Лабораторная эволюция: факторы земные и космические
Вряд ли кто поспорит, что каждый столичный день начинается с пробок, ими же он и заканчивается. Досадное зрелище уходящей за горизонт вереницы автомобилей заставляет вас бежать под землю – в метро. И кажется, что лишь над землёй осталось бескрайнее свободное пространство. Однако увы… В наши дни это уже иллюзия. Если где-то у Марса или Венеры дела пока обстоят именно так, то на околоземной орбите уже сейчас становится довольно тесно.
За всю историю освоения космоса начиная с 1957 года в околоземное пространство было запущено более 19 тысяч аппаратов. Важно заметить, что более 10 тысяч из них выведены на орбиту с начала 2020-го по конец 2024 года. Для наглядности: за два десятилетия — с 2000-го по 2019-й — было запущено всего 3749. Что же будет, когда вокруг Земли будут летать не десятки, а сотни тысяч спутников?
Эти стремительно растущие цифры убедительно свидетельствуют о мировом ренессансе космической индустрии. Но если раньше освоение космоса было скорее вопросом национального престижа и обороны страны, то сейчас это прежде всего бизнес.
Сегодня 74% космической выручки так или иначе связано со спутниками. В спутниковую гонку включились Китай, Россия, Индия, большие амбиции есть и у ОАЭ. Более 90% запускаемых космических аппаратов — коммерческие. В мировую космическую индустрию активно приходит частный капитал, создавая жёсткую конкурентную среду, где коммерческая эффективность, как известно, ставится во главу угла.
ИССЛЕДОВАНИЕ КАК ОТПРАВНАЯ ТОЧКА УСПЕХА
В соответствии с моделью развития МАИ в рамках программы «Приоритет-2030» одной из главных задач университета является создание современной научно- образовательной среды для реализации проектов в области перспективных космических систем, включая малые спутники, наземные сервисы и услуги. Один из ключевых элементов — обновление и наращивание возможностей в области испытаний космической и авиационной техники.
Разработчикам космических аппаратов, в отличие от их коллег из автопрома, приходится сталкиваться с тем, что участники орбитальных пробок существуют в весьма агрессивной среде. Космическая погода таит в себе куда больше опасностей, нежели земная. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов, более 50% отказов и сбоев в работе космических аппаратов происходит из-за неблагоприятного воздействия факторов окружающего пространства.
На космический аппарат в полёте воздействует целый комплекс факторов: холодная и горячая космическая плазма, солнечное электромагнитное излучение, метеорная материя, твёрдые частицы искусственного происхождения и другие. Материалы и элементы бортового оборудования подвергаются негативному воздействию среды, вследствие чего эксплуатационные характеристики спутника могут серьёзно ухудшаться. При движении аппарата по орбите на него, кроме факторов космического пространства, воздействует и собственная внешняя атмосфера, которая образуется при работе двигателей реактивной системы управления, при поверхностном и объёмном газовыделении, при утечках из гермоотсеков.
Влияние этих факторов изучается с момента запуска первых спутников. Сегодня значительный объём данных для исследований даёт, например, эксплуатация МКС, но нынешний темп развития отрасли требует как наращивания существующей экспериментальной базы, так и более активного применения инструментов математического моделирования. Это позволяет ещё на этапе проектирования и разработки обеспечить стойкость будущего продукта к воздействиям агрессивной среды эксплуатации и, как следствие, существенно снизить риск потери аппарата в космосе.
— Одним из факторов конкурентоспособности на рынке информационных спутниковых систем является существенное сокращение сроков их разработки и производства. Это стало особенно важно в связи с освоением технологий серийного производства спутников. Вместе с тем компоновки спутников уплотняются, появляются новые материалы и конструктивные решения, требующие тщательной экспериментальной отработки в лабораторных условиях. Чем раньше специалисты по исследованиям воздействия космического пространства на аппарат привлекаются в программу, тем успешнее будет разработка, — рассказывает профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой 208 «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки» МАИ Андрей Надирадзе. Именно эта кафедра института № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» МАИ занимается исследованиями влияния факторов космического пространства на запускаемые аппараты.
Космические аппараты становятся всё более совершенными, надёжными и экономичными. Рост рынка и высокая конкуренция неизбежно приведут к появлению большого количества новых материалов, технологий и разработок, а следовательно, вырастет потребность и в новых программных продуктах и испытательных мощностях, позволяющих снижать сроки и риски запуска.
ОПЫТ МАИ
В МАИ исследовательская группа по изучению влияния факторов космического пространства на спутники была образована в 1968 году в структуре научно-исследовательского отдела кафедры 208 по инициативе выдающегося двигателиста-ракетчика, профессора Доминика Доминиковича Севрука. Огромный вклад в последующее становление и развитие этого направления внёс её научный руководитель профессор Михаил Петрович Бургасов.
