Новая концепция защиты космических аппаратов от высокоскоростных фрагментов космического мусора

Ученые Московского университета разработали новую концепцию низкоплотной защиты из диссипативно-релаксационного материала, представляющего сотовую конструкцию, состоящую из большого числа контейнеров, наполненных газожидкостной смесью. Эффекты диссипации энергии при высокоскоростном ударе по газо-жидконаполненным контейнерам могут быть успешно использованы для защитных экранов, аккумулирующих и трансформирующих кинетическую энергию удара. Эффективность данной концепции была подтверждена результатами предсказательного вычислительного моделирования процессов высокоскоростного соударения фрагмента с жидко-наполненным тонкостенным контейнером. Результаты работы опубликованы в журнале Acta Astronautica.

Исследования проводились в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фундаментальные и прикладные исследования космоса».

Столкновения с высокоскоростными фрагментами космического мусора несут серьезную опасность для космических аппаратов. Необходимая толщина стальных защитных экранов оказывается столь большой, что их вес превосходит все допустимые для орбитального использования величины.

Поэтому разработка низкоплотной защиты диссипативно-релаксационного типа является одной из приоритетных задач. В рамках проекта предложена сотовая защита, состоящая из большого числа контейнеров, наполненных газожидкостной смесью. Эффекты диссипации энергии при высокоскоростном ударе по газо-жидконаполненным контейнерам могут быть успешно использованы для защитных экранов, аккумулирующих и трансформирующих кинетическую энергию удара.

Один из руководителей проекта, заведующий лабораторией волновых процессов механико-математического факультета МГУ, профессор кафедры газовой и волновой динамики, Заслуженный профессор МГУ Николай Смирнов пояснил принцип работы такой защиты и поделился результатами исследований: «В рамках проекта проводится вычислительное предсказательное моделирование поведения сотового экрана с тонкостенными ячейками, заполненными жидкостью. Использование такой защиты позволяет увеличить площадь высокоэнергетического воздействия за счет включения боковых и лицевых стенок контейнера в силу свойств газа передавать давление во всех направлениях и переводить энергию удара в тепловую энергию и энергию разрушения сотового контейнера. Чем больше энергии будет поглощено сотовым защитным экраном, тем меньше ее будет передано защищаемому объекту. В процессе взаимодействия с контейнером происходит разрушение ударника и стенки и формирование облака мелких расплавленных капель. Это облако быстро тормозится в атмосфере жидко-наполненной соты и переводит свою кинетическую энергию в тепловую энергию сжатого пара, которая в свою очередь вызывает образование ударной волны, разрывающей ячейку изнутри. Таким образом, многослойная сотовая защита способны поглотить большую часть кинетической энергии удара».

Ученые кафедры газовой и волновой динамики и кафедры теории пластичности механико-математического факультета МГУ совместно с сотрудниками кафедры высокопроизводительных вычислений МГУ и специалистами АО «НПО Специальных материалов» (г. Санкт Петербург) разработали методы вычислительного моделирования многомасштабных процессов, протекающих в материалах релаксационного типа, поглощающих энергию ударных волн. Особенностью процессов высокоскоростного соударения является наличие областей с существенно различными масштабами давлений (от сотен тысяч атмосфер в зоне контакта до нескольких атмосфер в других зонах), поэтому поведение материалов в различных зонах существенно отличается. Были разработаны модели материалов, позволяющие провести сквозное численное моделирование многомасштабных процессов.

Результаты предсказательного моделирования на высокопроизводительных суперЭВМ быстропротекающих процессов высокоскоростного соударения подтвердили эффективность предложенной схемы защиты и позволили сделать прогноз по ожидаемому снижению веса конструкции до 20%.

В перспективе данная разработка поможет уменьшить вес защиты новых орбитальных станций и уменьшить затраты по доставке в околоземное космическое пространство элементов конструкций защитных экранов.