|
Противоударная защита космических аппаратов
|
|
|
|
Инженеры-аэрокосмисты должны учитывать множество факторов при проектировании космических аппаратов, но одним из наиболее часто встречающихся является необходимость проектирования защиты от микрометеоритов и космического мусора (ММБ). Хотя большинство конструкторов понимают угрозу, разработка конструктивных решений, способных выдерживать гиперскоростные удары, которые могут вызывать эти неконтролируемые обломки материала, может существенно повлиять на общий бюджет миссии. В новой статье Бинкала Кумара Шармы из Бременского университета и независимого исследователя Харшиты Баскар представлен подробный обзор передовых вариантов защиты от этих смертоносных частиц. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
Следует уточнить, что на самом деле существует две различные угрозы, на которые должны обращать внимание конструкторы. Одна из них — микрометеориты — небольшие камни из космоса, отколовшиеся от кометы или астероида и представляющие собой основную угрозу на орбитах ниже 270 км и выше 4800 км. Между этими двумя высотами основную угрозу для структурной целостности космического аппарата представляют собой космический мусор, образовавшийся в результате деятельности человека.
|
|
|
|
Микрометеориты обладают характеристиками, упрощающими защиту. Они почти исключительно летят с одного направления (вверх) и, скорее всего, уже активно разрушаются атмосферой. Однако есть и обратная сторона медали: они могут выноситься из космоса со сверхвысокими скоростями до 72 км/с по сравнению с орбитальным космическим аппаратом — это означает, что, независимо от их размера, они все равно могут передавать значительную кинетическую энергию.
|
|
|
|
|
|
|
Орбитальный мусор, с другой стороны, повсеместно распространен и может приближаться с любого направления. Мы можем отслеживать более крупные обломки, и обычно спутники способны в некоторой степени избегать их. Но более мелкие обломки, которые мы пока не можем отслеживать, все же могут передавать значительную кинетическую энергию, сталкиваясь со спутником на скорости до 15 км/с. Это, в свою очередь, приводит к образованию большего количества опасного орбитального мусора, растущей угрозы, известной как синдром Кесслера, если мы не разработаем более эффективные способы защиты от него.
|
|
|
|
В настоящее время стандартным методом защиты является так называемый экран Уиппла. По сути, это жертвенный алюминиевый бампер, предназначенный для испарения любого ударного материала до того, как он достигнет ценных внутренних компонентов спутника.
|
|
|
|
В последние годы традиционная конструкция была усовершенствована в такие варианты, как «заполненный» и «многоударный». В них зазор между самим экраном и ценными компонентами заполняется высокопрочными тканями, такими как кевлар и керамическая ткань Nextel. Они продолжают измельчать мусор, пытаясь гарантировать, что ничто потенциально опасное не достигнет ядра спутника.
|
|
|
|
Но всё ещё есть возможности для улучшения, особенно в отношении веса. А поскольку вес эквивалентен стоимости освоения космоса, исследователи потратили немало времени на попытки его снижения. Одна из наиболее перспективных технологий — это аддитивные процессы производства, более известные как 3D-печать, в частности, лазерное спекание порошкового слоя (LPBF), тип технологии 3D-печати, позволяющий производить металлические детали. По оценкам, экономия веса при использовании деталей, изготовленных методом LPBF, достигает 70% — этого достаточно, чтобы любой инженер-космонавт обратил на это внимание.
|
|
|
|
Однако это имеет свою цену — современные детали, изготовленные методом LPBF, известны своей пористостью и отсутствием жестких механических свойств, присущих их традиционным аналогам, полученным механической обработкой. В условиях, когда «ударная нагрузка» является частью философии проектирования, эти пористые отверстия представляют еще большую потенциальную опасность.
|
|
|
|
Следующий шаг в использовании LPBF для снижения веса связан с усовершенствованием конструкции: 3D-печатная металлическая решетка. В недавних исследованиях упоминается 3D-печатная металлическая решетка с промежуточными слоями из современных полимеров.
|
|
|
|
Наиболее перспективным из этих полимеров является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE). Это будет действовать как кинетическая губка, поглощая остаточную энергию снаряда, первоначально разрушенного металлической решеткой. Кроме того, в сочетании с такими добавками, как природные графеновые хлопья и карбид бора, они обладают дополнительными преимуществами, выступая в качестве тепловых и радиационных экранов.
|
|
|
|
Благодаря этим улучшениям, выбор материалов для конструкторов космических аппаратов значительно расширился. Хотя они не обязательно предотвратят потенциальные опасности микромасштабных взрывов, знание о существовании пассивных технологий, которые мы можем разработать для смягчения некоторых из них, позволит, по крайней мере, некоторым конструкторам космических аппаратов спать спокойнее.
|
|
|
|
Источник
|
