Белорусский космос. Как в Минске испытывают защиту космолетов от плазмы и метеоритов

В Беларуси не строят космических ракет и не готовят космонавтов к покорению межзвездной дали. Но в освоении космоса есть и актуальный белорусский след. Еще с советских времен в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси ученые занимаются испытанием защитных материалов для космических кораблей и аппаратов. Проверяют, насколько хорошо защищены космонавты и ценная научная аппаратура при входе в атмосферу планет и какой силы удары метеороидов способны выдержать экраны космических кораблей. Корреспонденты Onliner.by посмотрели, как раскаленная до десятков тысяч градусов плазма ласкает экспериментальные материалы, и узнали, зачем метать стальные шарики со скоростью в несколько километров в секунду.

Для непосвященного посетителя запутанные коридоры института превращаются в лабиринт магического НИИЧАВО братьев Стругацких — Научно-исследовательского института чародейства и волшебства. Ученые мужи и молодые исследователи на разных скоростях проносятся мимо, уважительно пожимая друг другу руки и обращаясь исключительно по имени-отчеству.

Но вместо отделов Линейного Счастья, Оборонной Магии и Вечной Молодости нас ведут по лабораториям физико-химической гидродинамики и физики плазменных ускорителей, которые тестируют защитные материалы для российских космических госкорпораций. В качестве экскурсовода выступает заместитель директора института, заведующий отделением — Международным центром по физике плазмы и плазменным технологиям, доктор физико-математических наук, член-корреспондент Валентин Асташинский. Попутно он рассказывает о противометеорной защите и сложностях с посадкой космических аппаратов на планеты:

— Аппараты входят в атмосферу Земли с различной скоростью. Для тех, что разрабатываются сейчас, в расчет берется вторая космическая скорость — 11,2 км/с. При посадке на Марс аппарат будет входить в атмосферу со скоростью 3 км/с. А при таких скоростях в плотных слоях атмосферы возникает плазменное образование температурой десятки и сотни тысяч градусов по Цельсию. Без теплозащитного покрытия корабль попросту сгорел бы в атмосфере.

Над специальными теплозащитными материалами советская космонавтика задумалась еще на заре своего возникновения. Уже тогда в Беларуси проводились серьезные исследования в области испытания таких покрытий: изучалось распределение температуры внутри образца, ее градиенты. Над созданием самой теплозащиты работают в России, а вот мишень — в Минске. Это довольно сложное инженерное устройство, которое должно не только удержать образец, но и обеспечить проведение необходимых замеров.

— Первые испытания теплозащитных покрытий проводили в импульсном режиме: на несколько сотен миллионных долей секунды моделировалось воздействие лазерным излучением или электрическими разрядами, — говорит Валентин Миронович. — В середине 70-х годов в нашем институте был создан уникальный торцевой холловский плазменный ускоритель. Он генерирует плазму больших объемов для моделирования условий вхождения в атмосферу Земли. А его уникальность заключается в том, что в непрерывном режиме ускоритель мог на протяжении десятков секунд обрабатывать экспериментальный материал, что полезно для натурных исследований. Ведь постоянно разрабатываются новые типы материалов, которые надо проверить.

В вакуумной камере холловского ускорителя можно воссоздать необходимые атмосферные условия практически любой планеты, например Марса или Венеры с их особым химическим составом и плотностью. Но чаще всего этот громадный ускоритель используют для испытания материалов, входящих в верхние слои земной атмосферы.

Для моделирования условий вхождения аппаратов в нижние слои атмосферы используются более компактные установки — плазмотроны. Они работают на открытом воздухе при атмосферном давлении.

— Холловский ускоритель вряд ли успеют запустить — достаточно сложная вакуумная система. А вот работающий плазмотрон обещали показать, — сообщает заместитель директора института и впускает в экспериментальный зал, который и служит испытательным полигоном. Им заведует руководитель отдела плазменных аэрокосмических технологий Владимир Степанович Ермаченко. Именно он в середине 70-х годов вместе с коллегами создавал торцевой холловский ускоритель: длинную вакуумную камеру с большими магнитными катушками, множеством патрубков, проводов и насосов и окошком иллюминатора, за которым буйствует плазменный поток. И это только вершина айсберга — системы вакуумной откачки прячутся в подвале внушительных размеров.

Но в работе холловский ускоритель увидеть не получится: необходима долгая и кропотливая подготовка его запуска. Исследователи говорят, что включают установку находясь в пультовой. А за танцем плазмы наблюдают через глазок камеры, которая прячется за плотным темным фильтром. Уж слишком велико излучение плазмы в области воздействия на образец.

А вот запустить плазмотрон оказывается проще, да и присутствовать можно непосредственно на полигоне. «Только не бойтесь», — в который раз сквозь гудение установки повторяют сотрудники института — кандидаты технических наук Михаил Семенович Третьяк и Владимир Васильевич Чупрасов. Именно они имеют дело с этим мощным плазмотроном.

В помещении раздаются три театральных звонка, и из сопла установки со сверлящим барабанные перепонки звуком вырывается раскаленный добела скоростной поток плазмы. Возможно, так в миниатюре выглядит запуск космической ракеты. Несколько секунд плазма вгрызается в экспериментальный материал, а потом затухает, оставляя мишень дымиться. Потемневший образец достаточно сильно оплавился. Дальше ученые займутся более подробным изучением его характеристик и выдадут заключение по свойствам.

А Валентин Миронович ведет нас по длинным коридорам института дальше, в лабораторию физико-химической гидродинамики. Там находится установка, которая мечет стальные шарики со скоростью 4—8 км/с. Именно таким образом изучается стойкость различных материалов к удару метеоров различных размеров и состава.

