Ефективний контроль можливих забруднень приладів і систем космічного апарата (КА) є необхідною умовою для успіху більшості космічних місій, оскільки їх наявність навіть у мінімальних дозах може значно погіршити характеристики бортового оснащення КА. Компоненти витоку струменів рушійних установок є одним з джерел, що дають найбільший внесок у навколишню власну зовнішню атмосферу орбітальних КА. Визначення потоків маси газу і силового навантаження від струминних потоків на поверхні космічних апаратів та їх функціональних вузлів на етапі проєктування дозволяє істотно знизити ризики часткової або повної втрати працездатності бортових приладів і таким чином подовжити терміни їх експлуатації.
Для вирішення цієї проблеми науковцями відділу аерогазодинаміки та динаміки технічних систем розробляється спеціальне математичне забезпечення, що дозволяє моделювати струминний вплив продуктів згоряння від двигунів малої тяги на космічні апарати.
З традиційно використовуваних експериментальних, аналітичних та чисельних методів розрідженої газової динаміки найбільш універсальними та ефективними вважаються статистичні методи Монте-Карло, перевагою яких є ефективне моделювання реальних газових течій і значне розширення діапазону їх параметрів. Для дослідження впливу газових струменів на космічний апарат науковці відділу запропонували застосовувати статистичний метод пробних частинок, в якому процес випадкових блукань частинок (молекул) у розрахунковій області передбачає реалізацію їх зіткнення, потрапляння на обтічну поверхню та подальше відбиття відповідно до обраної функції взаємодії. Розроблений алгоритм було реалізовано в програмному забезпеченні, призначеному для розрахунку стаціонарних струминних течій від реактивних двигунів керування під час руху космічного апарата на великих висотах. Воно дозволяє здійснювати комп’ютерне моделювання обтікання космічного апарата складної геометрії струминним газовим потоком і може бути застосовано для розрахунку силової дії потоку на елементи конструкції КА, забруднень чутливих до цього поверхонь та на формування власної зовнішньої атмосфери космічного апарата.
Прикладом застосування створених методів і програм є розрахунки одного з двигунів малої тяги КА типу Кубсат, який має вигляд прямої чотиригранної призми з встановленими по всьому периметру панелями сонячних батарей. Таку геометрію на етапі проєктування мав один з варіантів супутника оптико-електронного спостереження Землі «Січ-2». Апроксимація геометрії КА була виконана за допомогою прямокутних пластин, як показано на рисунку ліворуч. Там же продемонстровано чотири можливих варіанти розташування рушійних установок корекції та стабілізації. З розглянутих варіантів найбільший вплив на прилеглу сонячну батарею може чинити позначена червоним кольором рушійна установка 1. Визначено умови, за яких її силова дія на сонячну батарею посилиться. Також розраховано поля густини струминного потоку при роботі цієї установки, приклад яких наведено на рисунку праворуч.
Присутність в струминних факелах широкого спектру режимів течії вимагала подальшого вдосконалення розроблених методів. Для розрахунку струменів, що витікають у вакуум і мають щільне ядро поблизу сопла, запропоновано використання підходу, що є комбінацією методів аеродинаміки для різної щільності газових течій. Використання розроблених методів і підходів дає широкі можливості у визначенні впливу струминних потоків на формування газодинамічної обстановки навколо космічних апаратів та дозволяє оцінювати навантаження на їх поверхні. Такі алгоритми актуальні при проєктуванні супутників: розрахунки за їх допомогою дозволяють знизити ризики виходу з ладу елементів бортової апаратури, що потрапляють в зону струминної течії, і чутливих до забруднень оптичних систем, а власне програмне забезпечення значно спрощує їх практичне застосування.
Канд. фіз.-мат. наук, ст. наук. співр. Лариса ПЕЧЕРИЦЯ
