Ученые выяснили, что защитные экраны с разнесенной структурой в виде разделенных промежутками слоев позволяют уберечь спутники от повреждений при столкновениях с космическим мусором гораздо эффективнее, чем монолитные пластины. Так, согласно моделированию, если обломки летят с высокими скоростями порядка 10–15 км/сек, монолитные конструкции полностью разрушаются, а разнесенные сохраняют до 20 % своей структуры. Полученные данные помогут улучшить защиту космических аппаратов и продлить их срок службы. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Acta Austronautica.
С каждым годом на орбите Земли становится все больше космического мусора: в настоящее время там находится более 30 тыс. отслеживаемых объектов, в числе которых обломки старых спутников и фрагменты ракет. Они представляют угрозу для действующих аппаратов, поскольку за секунду преодолевают расстояния до 15 км. На такой скорости даже небольшая частица способна пробить корпус спутника и повредить оборудование, тем самым приведя к его сбою или полному выходу из строя. Поэтому для защиты спутников используются специальные барьеры, которые могут быть либо монолитными — в виде единого листа металла, — либо разнесенными, то есть многослойными с промежутками между слоями. Промежутки позволяют рассеивать энергию удара и уменьшать разрушительное воздействие от столкновения. Монолитные барьеры при поглощении энергии удара полагаются только на свою толщину. Однако до сих пор оставался открытым вопрос, какие из них более эффективны.
Ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) с помощью моделирования определили, какие защитные конструкции лучше справляются с угрозой повреждения космических аппаратов. Исследователи использовали метод конечных элементов — способ, позволяющий моделировать поведение сложных объектов под воздействием различных факторов. С помощью собственного программного обеспечения ученые спроектировали столкновение частиц алюминия размером от 3,2 до 5 мм, движущихся со скоростями от 3 до 15 км/сек, с монолитными и разнесенными экранами из алюминия. Этот металл авторы выбрали потому, что он широко применяется в конструкциях космических аппаратов.
Моделирование позволило воспроизвести условия гиперскоростного столкновения и оценить, как экраны ведут себя при ударе. Результаты показали: разнесенные барьеры защищают лучше. Так, при скоростях около 3 кмв секунду монолитные барьеры пропускали сквозь себя крупные фрагменты, тогда как при столкновении с разнесенными барьерами частицы алюминия разбивались на более мелкие части. Размер осколков в этом случае сокращался на 40–60 %.
На скоростях порядка 7 км/сек разнесенные барьеры формировали более плотное и менее разрушительное облако обломков по сравнению с монолитными. Ученые также оценили разрушительный потенциал обломков. Для разнесенных барьеров этот показатель оказался в 2,5 раза ниже, чем для монолитных экранов при максимальных скоростях столкновений. Благодаря этому риск повреждения критически важных компонентов спутников может быть существенно снижен, а их работоспособность сохранится даже при столкновении с высокоскоростным космическим мусором.
При самых высоких скоростях — 10–15 км/сек — разнесенные конструкции сохраняли до 20 % своей структуры, в то время как монолитные полностью разрушались.
— В условиях космоса разнесенные барьеры позволят повысить надежность спутников, снизить затраты на их эксплуатацию, продлить срок службы, уменьшить риск выхода оборудования из строя и обеспечить безопасность пилотируемых миссий. Такие барьеры могут быть особенно полезны для низкоорбитальных спутников, которые чаще сталкиваются с космическим мусором. Например, спутники связи, использующиеся для интернет-покрытия, работают именно на таких орбитах и требуют особой защиты. Кроме того, предложенный подход к моделированию столкновений с использованием метода конечных элементов позволяет исследовать и другие материалы, открывая путь к созданию легких и прочных защитных конструкций для авиакосмического применения, — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Радченко, доктор физико-математических наук, научный сотрудник, профессор отдела аспирантуры Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
Российский научный фонд создан в 2013 году по инициативе Президента России. РНФ поддерживает ключевые фундаментальные и прикладные исследования в интересах науки, экономики и общества. На основе компетентной экспертизы Фонд выявляет наиболее перспективные исследовательские проекты, поддерживает молодых ученых и стимулирует развитие уникальной научной инфраструктуры. За 10 лет Фонд профинансировал 20 тысяч проектов на общую сумму более 220 миллиардов рублей. В работе над проектами приняли участие 80 тысяч исследователей из 83 регионов России. Сайт фонда: https://rscf.ru/
Благодарим за помощь в создании материала пресс-службу Российского научного фонда.