— Находясь на орбите, корабль может подвергаться воздействию частичек техногенного и естественного происхождения. В зависимости от высоты орбиты космического аппарата, количество мусора и частиц разное. В последнее время увеличивается количество техногенного мусора, довольно заметного по размерам. И вопросы противометеорной защиты актуальны. Крупные объекты отслеживаются наземными станциями, и от них космический аппарат может увернуться, — продолжает заместитель директора института. — На космических станциях защита рассчитана на удары мелких частиц: от десятков до сотни микрон. Вероятность нахождения на высоте МКС чего-то большего крайне мала. Другое дело, что при межпланетных перелетах обнаружить подобные частички сложнее, а их скорость может достигать нескольких километров или даже десятков километров в секунду.

Материал обшивки толщиной в несколько миллиметров не сможет выдержать удар металлической частицы диаметром 2—3 мм, летящей со скоростью более 5 км/с. А потому экранная противометеорная защита обычно состоит из нескольких пластинок, расположенных на расстоянии друг от друга, буквально на пальцах разъясняет Валентин Миронович. Космическая частица, прошивая первый экран насквозь, должна раскрошиться — в этом и состоит задача наружной пластины. Во вторую пластину уже попадают маленькие осколки. Их кинетическая энергия заметно меньше, а потому через следующий экран пройти им не удастся.

— Да, можно делать и двойные, и тройные экраны. Но надо понимать, что большой вес в космос не выведешь: надо строить как можно легче и крепче, — резонно замечает физик и напоминает, что работы по противометеорной и теплозащите в институте ведутся как в рамках программы союзного государства «Мониторинг-СГ», так и по прямым контрактам с российскими ракетно-космической корпорации «Энергия» и НПО имени С. А. Лавочкина. Услуги института востребованы.

В лаборатории физико-химической гидродинамики нас дожидается баллистическая установка. Правда, в разобранном виде: пусковой элемент отдельно, вакуумная камера отдельно. Сейчас их ожидает очередное техническое обслуживание.

— В мире эффективно работающих баллистических установок не так уж много: они либо одноразового действия, либо способны ускорять частицы до существенно меньших скоростей. А наша — многократного действия, компактная и метает частицы диаметром до 4 мм со скоростью выше 4 км/с. Других установок, обеспечивающих при сопоставимом уровне энергетических затрат такие высокие скорости метания, не существует. Для сравнения, у соседей один выстрел баллистической установки стоит порядка 400 тыс. российских рублей. У нас — значительно дешевле, — поясняет Валентин Миронович.

Группой испытателей руководит доктор физико-математических наук Павел Петрович Храмцов. Под его руководством ученые метают стальные (и не только) шарики диаметром 4 мм со скоростью 5 км/с. Они насквозь прошивают дюраль толщиной 8 мм. Благо в космосе такие плотные и крепкие частички не летают.

— Имея высокую научную квалификацию и используя новые принципы работы, удается создавать уникальные системы за сравнительно небольшие деньги, потому что не только они определяют развитие науки. Но когда есть деньги, то можно все это реализовать на современном техническом уровне, — резюмирует наш экскурсовод.

Использовать же в экранной защите легкий дюралюминий вместо, например, титана вынуждает гонка за уменьшением веса.

— Дюраль достаточно вязкий и прочный, а с подходом исследователей нашего института удается повысить его прочностные характеристики: на эти подложки наши коллеги из БНТУ наносят специальное порошковое покрытие, после чего мы обрабатываем их плазменным потоком квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя. Длительность выстрела — 100—200 миллионных долей секунды. Традиционные ускорители генерируют плазму, которая существует несколько десятков микросекунд, чего недостаточно для эффективной обработки покрытий. Пускай скорость и достигает 100—200 км/с, а температура — 30—100 тыс. градусов, однако число частичек в них меньше в 10 тыс. раз. Наша установка обладает высокой скоростью и плотностью ионов, что позволяет эффективно модифицировать, легировать материалы. Модифицированные таким образом элементы экранной проивометеорной защиты выдерживают воздействие графитовых шариков диаметром 2 мм, — гордо заявляет Валентин Миронович, демонстрируя один из образцов экрана.

После небольшой экскурсии в недрах института, мы возвращаемся в кабинет нашего гида. Попутно ученый рассказывает о наработках в создании космических двигателей для микро- и наноспутников на основе разработанных в нашей Академии наук квазистационарных плазменных ускорителей нового поколения. Оказывается, что в ускорительных системах диаметром порядка 2 см, генерирующих плазменную струю, можно управлять вектором тяги без единой механической поворотной детали. Исключительно с помощью электродинамического взаимодействия. И научные основы таких наиболее перспективных технологий создания малогабаритных плазменных двигателей разрабатываются именно в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси.

В подтверждение этого собеседник заглядывает по пути в несколько кабинетов, где показывает ускорители, собранные на современной элементной базе, а также наработки для миниатюрных космических двигателей.

— У нас еще сохранились научные школы, определяющие мировой уровень исследований по своим научным направлениям. Другие исследователи вынуждены нас догонять, — уверен Валентин Миронович.

Читайте также:

• Репортаж из тумана со строительства крупнейшего ветропарка в Беларуси
• О чем мечтают белорусские лицеисты: стать учеными и программистами, создать новые Viber и Wargaming
• Пластик и шоколад: тестируем первый белорусский 3D-принтер
• Белорусский космос: от деталей для ракет до лунных БЕЛАЗов

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by