Как уберечь космическую технику от перегрева

Ученые из Московского авиационного института (МАИ) в партнерстве со специалистами из Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского нашли способ улучшить защиту космических аппаратов от экстремальных температур. В основе разработки — новая вычислительная модель, которая позволит с высокой точностью рассчитать распределение тепла в защитных материалах.

Как пояснили исследователи, модель направлена на улучшение характеристик экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), также известной как «космическое одеяло». Этот материал применяется для защиты бортового оборудования современных спутников и межпланетных аппаратов, а также используется в конструкции скафандров.

— ЭВТИ — это многослойный пакет, «сэндвич» из нескольких десятков слоев, которые отражают тепловое излучение, и прокладок между ними. В качестве экранов могут применять, например, пленки из полиимида (прочной термостойкой пластмассы) с алюминиевым покрытием. В виде промежуточных материалов зачастую используют стеклосетку или пористый полимер, — рассказала соавтор проекта, аспирант кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем» МАИ Мария Егорова.

Она пояснила, что при отводе тепла ЭВТИ традиционно выполняет роль барьера. Однако предложенный подход позволяет не просто сдерживать теплопередачу, а управлять направлением тепловых потоков. В частности, на этапе проектирования инженеры могут подбирать толщину и состав материалов таким образом, чтобы целенаправленно отводить тепло в заданном направлении. Это позволит, например, забирать избыточное тепло от чувствительных элементов аппаратуры и уводить его к радиаторам-излучателям.

Как продлить жизнь спутников на орбите

По словам Марии Егоровой, в отличие от классических подходов, которые предполагают бесконечную скорость распространения тепла, 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 двигательной установки. В таких режимах модель позволяет более точно определить, где и в какой момент может возникнуть перегрев, и предусмотреть своевременный отвод тепла.

— Полученные расчеты дают 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 потоками тепла 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 — около 460 градусов, а давление — 90 атмосфер.

В таких случаях внутри обшивки может размещаться хладагент, который при плавлении или испарении будет поглощать избыточное тепло, а модель позволит спрогнозировать, как долго аппарат сможет выдерживать подобные нагрузки. Также разработку можно применять для проектирования солнечных зондов и оборудования для спуска в жерла действующих вулканов, добавила Мария Егорова.

В перспективе ученые планируют создать программный модуль, который позволит объединить существующие системы проектирования теплозащиты. Такой инструмент даст возможность унифицировать подходы в разных конструкторских бюро.

Как моделирование уменьшит вес космических аппаратов

— Совершенствование теории продолжается, и представленная модель, безусловно, позволит точнее предсказать поведение теплозащитных материалов, — заметил ведущий инженер Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Андрей Новиков.

Однако космическая среда характеризуется температурами, не встречающимися в повседневной жизни, а сами термические процессы носят нестационарный характер — картина нагрева постоянно меняется. Это существенно 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 большого числа 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 снизить 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.