Космический «еж». Челябинские ученые разрабатывают оригинальную конструкцию аппарата для безопасной посадки на метеорит

Как предупредить катастрофу, спасти жизнь от гибели? И как обеспечить удачную посадку на космический «булыжник» с малой гравитацией, чтобы при этом не разбиться и не пролететь мимо? Это и стало главной темой разговора с авторами астероидного проекта.

«Оседлать» метеорит!

— Безопасная посадка на астероид лишь одно из направлений реализуемого в рамках программы «5-100» большого проекта космического инжиниринга «Астероидная безопасность». Его главная цель — разработка защиты от метеоритных атак, — говорит директор политехнического института ЮУрГУ, заведующий кафедрой «Двигатели летательных аппаратов», доктор технических наук Сергей Ваулин. — Этот проект был представлен на международном научном совете вуза. Мы предлагаем объединить усилия разных стран для пуска космических аппаратов на метеориты.

Свой вклад могут внести Роскосмос, Европейское космическое агентство, НАСА. И вуз готов участвовать в консолидации научных ресурсов разных стран. К этому уже подключились и молодые ученые, предложившие свои варианты защиты от космической угрозы.

— О первых результатах нашего проекта я рассказал на прошедшей в Красноярске Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Орбита молодежи», — говорит аспирант кафедры «Летательные аппараты» Денис Пермяков. — Вместе с выпускником вуза Николаем Перескоковым мы представили конструктивно-компоновочную схему космического аппарата для автономного сближения и посадки на астероид. Ее главный плюс — безопасность и высочайшая точность этого сложнейшего маневра.

По словам научного руководителя проекта, доцента кафедры «Летательные аппараты» аэрокосмического факультета ЮУрГУ, кандидата технических наук Сергея Махновича, при посадке, если не рассчитать силу удара о поверхность, аппарат может «упасть набок», разбиться либо отлететь на десятки километров... К примеру, спускаемый модуль «Филы» зонда «Розетта» Европейского космического агентства при посадке на комету Чурюмова-Герасименко, несмотря на амортизаторы и опоры, «приземлился» не слишком удачно. Связь с ним у орбитального зонда пропала на месяц: как предполагают, зафиксировать «гарпуны» не удалось, и модуль при посадке отскочил от ядра кометы. Но ему еще повезло: гравитационные силы «притянули» его, и он, хоть и «на корпус», но все же сел на комету и стал передавать ценнейшую информацию о ее составе.

Роботы — на астероид?

Сегодня научное сообщество волнует вопрос, как при посадке на метеорит избежать возможных аварий.

— Один из вариантов — так называемая бесконтактная посадка, — добавил Сергей Махнович. — Подобный маневр был выполнен в ходе проекта «Хаябуса-1» японского агентства аэрокосмических исследований. В 2005 году при облете астероида космический аппарат не садился на астероид, а сделал забор грунта с помощью «выстреливающей» штанги, и пробы доставили на землю!

А его собрат «Хаябуса-2» 21 сентября 2018 года совершил мягкую посадку модулей на поверхность астероида. С подпрыгивающих роботов получены первые снимки поверхности метеорита. 3 октября совершил посадку и модуль MASCOT германского авиационно-космического центра, проработавший на астероиде более 17 часов. За это время он провел исследования грунта астероида и передал данные на орбитальный аппарат.

Эти наработки челябинские ученые планируют использовать при создании автономной реактивной системы — испытательной роботизированной платформы для наземного моделирования посадки на метеорит.

«Сотовый» каркас

И все-таки в чем новизна проекта? Как, например, парировать «отскок»?

По словам ученых, для этого предусмотрено «компьютерное зрение» спускаемого аппарата. Но не менее важно создать конструкцию, способную держать удар при посадке на астероид. И решение найдено: за основу взяли ячеистую структуру элементов, компенсирующих эту колоссальную силу.

