Для сверхнизких орбит Земли. Ученые рассчитали параметры воздухозаборника спутника

Коллектив ученых НОШ МГУ провел моделирование течения разреженного газа внутри воздухозаборника космического аппарата (КА), движущегося на сверхнизких орбитах Земли (120-150 км). 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. 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 Артем Якунчиков, доцент кафедры инженерной механики и прикладной математики механико-математического факультета МГУ.

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 км). 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.

Изображение на обложке: МГУ