Космос, мусор, монитор

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.
 
Диана Хомякова
 
Фото предоставлены исследователями