— Хотя эта идея не нова, ее уже применяли американцы в своей лунной программе, но у нас свой подход, — делится Денис Пермяков. — К примеру, у космического аппарата «Луна-26» применена схема с горизонтальным расположением топливных баков, у Xombie Rocket и Mod — с вертикальным. Мы выбрали «горизонтальный вариант», поскольку такие аппараты обладают меньшими габаритами и большей плотностью компоновки. Но главное — это конструкция амортизаторов. Известно, что материал, изготовленный в виде пчелиных сот, очень устойчив к механическому воздействию и в то же время пластичен, гибок. Неслучайно наши кости тоже имеют жесткий каркас на ячеистой основе. Преимущества таких структур наглядно доказаны в математической модели Гибсона-Эшби. Наша Вселенная, согласно гипотезе ученых, тоже состоит из мегаячеек. А если эту структуру применить при создании материалов, такие природные амортизаторы не будут иметь себе равных! При посадке модуля энергия удара уходит в деформацию, и разрушения корпуса не происходит.

Авторы проекта развили эту идею. Дело в том, что шестигранные соты только один из вариантов ячеистой структуры. Но есть и другие, более гибкие и надежные. Челябинцы разработали модель посадки на астероид, в которой удар гасится амортизаторами в виде алюминиевых стержней, образующих пространственную ячеистую структуру. Причем они, как у ежа, расположены под разными углами, это позволяет компенсировать ударную силу за счет управляемой деформации.

Как пояснили разработчики, для смягчения посадки на астероид можно также применить пневматические подушки-амортизаторы. Но есть и гибридный вариант — пневмогидравлическая система, разработанная, к примеру, для лунного модуля российского космического корабля «Федерация».

Умная броня

Но масштабный астероидный проект не осилить в одиночку...

— В рамках проектного обучения создано молодежное конструкторское бюро «Астероид» для разработки аппарата, предназначенного для посадки на космическое тело с малым гравитационным полем, — говорит ответственный за проектное обучение на аэрокосмическом факультете Руслан Пешков. — Уже есть первые результаты: выпускник вуза Николай Перескоков, будучи студентом, разработал математическую модель спускаемого аппарата, аспирант Денис Пермяков — ячеистую структуру элементов корпуса. Привлекаются студенты и с других кафедр — для создания особо прочных материалов, двигательной установки, систем управления, электроснабжения...

Ученые задались вопросом, выдержит ли в случае аварии при посадке корпус космолета.

— Для посадки на метеорит уже создаются новейшие наноструктурированные композитные материалы — более прочные, чем сталь, но легкие, гибкие, способные выдержать экстремальные условия космоса, — говорит заведующий кафедрой «Техническая механика», доктор технических наук, профессор Сергей Сапожников. — В вакууме даже металл со временем становится пористым, и чтобы решить эту проблему, в вузовской лаборатории «Композиционные материалы и конструкции» «выпекают» многослойные композиты на полимерной основе, армированные высокопрочными легкими волокнами углерода, стекла, арамидов. Такому углепластику нет равных по жесткости, прочности и стойкости на излом!

Мало того, челябинские ученые уже разрабатывают умную броню из встраиваемых в корпус космического корабля «нервных волокон», которые будут сигнализировать о попадании микрометеорита, позволят оценить ущерб.

На ионной тяге

Для полета в дальний космос может не хватить запасов топлива. Как рассчитать инерционную траекторию доставки космической станции к метеориту?

По словам ученых, для этого можно применить так называемые гравитационные маневры — запрячь силы притяжения Солнца и соседних «попутных» планет, чтобы космический аппарат, не тратя горючее, часть пути шел в их хвосте. Они как бы тянут космический аппарат за собой. Например, этот маневр применила та же «Розетта». Вначале она полетела в сторону Солнца, затем вновь вернулась к Земле, затем — к Марсу. В итоге «Розетта» вошла в пояс астероидов и сблизилась с кометой. Эта сложная траектория позволила снизить расход топлива за счет гравитационных полей Солнца, Земли и Марса.

А какими двигателями ученые предлагают оснастить космические корабли «дальнего следования» для полета к астероиду?

По их мнению, есть резон применять более экономичные ионные двигатели, которые, например, ставят на свои космические аппараты японцы. Они используют энергию электромагнитного поля: ионы разгоняются, и происходит выброс вещества. Для полета к метеориту, где не требуется большая мощность, зато важна длительность работы двигателя, эффективность у них на порядок выше, чем у жидкостных. А для сверхдальних полетов уже создают и принципиально новые двигатели «на атомной тяге».