Возвращаемые ракеты-носители, долгоживущие спутники, венерианские посадочные аппараты и устройства для спуска в жерла вулканов — эффективность и надежность такой техники может повысить новая математическая модель, разработанная российскими учеными. Она позволит изменить подход к термической защите за счет управления распространением тепла внутри многослойной изоляции. Модель учитывает скорости изменения температуры в материале, что важно при ее резких перепадах — например, при выходе спутника из тени или включении двигателя. Эксперты отмечают, что разработку нельзя назвать прорывной, однако она способна существенно расширить инженерный инструментарий при создании высоконагруженных систем.

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.

Фото: пресс-служба МАИ

— 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.

Фото: пресс-служба МАИ

— 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.

Фото: пресс-служба МАИ

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.

Фото: пресс-служба МАИ

— 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.