Космические аппараты, которые находятся на орбите, орбитальные самолеты, ракеты испытывают колоссальное влияние внешних факторов. Какие-то из них более опасны и губительны, какие-то менее. Однако при разработке новых космических объектов, новых материалов все они должны обязательно учитываться. Но как? Ведь проведение натурных испытаний далеко не всегда возможно, зачастую слишком дорого и не гарантирует получение данных по всем параметрам.
Ответ на этот вопрос знает студентка четвертого курса кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» института № 1 «Авиационная техника» МАИ Анастасия Шевко. Она проводит исследование, цель которого — повышение ресурса космических аппаратов на низкой околоземной орбите. Математическая модель, которую она разрабатывает, поможет выяснить, где и как обшивка спутников изнашивается сильнее под воздействием окружающей среды.
— Анастасия, помимо учебы в МАИ, вы еще работаете в НИЦ суперкомпьютерных технологий ОКБ Сухого. Расскажите, чем вы здесь занимаетесь.
Да, я техник в отделе суперкомпьютерных технологий: здесь мы занимаемся численным моделированием, работаем над созданием цифровых двойников, исследуем различные процессы, используя суперкомпьютеры и их вычислительные данные, моделируем аэродинамику, тепловые процессы, газодинамику, прочность и проводим виртуальные испытания.
— Откуда такой интерес к авиации и всему, что с ней связано?
Желание изучать самолеты появилось, когда я впервые побывала на авиасалоне «МАКС». Тогда я увидела, как огромные многотонные самолеты взмывают в небо, изящно выполняют такие красивые виражи… Как такое возможно? Это меня настолько поразило, что я решила попробовать себя в этой сфере. Для начала поступила на курсы в вечернюю физико-математическую школу МАИ, где влюбилась в вуз и поняла, что это действительно мое.
— И в результате здесь вы разработали модель, которая поможет предупредить износ космических аппаратов… Расскажите об этом подробнее: что представляет собой ваша разработка?
Моя работа называется «Численное моделирование распределения атомарного кислорода на обшивку летательного аппарата». Многие объекты в космическом пространстве испытывают воздействие свободного молекулярного потока, и атомарная кислородная коррозия — это один из важных факторов, который ставит под угрозу срок службы космических аппаратов. При этом распределение атомарного кислорода мало изучается из-за сложности в численном моделировании свободных молекулярных процессов. И цель моей работы — изучение распределения атомарного кислорода на поверхность космического летательного аппарата и изучение влияния атомарного кислорода на обшивку, оценка возможной коррозии по результатам моих расчетов.
— В чем опасность атомарного кислорода?
На космический аппарат действует обширный комплекс факторов: это и потоки электронов и ионов высокой энергии, и космическая плазма, и солнечные и электромагнитные излучения, твердые частицы, которые летают в космосе. Но атомарный кислород — один из самых опасных факторов, который изучается, потому что он действует не только химически, но и физически. Физическое воздействие: космический аппарат и атомарный кислород движутся с огромной скоростью, и атомарный кислород приобретает огромную энергию. Когда частицы с такой энергией ударяются об обшивку, то выбивают атомы материала этой обшивки. Также происходит химическое взаимодействие атомов кислорода с материалами обшивки, образуются летучие оксиды, и обшивка разрушается.
Он воздействует на поверхность летательного аппарата — и в результате происходит разрушение поверхностного слоя обшивки и унос материалов. Если говорить преувеличенно, атомарный кислород действует на обшивку и в результате обшивка просто падает вниз и улетает.
— А что такое свободный молекулярный поток и как он влияет на процессы?
Большинство орбит спутников и космических летательных аппаратов находится под действием свободного молекулярного потока. По-научному — это течение, которое характеризуется экстремальным разрежением атмосферы, в котором нужно учитывать взаимодействие между молекулами и столкновение их с поверхностью объекта.
Для простоты понимания приведу пример: представьте, что в аудитории проходит лекция, сюда пришло очень много студентов, они плотно сидят за партами. Так будет выглядеть обычная атмосфера (кислород в атмосфере). А если представить свободный молекулярный поток, то это та же аудитория, но за кафедрой стоит лектор и где-то в конце аудитории сидит студент. И вот в таком течении нужно учитывать взаимодействие и расстояние между лектором и студентом. При таком течении законы классической аэродинамики не применимы из-за большого расстояния между молекулами, и для моделирования таких течений используются различные кинетические уравнения или статистические методы.
