Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) нашли способ усовершенствовать ионные двигатели для космических роботов, кораблей и станций.
Разработанная исследователями математическая модель позволит доработать конструкцию отечественного ионного двигателя на этапе проектирования и снизить риск разрушения электродов во время его работы, рассказали ТАСС в пресс-службе вуза.
"Ученые разработали математическую модель, которая позволяет изучить изменения структуры материала электродов при возникающих во время полета космического аппарата нагрузках. Это поможет доработать ионно-оптическую систему электродов ионного двигателя на этапе проектирования, чтобы избежать разрушения в дальнейшем", — сообщили в университете.
По словам исследователей, ионные двигатели применяют для управления ориентацией и положением в космическом пространстве орбитальных спутников. Такой двигатель создает реактивную тягу, позволяющую аппарату подниматься в небо, а ключевую роль в этом процессе играют электроды — тонкие круглые перфорированные пластины. При выводе объекта на околоземную орбиту они могут соударяться из-за вибрации, что ведет к их разрушению и влияет на работу двигателя.
"Чем выше удельный импульс двигателя, тем больше полезного груза при том же количестве топлива может вынести объект. Этот показатель наиболее высок у ионного двигателя, который используют для орбитальных спутников в качестве основного движителя для малых космических роботов, кораблей и станций", — добавили в вузе.
Как работает модель
С помощью разработанной математической модели ученые проанализировали, как повреждаемость материала влияет на прочность и величину амплитуды колебаний электродов в ионном двигателе.
"Для анализа повреждаемости материала электродов и прогнозирования влияния деградации упругих свойств на амплитуду колебаний мы создали двухуровневую расчетную модель. Первый уровень позволяет найти вероятности повреждений зерен и их объемные доли, а затем перерасчитать упругие свойства композита. На втором компьютерная модель электрода нагружается и определяются поля распределения макронапряжений и макродеформаций. На каждом шаге решения идет обмен информацией между этими уровнями и становится видно, как в зависимости от накопленных повреждений изменяются свойства материала. Исследование демонстрирует, что моделирование структуры необходимо для прогнозирования его поведения на макроуровне", — пояснил аспирант кафедры "Механика композиционных материалов и конструкций" ПНИПУ Егор Разумовский.
Как отмечают ученые, после перерасчета в областях изменения упругих свойств материала электрода показатель макронапряжений упал на 9,54%, а площадь распространения областей с возможными повреждениями выросла на 8,1%. Исследователи сравнили полученные данные с результатами неповрежденного электрода и обнаружили, что из-за снижения жесткости электродов амплитуда перемещений увеличивается. Это, в итоге, и приводит к их разрушению. Поэтому для правильного проектирования необходимо учитывать свойства материала на уровне зерен.
"При построении графика мы определили, что изменение амплитуды перемещений центральной точки электрода для двухуровневой модели составило 6,781% или 0,153 мм. Такое отклонение является существенной величиной из-за малого зазора между электродами. Превышение величины с учетом отклонения приведет к их соударению и разрушению", — добавил доцент кафедры "Механика композиционных материалов и конструкций" ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шавшуков.
В вузе пояснили, что исследование пермских ученых позволит доработать конструкцию отечественного ионного двигателя при его проектировании и снизить риск разрушения электродов во время работы космических роботов, кораблей и станций.
Статья с результатами работы ученых Пермского политеха опубликована в журнале "Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника" за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства "Приоритет 2030".
