Сотрудники Омского государственного технического университета (ОмГТУ) предложили новый алгоритм расчета выносливости сплава АМг6 (алюминий+магний), который широко используется в авиакосмической промышленности. Например, из него изготовлены корпусы модулей международной космической станции (МКС) и топливные баки ракет. Как отмечают в вузе, предложенная методика позволит заменить многолетние дорогостоящие испытания простой процедурой длиной в несколько дней.

"По разработанной нами методике можно определить число циклов температурного нагружения конструкции орбитального объекта в большом диапазоне отрицательных и положительных температур до момента появления трещин и его разгерметизации. Это позволит точно рассчитать срок жизни орбитального объекта", — сообщил доцент кафедры "Машиностроение" ОмГТУ Иван Лесняк.

По словам ученого, другие способы расчета выносливости этого сплава предполагают многолетние эксперименты в условиях, максимально приближенных к реальным, что очень трудоемко и требует значительных затрат энергии на нагрев и охлаждение конструкции. Как отметил специалист, в рамках такого подхода испытания на выносливость материала АМг6, например, для модулей МКС, должны были бы длиться около 20 лет.

По данным ОмГТУ, в дальнейшем с помощью своей методики ученые намерены исследовать выносливость сплава с учетом различных параметров эксплуатации. Этот алгоритм в перспективе можно адаптировать и для расчета выносливости других металлов.

В свою очередь ученые Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН, г. Томск) разработали компьютерные модели, которые помогут смоделировать столкновение летательных аппаратов с космическим мусором.

"Одной из актуальных проблем является огромное количество космического мусора на орбите: только учтенных объектов насчитывается около 300 тысяч. Конечно, о приближении большого объекта становится известно заранее, и в таком случае меняется орбита движения летательного аппарата, но столкновение с более мелким мусором неизбежно. Например, объект весом меньше грамма (песчинка кварца или кусок алюминия), летящий со скоростью несколько тысяч метров в секунду, может нанести весьма серьезный урон", — цитирует издание СО РАН "Наука в Сибири" одного из разработчиков, научного сотрудника лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ Павла Радченко.

Поэтому, по словам ученого, если встреча с космическим мусором неизбежна, то нужно к ней должным образом подготовиться. Однако проводить подобные эксперименты в лабораторных условиях — задача слишком сложная и дорогостоящая, поэтому специалисты обратились к компьютерному моделированию, которое позволяет воссоздать ситуацию с любыми параметрами скорости и массы объекта, исследовать и описать их воздействие на нужный элемент летательного аппарата.

"Главная задача нашего коллектива — исследовать взаимодействие Международной космической станции с космическим мусором, а также изучить, как меняются свойства материалов. При больших скоростях они трансформируются, становятся иными, нежели при обычных нагрузках, например, сплавы начинают вести себя как жидкости. Создание компьютерных моделей позволит понять, как ведут себя сложные конструкции из перспективных материалов", — пояснил в свою очередь научный сотрудник лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ Станислав Батуев.

В частности, по данным издания, исследователи создали компьютерные модели, которые наглядно демонстрируют, что происходит при столкновении космического мусора со специальными защитными экранами и иллюминаторами космических летательных аппаратов.

"Крошечная песчинка летит в разы быстрее пули, со скоростью семь-восемь километров в секунду, и при столкновении с незащищенной поверхностью может оставить на ней след или даже сделать пробоину. Однако использование экрана небольшой толщины позволяет избежать этого. Даже если в экране образуется отверстие, то главная задача выполнена — важный модуль или конструкция летательного аппарата не пострадали, что позволяет продлить срок их эксплуатации на орбите", — говорится в публикации.

Аналогичным образом исследователи "протестировали" и защитные иллюминаторы, которые изготавливают из стекла.

"Исследователи моделировали ситуации взаимодействия иллюминатора с космическим мусором разной массы, летящим с разной скоростью. Это позволило им описать, что именно в таких ситуациях происходит с иллюминатором: могут образовывать трещины, сколы или даже отколоться целые куски стекла, а образовавшая трещина может привести к разрушению всего иллюминатора", — говорится в публикации.

В дальнейшем ученые планируют изучить, каким образом удары космического мусора влияют на сварные швы конструкций и околосварные зоны, а также исследовать физические свойства материалов и поведение всей конструкции.

Ранее подобные исследования проводили ученые Научно-исследовательского института прикладной математики и механики Томского госуниверситета (НИИ ПММ ТГУ, Томск). В итоге специалисты создали методики и модели, позволяющие тестировать функциональные характеристики новых слоистых и композитных материалов, создаваемых для защиты космических аппаратов, в условиях максимальной нагрузки.

"Ученые разработали численные методики, которые позволяют тестировать защитные конструкции (сетки, экраны) и материалы (алюминий, керамика и прочие), варьируя при этом скорость столкновения, нагрузку на преграду и другие параметры", — сообщили в пресс-службе ТГУ.

Там же отметили, что созданные модели деформирования и разрушения материалов позволяют проводить численные эксперименты, которые намного дешевле и быстрее, чем натурные испытания. Их можно использовать для создания автоматизированной системы инженерных расчетов, позволяющей моделировать взрыв, соударение или иные ситуации высокоинтенсивного воздействия на материалы и конструкции.

"Проведена серия экспериментов с использованием уникальной легкогазовой баллистической пушки, позволяющей ускорять частицы до космических скоростей. Установка, у которой аналогов мало не только в России, но и во всем мире, может метать различные ударники со скоростью до 8 километров в секунду", — рассказал руководитель проекта, старший научный сотрудник отдела механики деформируемого твердого тела НИИ ПММ ТГУ Сергей Пашков.

По его словам, в ходе экспериментов ученые подтвердили точность теоретических моделей и численных расчетов, а также получили новые данные о воздействии ударников на разные преграды, в том числе — на стекла иллюминаторов и их защитные покрытия.

"Это важно с точки зрения сохранения прозрачности иллюминаторов и оптических приборов, которые также подвергаются ударам микрометеороидов и космической пыли", — сказал Пашков.

По данным ТГУ, ранее ученые НИИ ПММ разработали противометеорный экран в виде гофрированной стальной сетки. На изобретение был получен совместный патент с НПО им. С.А. Лавочкина.