Учёные университета участвовали в исследованиях, проводившихся ещё на орбитальной станции «Салют», а также на борту геостационарных аппаратов «Горизонт». Среди наиболее значимых работ были, в частности, исследования влияния струй электроракетных двигателей на энергетические характеристики солнечных батарей космического аппарата.
— С момента своего основания группа придерживается концепции комплексного подхода к изучаемым проблемам, что отвечает и сегодняшним задачам университета. Эксперименты проводятся только после тщательного теоретического анализа и математического моделирования объекта исследований. Более 30 лет назад в группе был разработан уникальный программный продукт, позволяющий прогнозировать воздействие плазмы электроракетных двигателей на системы космического аппарата, который до сих пор активно используется не только отечественными, но и зарубежными разработчиками,— говорит профессор Надирадзе.
В Московском авиационном институте есть не только высококлассные специалисты, но и собственная испытательная лаборатория «Спектр-ФКП» на базе кафедры 208, оснащённая тремя аттестованными вакуумными установками, позволяющими проводить испытания материалов и оборудования на стойкость к воздействию космической плазмы и плазмы электроракетных двигателей. Это особенно важно при разработке геостационарных космических аппаратов, а также новой Российской орбитальной станции. С полным правом можно сказать, что лабораторий, в которых одновременно есть и опытные кадры, и уникальное сочетание таких экспериментальных возможностей, в России единицы.
— Кроме того, мы создаём новые экспериментальные и расчётные методики, специальное оборудование и измерительную аппаратуру, которые позволяют нам повысить качество и эффективность экспериментальных работ, а заказчикам — существенно снизить сроки создания космической техники, — отмечает заведующий кафедрой.
ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
Лаборатория кафедры 208 активно сотрудничает с компаниями российской аэрокосмической индустрии. Среди заказчиков — АО «РЕШЕТНЁВ», АО «НПО Лавочкина», АО «НПП «Квант», АО «Сатурн», АО «Российские космические системы», АО «НПП «Геофизика- Космос» и многие другие.
— По нашим оценкам, за последние годы востребованность прикладной вузовской науки возросла многократно. Многие промышленные предприятия не имеют возможности развивать науку у себя — у них просто нет на это времени. Поэтому они идут в вузы, где сконцентрированы лучшие научные кадры страны, владеющие необходимыми знаниями, вычислительными средствами и оборудованием. И в этой связи наша основная задача — отвечать этим требованиям. Мы должны не просто решать текущие задачи промышленности, но и предвосхищать их. Без такой подготовки быстро и качественно решить эти задачи не получится, — рассуждает Андрей Надирадзе.
Самым сложным и ответственным процессом в этой работе остаётся подготовка кадров. Чтобы вырастить учёного, нужны не годы, а десятилетия.
— При этом все мы понимаем, что в процессе роста молодой учёный реальных плодов почти не приносит и коллектив должен брать на себя его «содержание». Многие сходят с дистанции. Остаются только самые стойкие и увлечённые — те, кто хочет и может работать в науке, кто будет ей верен до конца своих дней. Чтобы найти таких ребят, мы организовали у себя на кафедре научно-исследовательский клуб «Импульс», в котором занимаемся со студентами младших курсов, обучаем их основам научной деятельности. Некоторые из них поступают в аспирантуру, защищаются и остаются работать на кафедре, — объясняет учёный.
Развивается и экспериментальная база кафедры. В сентябре 2024 года была введена в строй вакуумная камера объёмом 16 куб. м, проведены первые испытания. Камера была дооснащена современным оборудованием и аттестована. В ней планируется проведение испытаний крупногабаритных объектов, в том числе высоковольтных солнечных батарей для перспективных космических аппаратов.
Кафедра продолжает работы в области создания наукоёмкого программного обеспечения. Выпущены обновлённые версии программ для расчёта воздействия на космические аппараты собственной внешней атмосферы, плазмы электроракетных двигателей и ряда других факторов.
— Сегодня мировая космическая отрасль переживает своего рода бум научных работ в области создания методик, программных средств и лабораторной базы, позволяющих существенно сократить время и себестоимость испытаний, повысить их результативность. Такие решения — это вызов для интеллектуальной элиты страны. Мы нацелены на то, чтобы кратно увеличить вовлечённость студентов, аспирантов и молодых учёных в наши исследования и решение практических задач. Для этого многое надо сделать, но усилия не будут напрасными. Интересная работа привлекает талантливых студентов, а они — будущее как нашей кафедры, так и отечественной космической отрасли, — заключает профессор Надирадзе.
Ольга Каюкова
