Не сгореть у Солнца: учёные МАИ помогут приблизиться к звезде

Разработка российских учёных позволит подлететь к Солнцу ближе, чем это могут сегодня зарубежные космические аппараты. В Московском авиационном институте создали методику проектирования тепловой защиты конструкций аэрокосмической техники. В частности, исследователи предлагают использовать для тепловых экранов лёгкие 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.

Разработка маёвских учёных 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.

Учёные разработали метод оптимального проектирования многослойной тепловой защиты, позволяющий рассчитать совокупность характеристик структуры высокопористого материала: пористость и диаметр ячеек совместно с толщиной слоёв многослойной теплоизоляции. Это обеспечит минимальную массу тепловой защиты при соблюдении заданных ограничений на максимальные температуры.

«Проект посвящён созданию метода проектирования тепловой защиты космических аппаратов, — рассказала младший научный сотрудник кафедры 601 «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».

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 нём 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 её материал должен быть не только лёгким, 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.