Год назад вышел фильм «Вызов», ради которого актриса Юлия Пересильд и режиссёр Клим Шипенко отправились в космос и почти две недели провели на МКС. Сюжет завязывается с экстренной смены орбиты станции для уклонения от приближающегося космического мусора. Нашего «любимого». В прошлый раз мы упоминали о попадании космического мусора в руку-манипулятор на МКС. К счастью, повреждение оказалось безвредным, всего лишь продырявило кожух. Но так везёт не всегда, и в истории было уже немало примеров повреждений космических аппаратов разной степени тяжести.
▍ Каждый кусочек — словно снаряд
Главная опасность космического мусора заключается в скорости соударения. Если векторы движения аппарата и какого-нибудь болта или обломка пластика пересекаются под тупым углом, они могут столкнуться на гиперзвуковых скоростях. А в таком случае даже у совершенно пустячной финтифлюшки будет огромная кинетическая энергия. Мусор микрометрового размера лишь создаёт выщерблины на поверхностях.
Стёкла на американских шаттлах часто приходилось менять из-за таких микроповреждений, а на орбите эти корабли старались позиционировать хвостом вперёд по направлению полёта, чтобы поберечь стёкла кабины.
Миллиметровые обломки уже способны пробивать панели насквозь. Вот пример попадания 23 августа 2016 года мусора размером меньше 5 мм в солнечную панель спутника радиолокационного зондирования (разведки) Sentinel-1А:
Диаметр повреждения около 40 см
Насквозь пробитая радиаторная панель шаттла Endeavour
Защита с российского модуля МКС «Звезда», которая была пробита алюминиевым болтом на скорости 6,8 км/сек
Объекты размером в несколько сантиметров могут наносить критические повреждения.
А любое столкновение с объектом размером больше 10 см просто разнесёт космический аппарат или орбитальную ступень.
▍ Как защититься?
Все космические аппараты довольно хрупкие, особенно спутники. Любое упрочнение конструкции утяжеляет её, а значит удорожает и усложняет вывод на орбиту. Приходится изощряться в поисках компромиссов между прочностью, массой и объёмом. И обычно для защиты внутренностей космических аппаратов приходится полагаться только на обшивку. Наиболее важные узлы приходится дополнительно защищать «бронёй». В 1947 году астроном Фред Уиппл (Fred Whipple) предложил схему разнесённого бронирования: внешний слой (бампер) принимает на себя удар и частично гасит его кинетическую энергию, а расположенный на некотором расстоянии внутренний слой (уловитель) останавливает частицы и брызги вещества разрушившегося снаряда и внешнего слоя.
Например, вот результат испытания щита Уиппла классической конструкции. Алюминиевый шарик диаметром 4 мм на скорости 7,2 км/сек. ударялся под углом в 45 градусов во внешнюю алюминиевую панель толщиной 1,2 мм. За ней на расстоянии 49,5 мм была основная алюминиевая панель толщиной 3,3 мм:
По тому же принципу защитили и начинку межпланетной станции «Джотто» (Giotto), запущенной в 1985 году для исследования ядра кометы Галлея. При встречном пролёте станции и кометы их взаимная скорость должна была быть 245 000 км/ч (68 км/сек.). В этом случае частицы пыли весом 0,1 гр. способны пробить плиту алюминия толщиной 8 см. Конструкторы вышли из положения так: сделали внешний защитный слой толщиной 1 мм, а на расстоянии 23 см от него — слой кевлара толщиной 12 мм. Такая броня защищала «Джотто» от частиц массой до 1 гр., летящих со скоростью около 45 км/сек.
Наземное тестирование «щита Уиппла» с помощью 7,5-миллиметрового алюминиевого шарика, запущенного со скоростью 7 км/сек
Некоторые критически важные узлы МКС защищены алюминиевыми плитами разной толщины. Но это совсем не панацея. Смотрите, что происходит при попадании в них маленьких обломков:
Слева: плита алюминия толщиной 10,16 см почти пробита в результате попадания на скорости 6,75 км/сек. пластикового цилиндра длиной 25 мм и весом 14,17 гр. В середине: алюминиевая панель толщиной 38,1 мм после удара алюминиевого цилиндра диаметром 6 мм и длиной 12 мм на скорости 6,41 км/сек. Справа: внешняя кабельная линия в оплётке из слоёв ткани и стальной сетки после попадания алюминиевого обломка размером 3,2 мм на скорости 6,9 км/сек. Кабели не перебиты
Щиты Уиппла очень широко используются для защиты космических аппаратов. Такой подход сегодня лучше всего защищает от мелких высокоскоростных объектов, вероятность их разрушения и рассеивания выше, чем при использовании толстых монолитных или композитных плит. Впрочем, именно на скоростях в считанные километры в секунду щиты Уиппла показывают наименьшую эффективность.
Поэтому в поисках лучшей защиты для МКС придумали свыше 100 вариантов конструкции, в том числе с использованием керамонаполненных тканей и многослойных щитов.
Взаимодействие мусора и защитной оболочки при высокоскоростном ударе представляет собой сложный, нелинейный комплекс процессов, включающий в себя множество малоизученных механических и физических эффектов. Динамическая прочность, многофазные уравнения состояния и фрагментация материалов мусора и щита влияют на друга при расчётах результата столкновения и потенциального пробития. Поэтому в разработке механических средств защиты космических аппаратов крайне важны эксперименты. Ведь ошибки в проектировании щитов могут стоить многие сотни миллионов, а то и жизней космонавтов.
А мы напоминаем, что вы можете послать в околоземное пространство лучики чистоты, поставив рекорды в нашей игре «Спутник против мусора».
Автор:
ru_vds
