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

12 Ноября 2018 Автор: Евгений Аникиенко
Космический «еж». Челябинские ученые разрабатывают оригинальную конструкцию аппарата для безопасной посадки на метеорит


Проблема метеоритного апокалипсиса сегодня одна из самых больших угроз, стоящих перед человечеством. То, что эта опасность вполне реальна, многие поняли 15 февраля 2013 года, когда в небе над Челябинском взорвался метеорит. А уже через 11 лет гигантский астероид Апофис приблизится к Земле, и ученые не исключают столкновения...

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».

12.12.2018 | 12:17
Не окончена война. Ученикам Яраткуловской школы подарили два металлоискателя

История эта началась еще в начале декабря, когда на прием к председателю Заксобрания Владимиру Мякушу в общественную приемную Дмитрия Медведева приехали глава Яраткуловского сельского поселения Аргаяшского района Ильгиз Туктаров и учитель местной школы Азат Халилов.

11.12.2018 | 15:49
Вернуть воду природе. Как эффективная экономика помогает сохранять экологию

Ошибочно считать, что теплоэнергетика как-то серьезно влияет на воду, которую ТЭЦ берут из рек и озер, а потом, после ее использования в производственных циклах, частично возвращают обратно. Как раз наоборот: по данным лабораторных исследований, вода возвращается в родной источник даже в более чистом виде.

14.12.2018 | 14:04
В Пласте обитатели ветхих бараков к Новому году справят новоселье

Депутат Госдумы Андрей Барышев проинспектировал ход строительства новых домов, возводимых для переселенцев «аварийки».

13.12.2018 | 17:04
«Прошлое в настоящем». Центр Кыштыма обретет исторический облик

Напомним, что Кыштым стал одним из семи малых городов региона, участвовавших в 2018 году во Всероссийском конкурсе по созданию комфортной городской среды.

Новости   
Спецпроекты