ФОЛЬДЕРНЫЕ СОЛНЦЕВЫЕ ПАРУСА: НОВЫЙ ПОДХОД К АЭРОБРЕЙКИНГУ И ВХОДУ В АТМОСФЕРУ
Совсем недавно ученые предложили новую концепцию использования солнечных парусов, которая может значительно изменить подход к аэроупругим торможениям и вхождению в атмосферу планет. Эта идея, названная «Форма-переменный парус» (Shape Shifting Sailer, 3S), подразумевает использование гибких материалов, позволяющих преобразовывать солнечные паруса в тепловые щиты при достижении целевых объектов в рамках космических миссий.
В недавней статье исследователи Джозеф Иварсон и Давиде Гудзетти из Университета Оберна описывают свою концепцию, которая может открыть новые горизонты исследования различных частей Солнечной системы. Их работа опубликована в журнале Acta Astronautica.
КОНЦЕПЦИЯ 3S: ИННОВАЦИИ В ДИЗАЙНЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Суть концепции 3S заключается в использовании тонкого листа материала, который в течение большей части миссии служит солнечным парусом. По прибытии на целевой объект этот лист можно изменить таким образом, чтобы он выполнял функцию теплового щита и устройства для торможения при входе в атмосферу или аэроупругом торможении. Механизм переключения может быть реализован с помощью особых шарниров из сплава с эффектом памяти, которые преобразуют обычный плоский парус в конус или щит, уменьшая скорость зонда и одновременно защищая его от высоких температур.
Перед реализацией прототипа исследователи провели моделирование системы, разделив его на два этапа: исследование проектного пространства и исследование осуществимости.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: ПЕРВАЯ ФАЗА
В инженерных терминах «проектное пространство» охватывает все возможные факторы, которые могут влиять на определенный параметр, например, на пик температуры, которому подвергнется зонд при входе в атмосферу Марса. В ходе симуляции инженеры экспериментировали с различными факторами, что позволило им понять, какие проектные решения являются наиболее важными. Например, пробовали оптимизировать вес паруса или его тепловую защиту.
Исследователи рассмотрели четыре потенциальных целевых мира: Землю, Марс, Титан, Уран и Нептун. Затем они применили алгоритм с генетической оптимизацией, который помог минимизировать пик температуры и давление паруса. Эти два параметра обычно конфликтуют: формы, снижающие один из показателей, увеличивают другой. Например, чтобы снизить давление, парус лучше всего имеет форму «листа», а для минимизации температуры — форму «пули», что подразумевает высокую плотность.
ВТОРАЯ ФАЗА ИССЛЕДОВАНИЯ: ВХОД В АТМОСФЕРУ
На втором этапе исследования были открыты возможные траектории полета в атмосферу и орбиту различных целевых объектов. Результаты показали, что система 3S может помочь снизить тепловую нагрузку при входе в атмосферу Земли, уменьшая пик нагрева на 20-25% при условии сброса паруса. Для Марса результаты оказались еще более впечатляющими: при аналогичном сценарии нагрев зонда мог сократиться до 40%.
К сожалению, применение системы 3S на Титане, Уране и Нептуне оказалось нецелесообразным: скорости входа в их атмосферы слишком высоки, и ни один из доступных материалов не смог бы выдержать таких условий. На Титане же для эффективной работы системы потребовалась бы масса паруса, равная массе полезной нагрузки, что делает идею слишком затратной.
ПЕРСПЕКТИВЫ И РАБОТА ПО ПРОЕКТУ 3S
Несмотря на ограничения, даже если концепция окажется применимой только для исследований Марса, это будет ключевым направлением для будущих миссий NASA, которые планируют межпланетные путешествия от Луны к Марсу. Результаты симуляций демонстрируют многообещающие перспективы, и разработка прототипа системы 3S может оказаться целесообразным шагом, даже несмотря на текущие ограничения финансирования в области космических исследований.
Исследование открывает новые горизонты
