Возвращаемые ракеты-носители, долговечные спутники, посадочные аппараты для Венеры и устройства для спуска в жерла вулканов — эффективность и надежность такой техники могут быть повышены благодаря новой математической модели, созданной российскими учеными.
Она позволит изменить подход к термической защите за счет управления тепловыми потоками внутри многослойной изоляции. Модель учитывает скорости изменения температуры в материале, что важно при резких перепадах — например, когда спутник выходит из тени или запускается двигатель. Эксперты отмечают, что разработка не является прорывной, но может значительно расширить инженерный инструментарий при создании высоконагруженных систем.
Как защитить космическую технику от перегрева
Исследователи из Московского авиационного института (МАИ) совместно со специалистами Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского нашли способ улучшить защиту космических аппаратов от экстремальных температур. Основой разработки служит новая вычислительная модель, позволяющая с высокой точностью рассчитать распределение тепла в защитных материалах.
Как пояснили ученые, модель направлена на улучшение характеристик экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), известной также как «космическое одеяло». Этот материал используется для защиты бортового оборудования современных спутников и межпланетных аппаратов, а также в конструкции скафандров.
— ЭВТИ — это многослойный пакет, «сэндвич» из нескольких десятков слоев, которые отражают тепловое излучение, и прокладок между ними. В качестве экранов могут использоваться, например, пленки из полиимида (прочной термостойкой пластмассы) с алюминиевым покрытием. В качестве промежуточных материалов зачастую применяются стеклосетка или пористый полимер,— рассказала соавтор проекта, аспирант кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем» МАИ Мария Егорова.
Она уточнила, что при отводе тепла ЭВТИ традиционно выполняет роль барьера. Однако предложенный подход позволяет не только сдерживать теплопередачу, но и управлять направлением тепловых потоков. В частности, на стадии проектирования инженеры могут выбирать толщину и состав материалов таким образом, чтобы целенаправленно отводить тепло в заданном направлении. Это позволит, например, забирать избыточное тепло от чувствительных компонентов аппаратуры и направлять его к радиаторам-излучателям.
Как увеличить срок службы спутников на орбите
По словам Марии Егоровой, в отличие от традиционных методов, которые предполагают бесконечную скорость распространения тепла, новая разработка учитывает, что тепловой сигнал имеет конечную скорость. Это особенно важно при резких температурных изменениях — когда спутник выходит из тени Земли на освещенную сторону или при включении двигателя. В таких режимах модель позволяет более точно определить, где и в какой момент может возникнуть перегрев, и предусмотреть своевременный отвод тепла.
— Полученные расчеты показывают зависимость температуры от числа слоев, их отражательной способности и зазоров. Инженер, проектируя изделие, может изменять эти параметры, добиваясь равномерного распределения тепла или создавая условия, чтобы заставить его стекать туда, где холоднее,— пояснила она.
Управление тепловыми потоками позволит на треть продлить активную жизнь спутников и на 15–20% снизить массу изоляции. Также технология поможет на этапе эскизов отбраковывать неудачные варианты, что сократит сроки и стоимость разработки космической техники, отметила соавтор проекта.
Предложенные модели могут быть адаптированы для расчета аппаратов для посадки на поверхность Венеры, где средняя температура составляет около 460 градусов, а давление — 90 атмосфер.
В таких случаях внутри обшивки может располагаться хладагент, который при плавлении или испарении будет поглощать избыточное тепло, а модель позволит прогнозировать, как долго аппарат сможет выдерживать подобные нагрузки. Также разработка может применяться для проектирования солнечных зондов и оборудования для спуска в жерла действующих вулканов, добавила Мария Егорова.
В будущем ученые планируют создать программный модуль, который объединит существующие системы проектирования теплозащиты. Такой инструмент позволит унифицировать подходы в различных конструкторских бюро.
Как моделирование уменьшит вес космических аппаратов
— Совершенствование теории продолжается, и представленная модель, безусловно, позволит точнее предсказать поведение теплозащитных материалов,— отметил ведущий инженер Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н. Э. Баумана Андрей Новиков.
Тем не менее, космическая среда характеризуется температурами, не встречающимися в повседневной жизни, а термические процессы носят нестационарный характер — картина нагрева постоянно меняется. Это значительно усложняет как проектирование, так и производство и эксплуатацию теплозащитных материалов, уточнил эксперт.
Он пояснил, что задачи теплофизики значительно менее однозначны, чем, например, в механике или теории прочности, поскольку зависят от множества факторов. Поэтому моделирование термических процессов не всегда позволяет точно определить ту или иную величину, а иногда это и вовсе невозможно.
— Разработка выглядит как важный шаг в развитии методов расчета теплопереноса в сложных многослойных конструкциях. Классические подходы хорошо работают в стандартных условиях, однако при экстремальных тепловых нагрузках и в материалах со сложной внутренней структурой могут давать погрешности,— рассказал «Известиям» генеральный директор компании «АК “Новый космос”, эксперт рынка “Аэронет” Национальной технологической инициативы Антон Алексеев.
Он отметил, что более точное моделирование позволит заранее оптимизировать параметры теплозащиты и сократить избыточные запасы прочности. Это, в свою очередь, даст возможность уменьшить массу аппаратов, что критически важно для космической техники.
По словам эксперта, модель будет востребована в задачах, связанных с экстремальными средами — например, при проектировании аппаратов для Венеры или возвращаемых космических систем. В целом речь идет не о технологическом прорыве, а о качественном расширении инженерного инструментария.
Фото: hi-tech.mail.ru