ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ ФРАГМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА И СОТОВАЯ ЗАЩИТА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

проф., д.ф.-м.н. Н.Н. Смирнов, проф., д.ф.-м.н. А.Б. Киселев, с.н.с.,к.ф.-м.н. П.П. Захаров

Человечество ведет активную деятельность по освоению околоземного космического пространства. В 2021 году Россия произвела порядка 20 запусков, а всего в мире -более 100 запусков. Всего за 60 лет освоения космоса было запущено больше 12 тысяч космических аппаратов. На данный момент около 7 тысяч аппаратов находятся на орбите, а около 3 тысяч из них являются неработающими. Помимо крупных пассивных объектов на орбите находятся объекты меньшего размера, образовавшиеся при выводе полезной нагрузки на орбиту (ступени ракет, операционный мусор) и в результате столкновений. Все эти неуправляемые объекты и есть космический мусор, а количество его фрагментов миллионами. Фрагменты космического мусора долгие годы остаются на орбите и представляют опасность для будущих космических запусков и уже действующих аппаратов. Столкновение космического аппарата с космическим мусором с характерными скоростями порядка километров в секунду может привести к сильной поломке или полному разрушению космического аппарата.

В связи с проблемой космического мусора возникает задача механической защиты космических аппаратов от высокоскоростных мелкомасштабных фрагментов. Одной из перспективных схем защиты является сотовая конструкция, представляющая собой несколько слоев газонаполненных сфер. В результате удара кинетическая энергия фрагмента диссипирует по мере взаимодействия со слоями. Для определения эффективных параметров сотовой защиты необходимо провести компьютерное моделирование соударения фрагмента с защитой в широком диапазоне параметров задачи – скорость удара, угол, геометрические параметры сот и параметры материалов.

Такое моделирование является весьма непростым, поскольку необходимо одновременно учитывать различные физико-механические процессы в материалах конструкции - упругопластическое деформирование, плавление, фрагментация, кавитация и прочее. С другой стороны, вычислительная программа и ее численный метод должны обладать необходимой надежностью, вычислительной эффективностью и точностью. Вычислительная программа должна быть параллельной в силу разно-масштабности сотовой конструкции.

В рамках выполнения работ по данной теме сотрудниками кафедры проводится численное моделирование высокоскоростного столкновения фрагмента космического мусора в двумерной осесимметричной постановке. Численный метод, лежащий в основе, вычислительной программы является Эйлеровым конечно-объёмным методом сквозного счета. Аппроксимация численных потоков осуществляется методом С.К. Годунова. Для преодоления вычислительной проблемы, обоснованной разномасштабностью задачи, используются динамические локально-адаптивные сетки. В параллельном расчете с распределенной памятью используется алгоритм балансировки вычислительной нагрузки, который меняет геометрические размеры декомпозиции расчетной области.

Публикации:

1. N. N. Smirnov, A.B. Kiselev, V.F. Nikitin, Investigation of High-speed Collisions of Space Debris Particles with Gas-filled Shells, 2003 Moscow University Mechanics Bulletin, Allerton Press. (Vestnik Moskovskogo Universiteta. Ser. 1 Matematika Mekhanika) (1), pp. 54–66. DOI
2. N. N. Smirnov, A. B. Kiselev, P. P. Zakharov, Numerical simulation of the high-speed collision of the ball and the spherical fluid-filled shell, Acta Astronautica. 163 (2019) 62-72.DOI
3. N. N. Smirnov, A. B. Kiselev, P. P. Zakharov Numerical simulation of the hypervelocity impact of the ball and the spherical containment in three-material statement, Acta Astronautica. 171 (2020) 215-224.DOI
4. N. N. Smirnov, A.B. Kiselev, P.P. Zakharov, R.V. Muratov, D.M. Bukharinskaya. The usage of adaptive mesh refinement in simulation of high-velocity collision between impactor and thin-walled containment. Acta Astronautica. (2021) DOI
5. P. D. Anz-Meador, V. A. Chobotov, W. Flury, A. B. Kiselev, A. I. Nazarenko, V. F. Nikitin, A. E. Potter, N. N. Smirnov, T. Yasaka, Space Debris. Hazard Evaluation and Mitigation, United States, Taylor and Francis, 2002.
6. N. N. Smirnov, A. B. Kiselev, K. A. Kondratyev, S. N. Zolkin, “Impact of debris particles on space structures modelling,” Acta Astronautica, vol. 67, no. 3-4, pp. 333–343, 2010.DOI

---

ПРИМЕНЕНИЕ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОРБИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

проф., д.ф.-м.н. Н.Н. Смирнов, в.н.с., д.ф.-м.н. А.А. Малашин, инженер, к.ф.-м.н. П.А. Дьяков

Применение тросовых систем в космосе является одним из наиболее динамично развивающихся направлений по освоению космического пространства. Это связано, в первую очередь, с широким кругом задач, которые можно решать при помощи тросовых систем без существенных топливных и энергетических затрат. С помощью таких систем возможно выполнять межорбитальное маневрирование, перемещение полезной нагрузки между орбитами или космическими аппаратами, возращение грузов с орбиты на Землю (космическая почта), борьба с космическим мусором, увод отработавших аппаратов с орбиты.

Один из вариантов "уборки" орбиты от космического мусора предполагается следующим образом. На орбите, которую необходимо очистить от мусора, размещается головной спутник – ловушка, на который доставляются «пойманные» на орбите фрагменты мусора. Вниз и вверх от головного спутника выпущены гибкие растяжимые тросы с закрепленными массами на концах (Рис. 6). Подобная конфигурация обеспечивает устойчивое положение системы на орбите. При накоплении достаточного количества частиц мусора, он помещается в капсулу, которая начинает перемещаться от головного спутника к оконечным массам. При достижении концов троса, капсулы с мусором могут накапливаться, увеличивая оконечную массу или же выпускаться на орбиту захоронения, или сбрасываться в атмосферу Земли, где и сгорят (в случае низких орбит).

Сложное движение оконечных масс, нагрузки по тросу и самого троса неизбежно приведет к возникновению нежелательных продольно - поперечных колебаний троса, которые могут привести к нарушениям конфигурации системы - обрывам троса, сильным отклонениям нагрузки и оконечных масс. В рамках исследований сотрудниками кафедры был получен ряд результатов по обеспечению устойчивости функционирования подобных систем, оценке влияния волновых процессов в тросе на общую динамику системы на разных этапах, разработке методологии по моделированию общей динамики системы с учетом волновых процессов в тросе. Полученные результаты могут быть использованы при расчете реальных орбитальных миссий с применением тросовых систем.

Публикации:

1. Diakov P. A., Malashin A. A., Smirnov N. N. Problem of load transportation along a space tethered system // Acta Astronautica. — 2018. — Vol. 150. — P. 44–48. DOI
2. Diakov P. A., Malashin A. A., Smirnov N. N. Dynamic processes in the tether of a space tethered system // Acta Astronautica. — 2019. — Vol. 163, no. A. — P. 100–106.DOI
3. Diakov P. A., Malashin A. A., Smirnov N. N. Estimation of parameters of the space tethered system for stable load transportation along the tether // Acta Astronautica. — 2021. —Vol. 181. — P. 602-605.DOI