Алгоритмы МАИ помогут рассчитать теплозащиту межпланетных кораблей

Инженеры Московского авиационного института разработали программный алгоритм, который позволяет быстро подбирать параметры тепловой защиты космических аппаратов, предназначенных для многоразовых полётов на орбиту и посадку на другие планеты и их спутники. Это позволит сократить время вычислений на первых этапах проектирования, когда идёт поиск оптимальных характеристик конструкции космического аппарата.

Тепловая защита — одна из самых сложных задач в проектировании космической техники, так условия посадки на разные небесные тела отличаются. Например, при посадке на Марс из-за разреженной атмосферы аппарат будет тормозить менее эффективно, но при входе в плотные слои испытает интенсивный аэродинамический нагрев. В плотной атмосфере Венеры перегрузки и нагрев значительные, а по мере снижения быстро растут температура и давление. Кроме того, в облачном слое на аппарат воздействуют капли серной кислоты. Поэтому при проектировании тепловой защиты необходимо учитывать факторы, уникальные для каждой конкретной миссии, и принимать во внимание не только тепловые нагрузки, но и прочность конструкции, химическую стойкость материалов и условия теплообмена в плотной газовой среде.

— При подборе параметров неразрушаемой тепловой защиты необходимо учитывать состав и плотность атмосферы, скорость входа, продолжительность нагрева, излучательную способность поверхности и сохранение свойств материалов при крайне низких температурах или крайне высоких температурах. Разработанный в МАИ комплекс позволяет учитывать характер каждой конкретной миссии и позволяет гибко менять параметры — например, материал тепловой защиты или траекторию полёта аппарата. Достаточно ввести в программу траекторию движения корабля и его 3D-модель, и она рассчитает, какую теплозащиту, какой толщины и где именно лучше установить,— пояснил руководитель проекта малых космических аппаратов Центра космических технологий МАИ Александр Бон.

Применимость алгоритмов проверили с помощью экспериментов. В частности, в лаборатории были изготовлены образцы многослойных панелей, которые имитировали теплозащиту крыла космического корабля. Их помещали в вакуумную камеру, где, в частности, воспроизводили условия, которые испытывают возвращаемые аппараты при входе в плотные слои атмосферы Венеры.

— Исследования показали, что расхождения между расчётными и опытными данными не превышали 1,5 %. Это подтвердило высокую достоверность метода, — сообщил Александр Бон.

В дальнейшем разработчики планируют расширить функционал программного комплекса. В частности, с его помощью инженеры смогут рассчитывать не только пассивные системы теплозащиты (абляционные или радиационные), но и с элементами активных схем — например, с принудительным отводом тепла или с изменяемыми теплопроводными свойствами материалов.

В более глубокой перспективе решение может быть интегрировано в бортовые компьютеры межпланетных кораблей для пересчета режима посадки на небесное тело с учётом анализа реальных условий. Разработка осуществляется в рамках гранта Российского научного фонда № 25-19-00131 «Метод комплексной термобаллистической оптимизации перспективных технологий исследования планеты Венера».