— Как давно родилась идея? И почему именно математическая модель используется для подобного исследования?
Работать над исследованием я начала год назад. Меня интересовали ответы на многие вопросы: что происходит с аэродинамической точки зрения с летательным аппаратом на низкой орбите, как влияет на него атмосфера, температура, плотность распределения атомарного кислорода? И это ведь актуально и для спутников, и для орбитальных самолетов (пассажирских и исследовательских), и для космических станций — всех объектов, которые находятся на орбите.
Чтобы получить ответы на эти вопросы, можно было бы провести натурный эксперимент, но это крайне сложно, затратно, поскольку нужно учитывать большое количество факторов: создать высокую температуру, разреженную атмосферу, огромные скорости и т. д. Потому в подобных ситуациях используется численное моделирование, которое позволяет без натурного эксперимента с помощью компьютера создать виртуальные испытания и посмотреть, что происходит с летательным аппаратом, когда он движется в определенных условиях.
— В чем сложность вашей работы?
При моделировании необходимо учитывать очень много параметров: гиперзвук, молекулярно-атомные процессы, температурные процессы, физико-химические процессы, учитывать ионизацию. Описать достоверно математическими, физическими или химическими формулами модель очень сложно. Для этого применяются различные приближения. Например некоторые математические модели описывают достоверно и полно температурные процессы. Но у них большая погрешность молекулярных вычислений. Я же в своей модели стараюсь описать не один процесс, а комплекс, всю окружающую среду, которая влияет на летательный аппарат. В этом ее уникальность.
— То есть подобных моделей сейчас не существует?
Тех, которые бы настолько комплексно охватывали процесс, нет. Но, несомненно, исследования влияния окружающей среды на летательные аппараты ведутся во всем мире. Без таких исследований невозможен прогресс. Построить такую модель, которой занимаюсь я, очень непросто. Она требует огромных вычислительных мощностей. Сейчас я провела первичный расчет, а в дальнейшем мне понадобится расчет на суперкомпьютере.
— Вычисления на суперкомпьютере — это один важных этапов вашей работы?
Да, раньше все считали «руками». Сейчас ведутся разработки и исследования с построением математической модели на суперкомпьютерах, это упрощает процесс вычисления, экономит время ученых.
— На каком этапе сейчас находится ваш проект?
Первичные расчеты я начала делать год назад. В 2023 году выступила с этой работой на Гагаринских чтениях и на битве ученых Science Slam. По итогу моего выступления на Гагаринских чтениях (на тот момент я получила первые результаты по температуре, плотности распределения атомарного кислорода и скорости набегающего потока) эксперты мне дали рекомендации, как сделать расчеты более точными, а модель более достоверной. Как раз над этим я сейчас и работаю. И в дальнейшем буду развивать работу в этом направлении, планирую углубиться в физику и химию этих процессов, глубоко изучить их аэродинамику.
— Как определяется достоверность расчетов?
Расчет должен сойтись. Если получаются нефизические величины, компьютер выдает ошибку. Все значения проверяются на их физичность. Если получились странные значения температуры или плотности, очевидно, что-то идет не так. В МАИ мы обсуждаем исследования с экспертами.
— Для каких специалистов, компаний может быть актуальной ваша разработка?
Изучение актуально для разработки новых материалов обшивки летательных аппаратов и понимания физики процессов. Благодаря моему исследованию ученые, которые занимаются созданием новых материалов для обшивки спутников, ракет, самолетов и т. д., могут использовать мои значения: они помогут создать такие материалы, которые будут меньше подвержены коррозии, разрушению. Благодаря моему исследованию станет возможным поиск оптимальной компоновки летательного аппарата, оптимальной формы фюзеляжа, стреловидности, чтобы минимизировать вред от атомарного кислорода, а также поиск оптимальных параметров полета (скорости, например, угол атаки).
— Сколько времени вам нужно для завершения проекта?
Хотелось бы провести повторный расчет уже к лету, определить направление развития проекта. Ну а дальше буду поступать в аспирантуру и дорабатывать тему.
— Вы хотите заниматься наукой и дальше?
Да, мне это очень нравится. Ближайшие 5–10 лет продолжу развиваться в этом направлении.