Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН (улица Институтская, 4/1) давно работает в аэрокосмической промышленности.
В аэродинамических трубах ИТПМа могут развиваться разные скорости – от малых до космических. Здесь испытывались модели многих отечественных космических аппаратов. Сотрудники института разработали метод холодного газодинамического напыления: мелкие, до микрона, частицы вещества разгоняются холодным сверхзвуковым потоком. В институте научились напылять металл на металл, металл на керамику, даже на стекло, созданы промышленные установки. Это энергетически выгодный и экологически чистый метод.1
Одна из тем, которой занимался институт — разработка воздушно-космического самолёта. По расчётам учёных, этот летательный аппарат будущего наиболее экономичен для многократных возвращаемых полётов на космические станции. Институт проводит работы, связанные с тематикой возвращаемых космических аппаратов. Здесь важно изучение взаимодействия струй ракетных двигателей, процессов их колебаний и акустических пульсаций. Разрабатываются системы аварийного снижения при приземлении для космического многоразового корабля, предназначенного для доставки людей и грузов к Луне и на станции, находящихся на околоземной орбите.
Сотрудники ИТПМа моделируют процессы, которые происходят при высокоскоростном столкновении частиц техногенного космического мусора с элементами космических аппаратов, изучают поведение реактора при столкновении с тем или иным видом космического мусора.2
По словам кандидата физико-математических наук И. И. Шабалина, конструкторов интересует, как реактор будет вести себя в экстремальных ситуациях, а в ИТПМ СО РАН на модельных реакторах исследуются сценарии, которые возникают при ударе высокоскоростной частицей.
И здесь возникает огромная питательная база для писателей-фантастов. Например, при аварии на спутнике, первым делом реактор отстреливается — то есть выбрасывает в космос набор ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), которые затем опускаются на Землю в течение долгого времени. Однако бывает так, что к моменту повторного удара он уже повреждён и потерял охлаждающую жидкость. Ученые ИТПМ СО РАН смоделировали, что произойдет в случае повторного удара болтом М12 длиной шесть сантиметров при наличии в реакторе охлаждающей жидкости и без неё.
В первом случае импульс, полученный от частицы мусора, поглотится охлаждающей жидкостью. Большая часть реактора останется целой, повреждения произойдут лишь в месте удара и близлежащих ТВЭЛах. Если удастся сконструировать реактор таким образом, чтобы он был способен работать на энергии оставшихся ТВЭЛов, космический аппарат будет функционировать даже после такой аварии. Если же столкновение произойдет с реактором, который уже потерял охлаждающую жидкость, осколки, возникающие при столкновении, повредят как ближние, так и центральные ТВЭЛы, и даже оболочку, находящуюся с другой стороны.3
Моделирование, проведённое новосибирскими исследователями показало, что главное — защитить урановые стержни. Если они разрушаются, реактор перестаёт работать, и лишенный электроэнергии спутник сам станет космическим мусором. Для этого необходимо прикрыть большой охладитель, который закрыт лишь тонкой оболочкой, беззащитной перед высокоскоростными частицами.
Ученые смоделировали пробитие космического аппарата «Буран» тяжелым восьмисантиметровым болтом при скорости 12 километров в секунду. Необходимо было посмотреть, какие разрушения произойдут, если этот болт попадет в кабину, в крыло, другие части конструкции. «Было показано, что это наиболее тяжелый случай, от которого нет защиты. Он полностью разрушает космический реактор», — говорит Иван Шабалин.
Расчеты сибирских исследователей дают сценарий того, как космический мусор повреждает ТВЭЛы и другие части космических реакторов, на основе которого принимается решение о том, какие части аппаратов необходимо усилить.4
1 https://www.roscosmos.ru/15963/
2 https://www.sbras.info/news/sibirskie-uchenye-rasskazali-o-razrabotkakh-so-ran-dlya-kosmosa
3 https://www.ng.ru/science/2011-04-12/12_space.html
4 https://www.sbras.info/articles/science/kosmos-musor-monitor