ЗЕЛЕПУГИН, зам. начальника отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН, математические модели позволяют спрогнозировать, как поведут себя те или иные конструкции в ситуациях с заданными условиями внешнего воздействия.

В рамках реализации проекта РНФ ученые должны создать новые установки для высокоскоростного метания, позволяющие проводить еще более сложные эксперименты, а также разработать так называемый SPH-метод, позволяющий в несколько раз повысить эффективность и скорость проводимых расчетов (его применение дает возможность эффективно рассчитывать процессы высокоскоростного соударения и фрагментации).

Уже полученные результаты исследований позволили предложить и новые средства защиты космических аппаратов. Так, по заказу НПО им. С.А. Лавочкина выполнены расчеты и экспериментально проверены ряд защитных конструкций для исследовательского спутника – орбитальной обсерватории «Спектр-УФ». Каков же принцип их действия? Дадим слово профессору Герасимову:

– Нами доказано, что практически стопроцентный уровень безопасности от маленьких частиц гарантирует использование комбинированной защиты – двухслойных экранов, выполненных из сетки и сплошного материала. Специальная сетка имеет «зубчатую» конфигурацию и действует по принципу обычной терки. Соударяясь с сеткой, микрочастица дробится, а сплошной экран не дает ее остаткам столкнуться с корпусом спутника. Уже подобраны такие варианты размещения этих элементов, которые позволяют кратно повысить их эффективность.

Как отметил Сергей Зелепугин, в перспективе планируется изучить возможность применения для защиты перспективных слоистых материалов, чем-то напоминающих строение оболочек морских раковин. Работы по изучению и созданию подобного класса материалов ведутся на базе ТНЦ СО РАН. Результаты, полученные объединенным научным коллективом, подтверждены патентами и получили признание как в России, так и за рубежом, в Англии, Португалии, Южной Корее, Китае, в США.