Не сгореть у Солнца: ученые помогут приблизиться к звезде
Разработка российских ученых позволит подлететь к Солнцу ближе, чем это могут сегодня зарубежные космические аппараты. В МАИ создали методику проектирования тепловой защиты конструкций аэрокосмической техники. В частности, исследователи предлагают использовать для тепловых экранов легкие высокопористые ячеистые материалы на основе стеклоуглерода. Они также пригодятся для теплозащиты аппаратов, летающих на гиперзвуковых скоростях.
Урок Икару
Информация о процессах на Солнце позволяет проверить множество астрофизических гипотез и спрогнозировать состояние околоземного космического пространства. Однако автоматические межпланетные станции, изучающие светило, подвергаются экстремальному тепловому воздействию, что затрудняет их близкий подход к звезде. Для сохранения работоспособного состояния конструкции требуется специальная защита.
Cолнечный зонд NASA Parker Solar Probe
Разработка ученых из МАИ позволит приблизиться к Солнцу на расстояние восьми солнечных радиусов (5,568 млн км) и провести измерения параметров солнечного ветра в ближайшей окрестности звезды. Эта миссия была бы уникальной — пока ни один космический аппарат не приближался к Солнцу на такое расстояние. Американский зонд Parker Solar Probe в декабре 2024 года планирует подойти к объекту на расстояние в 8,9 солнечного радиуса.
Ученые разработали метод оптимального проектирования многослойной тепловой защиты, позволяющий рассчитать совокупность характеристик структуры высокопористого материала: пористость и диаметр ячеек совместно с толщиной слоев многослойной теплоизоляции. Это обеспечит минимальную массу тепловой защиты при соблюдении заданных ограничений на максимальные температуры.
— Проект посвящен созданию метода проектирования тепловой защиты космических аппаратов, — рассказала младший научный сотрудник кафедры «Космические системы и ракетостроение» института № 6 «Аэрокосмический» МАИ Маргарита Салосина. — При разработке аэрокосмических конструкций необходимо минимизировать массу тепловой защиты. Один из путей решения этой проблемы связан с применением теплозащитных и теплоизоляционных материалов низкой плотности.
Ракета United Launch Alliance Delta IV запускает солнечный зонд NASA Parker Solar Probe, Флорида, США
В частности, исследователи планируют использовать высокопористые ячеистые материалы на основе стеклоуглерода. Они имеют малую плотность и устойчивы к воздействию высоких температур в вакууме или неокисляющей среде, то есть в разреженном космическом пространстве.
Тайны солнечной короны
В настоящее время в России разрабатывают проект солнечного зонда для исследования светила и его окрестностей. И новая методика может быть при этом востребована.
— Конечно, чем ближе ты к объекту, тем больше о нем узнаешь, — пояснил научный сотрудник Пулковской астрономической обсерватории РАН Кирилл Масленников. — Солнце — фантастически интересный объект. В частности, поражает его загадочная корона с температурой в несколько миллионов градусов при том, что сама поверхность звезды в тысячу раз холоднее. Правда, между разработкой метода и запуском корабля может пройти много лет.
Корабль NASA уже год наблюдает Солнце с близкого расстояния. Год назад к светилу вылетел корабль Solar Orbiter, запущенный Европейским космическим агентством.
— Цель таких исследований — узнать природу солнечного ветра и понять, как нагревается солнечная корона, — пояснил ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Алексей Струминский. — В частности, необходимо выяснить элементный состав солнечного ветра. Это поможет ответить на фундаментальные вопросы о том, как устроена наша звезда. Для получения таких сведений важно подлететь к ней как можно ближе.
Разработанную в МАИ методику можно использовать также при проектировании элементов для других высокоскоростных летательных аппаратов.
— Выбранные для исследования материалы можно применять для защиты аппаратов, летающих на гиперзвуковых скоростях, — рассказал заведующий кафедрой «Космические системы и ракетостроение» института № 6 «Аэрокосмический» МАИ, академик РАН Олег Алифанов. — Ведь когда аппарат летит со скоростью, значительно превышающей скорость звука, его поверхность сильно нагревается. И если поставлена задача создания многоразовой теплозащиты, то ее материал должен быть не только легким, но и достаточно термостойким. Именно такими свойствами обладают высокотемпературные ультрапористые ячеистые материалы. Оптимальное проектирование подобного многослойного теплозащитного покрытия теперь может базироваться на разработанной нами методике.
Россия реализует программу разработки гиперзвукового оружия, и система теплозащиты играет не последнюю роль для его реализации.
Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда.
Тепловая защита солнечного зонда может быть спроектирована с применением различных вариантов конструкции и разных материалов. Например, в российском проекте солнечного зонда («Интергелио-Зонд», главный разработчик АО «НПО Лавочкина») предполагается использовать теплозащитный экран, изготовленный из термостойкого композиционного материала «Углекон». Максимальная температура теплозащитного экрана в проекте «Интергелио-Зонд» составит 600 °С и обеспечит подход на расстояние 60–70 солнечных радиусов от Солнца. Запуск планируется в 2025 году.
Для американского солнечного зонда Parker Solar Probe и в европейском проекте BepiColombo использовались высокопористые ячеистые углеродные материалы. В проекте Parker Solar Probe максимальная температура теплозащитного экрана достигнет 1400 °С, что даст возможность подойти на расстояние 8,9 солнечного радиуса от Солнца.
