Сотрудники Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН моделируют процессы, которые происходят при высокоскоростном столкновении частиц техногенного космического мусора с элементами космических аппаратов.  

 
«Мы уже больше 20 лет работаем с Научно-производственным объединением “Красная звезда”. Это предприятие входит в состав госкорпорации “Росатом”. Оно занимается разработкой и изготовлением ядерных энергоустановок для космических аппаратов. Мы же по их заказу моделируем, что произойдет с реактором при столкновении с тем или иным видом космического мусора», — рассказывает старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН кандидат физико-математических наук Иван Иванович Шабалин.
 
Сейчас в космосе летает большое количество разнообразных техногенных отходов. Это и осколки, оставшиеся после столкновений советских и американских спутников, и результаты китайского эксперимента по уничтожению спутника на орбите. Кроме того, космическим мусором становятся различные детали, осколки от ступеней ракет. Время выпадания осколков на Землю в зависимости от орбиты составляет сотни, а то и тысячи лет. Выпадая, они в основном сгорают в атмосфере нашей планеты. 
 
Столкновения спутников с космическим мусором происходят не слишком часто. Чтобы избежать аварий, ученые специально выбирают для запусков наиболее свободные от мусора орбиты, а кроме того — стараются защитить наиболее важные и уязвимые блоки космических аппаратов. Отслеживая осколки космического мусора с помощью радиоаппаратуры, специалисты составляют представление об их размере и форме, высчитывают их массу. Обладая такой информацией, можно понять, из какого материала сделан тот или иной осколок, и даже предположить, вследствие какой аварии и из каких конкретно частей какого космического аппарата он произошел. 
 
«Все реакторы энергетических установок изготавливаются конкретно под заказ для того или иного спутника, в зависимости от его особенностей, потребляемых мощностей электроэнергии. Конструкторов интересует, как реактор будет вести себя в экстремальных ситуациях, а мы в ИТПМ СО РАН на модельных реакторах исследуем сценарии, которые возникают при ударе высокоскоростной частицей», — говорит Иван Шабалин.
 
Геометрическая модель реактора с ударником 
   Геометрическая модель реактора с ударником
 
Например, когда происходит авария на спутнике, первым делом реактор отстреливается — то есть выбрасывает в космос набор ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), которые затем опускаются на Землю в течение долгого времени. Однако бывает так, что к моменту повторного удара он уже поврежден и потерял охлаждающую жидкость. Ученые ИТПМ СО РАН смоделировали, что произойдет в случае повторного удара болтом М12 длиной шесть сантиметров при наличии в реакторе охлаждающей жидкости и без нее.
 
В первом случае импульс, полученный от частицы мусора, поглотится охлаждающей жидкостью. Бо́льшая часть реактора останется целой, повреждения произойдут лишь в месте удара и близлежащих ТВЭЛах. Если удастся сконструировать реактор таким образом, чтобы он был способен работать на энергии оставшихся ТВЭЛов, космический аппарат будет функционировать даже после такой аварии.
 
«Если же столкновение произойдет с реактором, который уже потерял охлаждающую жидкость, осколки, возникающие при столкновении, повредят как ближние, так и центральные ТВЭЛы, и даже оболочку, находящуюся с другой стороны»,— рассказывает аспирант ИТПМ СО РАН Александр Евгеньевич Краус.​
 
Моделирование показало, что главное — защитить урановые стержни. Если они разрушаются, реактор перестает работать, и лишенный электроэнергии спутник сам станет космическим мусором. Для этого необходимо прикрыть большой охладитель, который сейчас закрыт лишь тонкой оболочкой, беззащитной перед высокоскоростными частицами.
 
Следующая задача, стоявшая пред новосибирскими исследователями, — моделирование предохранения космического аппарата методом защитных экранов. Эта технология была предложена на самой заре космонавтики. Ее суть заключается в том, что тоненькие, около 0,5—0,7 мм, алюминиевые пластинки располагают в тех местах аппарата, которые нужно прикрыть от попадания космических частиц.
 
