Ученые МГУ рассчитали параметры воздухозаборника спутника для сверхнизких орбит Земли

Коллектив ученых НОШ МГУ провел моделирование течения разреженного газа внутри воздухозаборника космического аппарата (КА), движущегося на сверхнизких орбитах Земли (120-150 километров). Основная задача такого воздухозаборника — захватить часть набегающего потока и привести этот газ в состояние, пригодное для подачи в ионизационную камеру двигателя. Удалось установить зависимость компрессии газа в воздухозаборнике от геометрических параметров воздухозаборника, ориентации аппарата относительно набегающего потока и свойств материалов поверхности. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Результаты исследования опубликованы в журнале Acta Astronautica.

Данная работа связана с амбициозной задачей освоения сверхнизких орбит Земли, которая решается совместными усилиями физического факультета, механико-математического факультета и факультета космических исследований в рамках НОШ МГУ «Фундаментальные и прикладные исследования космоса». На сверхнизких орбитах космический аппарат испытывает заметное аэродинамическое сопротивление. Чтобы его компенсировать, требуется обеспечить двигатель необходимым количеством рабочего тела, то есть газом, который ионизируется, разгоняется и выбрасывается с огромной скоростью через сопло двигателя, создавая тягу.

«Мы рассмотрели вариант, когда рабочее тело для двигателя собирается прямо из набегающего потока. Для этого аппарат оснащается воздухозаборником, основная задача которого состоит в обеспечении необходимого потока и плотности газа в ионизационной камере двигателя. Мы указали на существующие в литературе принципиальные ошибки при моделировании таких течений, а также показали некорректность рассмотрения воздухозаборника в отрыве от следующих за ним элементов внутреннего тракта аппарата», — рассказал доцент кафедры инженерной механики и прикладной математики механико-математического факультета МГУ Артем Якунчиков.

Аэродинамическая задача решалась с помощью метода событийного молекулярно-динамического моделирования в трехмерной постановке. Набегающий поток описывался миллионами молекул, параметры которых соответствовали параметрам атмосферы на изучаемой высоте (140 километров). Молекулы взаимодействовали с элементами конструкции аппарата, а также между собой. В результате такого моделирования были получены поля всех термодинамических параметров внутри воздухозаборника и в области предполагаемой ионизации, а также силы и тепловые потоки ко всем поверхностям. Это позволило сделать несколько практически значимых выводов о геометрических параметрах воздухозаборника, влиянии закона рассеяния молекул на поверхностях аппарата и угла атаки на компрессию и расход газа в таких системах.

Междисциплинарные научно-образовательные школы МГУ организованы в 2020 году решением ректора Московского университета Виктора Садовничего. Школы — это внеструктурные подразделения МГУ, в которых объединены ученые и преподаватели самых разных специальностей, вместе решающие крупные научно-практические задачи. Основной принцип работы школ — это междисциплинарность, то есть работа над одной и той же проблемой с использованием методов из разных областей наук. Такой подход позволяет существенно повысить эффективность работы и приводит к получению прорывных результатов, обеспечивающих ответ на большие вызовы, стоящие сегодня перед обществом. Научная работа школ организована в форме реализации грантовых проектов, которые университет финансирует за счет собственных средств. Обязательным условием является создание, актуализация и реализация в МГУ учебных курсов на основе результатов, получаемых в рамках научных проектов школ. 

В настоящее время в МГУ созданы и успешно работают следующие научно-образовательные школы: «Фундаментальные и прикладные исследования космоса», «Сохранение мирового культурно-исторического наследия», «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект», «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология», «Математические методы анализа сложных систем», «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».