Сегодня число спутников в Космосе является огромным и поэтому становится актуальной проблема их надежной и долговременной работы. Даже небольшие метеориты и мелкий космический мусор опасны для спутников. Ученые Южно-Уральского государственного университета занимаются разработкой уникальных композитных панелей для защиты космических объектов от метеоритов.
Керамо-полимерные композиты для защиты от микроастероидов
По разным оценкам в настоящее время на орбите Земли располагается свыше тысячи действующих спутников. Там же вращается более десяти тысяч объектов, запущенных ранее, часть из которых уже стала космическим мусором. Космические скорости таковы, что даже небольшие астероиды и мелкий космический мусор наносят опасные повреждения работающим спутникам. В связи с этим защита орбитальных объектов от микроастероидов и орбитального мусора стала актуальной проблемой современной космической отрасли. В рамках Программы 5-100 одним из направлений исследований является защита объектов от астероидов. Ученые ЮУрГУ под руководством профессора Сергея Сапожникова занимаются разработкой уникальных композитных панелей для защиты различных объектов от ударных воздействий. В рамках данных работ силами студентов изучается и возможность создания подобных панелей для защиты космических объектов.
Екатерина Щурова, студентка магистратуры аэрокосмического факультета Политехнического института ЮУрГУ, исследует новые материалы для создания защитных экранов космических спутников. Очевидным требованием к подобным экранам является малая масса при достаточной прочности к ударным воздействиям. Особенностью работы экранов является и специфика самого космоса: вакуум, большие перепады температур, радиация.
«Проблема всех защитных экранов, которые сегодня предлагаются для космического оборудования, заключается в том, что они изготавливаются, как правило, из металлов, имеют многослойную жесткую структуру, как на бронетанковой технике, и поэтому массивны. Повреждение такого экрана сохраняется на весь оставшийся период работы спутника, поскольку ремонт такой защиты в космосе проблематичен. Наша задача разработать защитные экраны меньшей массы. Решением является использование керамики. Однако керамические пластинки – хрупкий материал. При появлении первых трещин их работоспособность практически утрачивается. Поэтому предлагается применить другое решение – композит на основе керамических частиц и матрицы из вязкого материала –полимера», – объясняет Екатерина Щурова.
Необходимость теоретических расчетов.
Как известно, скорости пуль и снарядов существующих систем вооружений на порядок ниже космических скоростей. В мире имеются единичные экземпляры оружия, позволяющие разогнать ударный объект с многократно большими скоростями. Поэтому единственным доступным способом проверить все свои предположения является расчет и, прежде всего, это компьютерное моделирование.
«Однако компьютерное моделирование разрушения однородного материала существенно отличается от такого моделирования для композитных структур, в особенности если используется, так называемое, микромоделирование. В этом случае приходится описывать каждую керамическую частичку композита в отдельности, а размеры этих частиц около одного миллиметра. Соответственно, в защитной панели таких частичек миллионы и это требует больших ресурсов компьютера, что вызывает проблемы вычислительного порядка», – дает пояснения Екатерина.
Сегодня в ЮУрГУ имеются возможности для выполнения подобного рода расчетов: это и программное обеспечение для реализации численных методов расчета, и суперкомпьютерная техника вуза, обладателями подобной в СНГ являются лишь несколько организаций.
«Целью наших расчетов является как подбор размеров керамических частиц и их объемная доля в композите, так и описание механических свойств материалов матрицы и этих частиц».
От теоретических расчетов к экспериментальным испытаниям
Космос во многом все еще остается малоизученной средой. На Земле космические скорости в объектах макромира не наблюдаются, поэтому достоверные сведения о механических свойствах материалов при ударах на таких скоростях практически отсутствуют. А эти свойства и должны быть использованы в компьютерных расчетах.
«В расчетах ударных явлений часто применяются так называемые феноменологические модели материалов, в них применяется множество эмпирических показателей. Наша задача подобрать наиболее адекватную модель материала и ее параметры. Такой подбор приходится осуществлять путем сопоставления картин разрушения, полученных расчетами и полученных опытным путем. В первом приближении нами планируется проведение экспериментов на обычных земных скоростях, а далее придется сравнивать наши расчеты с опубликованными в статьях фотографиями пробития космических объектов», – комментирует проблему Екатерина Щурова.
Некоторые результаты исследования планируется опубликовать в журнале «Lecture Notes in Mechanical Engineering», входящем в базу данных Scopus.
Исследование Екатерины Щуровой, направленное на решение такой актуальной проблемы, как защита космических объектов от ударов микроастероидов и космического мусора, было отмечено грантом в конкурсе «Вперед к открытиям», проводимом в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100.