«При скоростях порядка 10 километров в секунду материалы в результате столкновения испытывают очень сильный нагрев. Грубо говоря, кинетическая энергия превращается в тепловую. Если удар берет на себя металлическая пластина, на сам космический аппарат приходит уже лишь облако маленьких осколков, на которые распалась изначальная частица космического мусора. То есть идея заключается в том, чтобы разнести точечный удар на большую площадь, тем самым ослабив его», — отмечает Иван Шабалин. ​

 
Чтобы усилить защитные пластины, новосибирские исследователи предложили внедрить в них гетерогенные материалы на основе металлокерамики, которые разрабатываются с применением аддитивных технологий ИТПМ СО РАН. Преимущества керамики — низкий удельный вес и высокая прочность. Однако она очень хрупкая, поэтому необходимо ее спрятать во что-то, выдерживающее большие деформации.
 
Кинограмма пробития в разрезе на 4 момента времени 
   Кинограмма пробития в разрезе на 4 момента времени
 
«Мы предположили, что будет, если мы добавим в пластинки защиты 25 % керамики? Моделирование показало: при той же скорости и том же самом ударе частица уже не пробивает защитную пластину, и аппарат остается неповрежденным», — говорит Александр Краус.  

 
Такая защита работает, когда скорость удара больше, чем скорость звука. 
 
Также ученые смоделировали для «Красной звезды» пробитие космического аппарата «Буран» тяжелым восьмисантиметровым болтом при скорости 12 километров в секунду. Необходимо было посмотреть, какие разрушения произойдут, если этот болт попадет в кабину, в крыло, другие части конструкции.  

 
«Было показано, что это наиболее тяжелый случай, от которого нет защиты. Он полностью разрушает космический реактор», — говорит Иван Шабалин.
 
Расчеты сибирских исследователей дают сценарий того, как космический мусор повреждает ТВЭЛы и другие части космических реакторов. Полученные данные специалисты «Красной звезды» включают в свои модели и принимают решение о том, какие части аппаратов необходимо усилить. Сейчас эти исследования временно приостановлены — «Красная звезда» переходит на разработку нового типа реакторов и еще не успела сформировать новые задачи для ИТПМ СО РАН.
 
Автор: Диана Хомякова.
 
Фото предоставлены исследователями.​

Источники

Космос, мусор, монитор
Наука в Сибири (sbras.info), 15/04/2021

Похожие новости

  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    833
  • 21/09/2018

    В Новосибирске построят «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике»

     В рамках проекта «Академгородок 2.0» сибирские ученые предлагают построить центр коллективного пользования «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике».
    2434
  • 09/04/2019

    Новосибирские ученые участвуют в запуске «Федерации»

    — Мы принимаем участие в проекте ПАО «РКК «Энергия» (входит в Роскосмос), которая занимается разработкой пилотируемого космического аппарата «Федерация». Он должен прийти на смену «Союзам» и, в частности, предназначен для полета на Луну.
    940
  • 29/04/2019

    Сибирские учёные участвуют в российских космических проектах

    Научные институты со ран работают в проектах «миллиметрон» и «федерация», наращивают группировку глонасс и не возражают против сотрудничества с частными космическими корпорациями. Первая в России негосударственная космическая компания появилась в Красноярске.
    995
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    1642
  • 12/02/2020

    Новосибирские физики провели эксперимент по изучению зоны плавления алюминий-литиевых сплавов

    ​Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) отрабатывают технологию, которая позволит изучить структуру металла во время лазерной сварки.
    883
  • 12/08/2021

    Отечественное изобретение позволит отказаться от клепок на фюзеляжах самолетов

     В новосибирском Академгородке более чем в 2 раза увеличили прочность лазерного сварного соединения алюминия и титана, применяемых в авиастроительной промышленности.   В 2020 году сотрудники Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) применили синхротронное излучение для анализа характеристик сварного соединения алюминия и титана и, благодаря полученным данным, усовершенствовали процесс лазерной сварки.
    354
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    2055
  • 04/05/2017

    Ученые ИТПМ СО РАН готовы к созданию гиперзвукового летательного аппарата

    Россия готова к началу работ по конструированию и выпуску гражданской гиперзвуковой авиации. Об этом сообщил директор новосибирского Института теоретической и прикладной механики. На пресс-конференции, прошедшей в Москве, директор новосибирского Института теоретической и прикладной механики, Василий Фомин рассказал о том, что в данный момент Россия готова к тому, чтобы начать производство гиперзвуковой гражданской авиации.
    2395
  • 22/02/2019

    В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН обсудили новейшие разработки для промышленности

    ​На круглом столе, организованном ИТ СО РАН совместно с департаментом промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска, представители науки и производства обсудили новейшие разработки института, а также вопросы и проблемы взаимовыгодного сотрудничества.
    1440