Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали метод улучшения ионных двигателей для космических аппаратов, таких как роботы, корабли и станции.
Созданная учёными математическая модель поможет доработать конструкцию российского ионного двигателя на этапе проектирования и снизить вероятность повреждения электродов во время его работы. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.
«Исследователи создали математическую модель, которая позволяет анализировать изменения в структуре материала электродов под воздействием нагрузок, возникающих во время полёта космического корабля. Это позволит улучшить ионно-оптическую систему электродов ионного двигателя на стадии проектирования, чтобы предотвратить возможные повреждения в будущем», — рассказали в университете.
Специалисты утверждают, что ионные двигатели используются для управления ориентацией и положением орбитальных спутников в космическом пространстве.
Этот тип двигателя создаёт реактивную тягу, которая позволяет аппарату подниматься в небо. Ключевую роль в этом процессе играют электроды — тонкие круглые перфорированные пластины.
При выводе объекта на околоземную орбиту электроды могут столкнуться из-за вибрации, что приводит к их разрушению и влияет на работу двигателя.
«Чем выше удельный импульс двигателя, тем больше полезного груза может вынести объект при том же количестве топлива. Этот показатель наиболее высок у ионного двигателя, который используется для орбитальных спутников в качестве основного движителя для малых космических аппаратов, кораблей и станций», — добавили в университете.
Как работает математическая модель
С использованием специально созданной математической модели исследователи изучили, как износ материала воздействует на надёжность и размах колебаний электродов в ионном двигателе.
«Для того чтобы проанализировать, как материал электродов повреждается, и предсказать, как деградация его упругих свойств повлияет на амплитуду колебаний, мы разработали двухуровневую расчётную модель. На первом уровне мы определяем вероятность повреждений зёрен и их объёмные доли, а затем пересчитываем упругие свойства композита. На втором уровне компьютерная модель электрода подвергается нагрузке, и мы определяем поля распределения макронапряжений и макродеформаций. На каждом этапе решения информация между этими уровнями обменивается, и мы видим, как свойства материала меняются в зависимости от накопленных повреждений. Исследование показывает, что моделирование структуры необходимо для прогнозирования поведения материала на макроуровне», — объяснил аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского национального исследовательского политехнического университета Егор Разумовский.
По мнению специалистов, после пересчёта в зонах изменения упругих характеристик материала электрода показатель макронапряжений снизился на 9,54%, а площадь областей с потенциальными дефектами увеличилась на 8,1%.
Исследователи сопоставили полученные результаты с данными для неповреждённого электрода и установили, что из-за снижения жёсткости электродов амплитуда их перемещений возрастает. Это, в свою очередь, приводит к разрушению электродов.
Поэтому для корректного проектирования необходимо принимать во внимание свойства материала на уровне его структуры.
«В процессе построения графика мы установили, что амплитуда перемещений центральной точки электрода в двухуровневой модели изменилась на 6,781% или 0,153 мм. Это значительное отклонение обусловлено малым расстоянием между электродами. Если учесть это отклонение, то превышение допустимой величины приведёт к столкновению и разрушению электродов», — подчеркнул доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского национального исследовательского политехнического университета, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шавшуков.
В университете рассказали, что результаты исследований, проведённых пермскими учёными, помогут улучшить конструкцию отечественного ионного двигателя. Это позволит снизить вероятность поломки электродов во время работы космических аппаратов, кораблей и станций.
В журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» за 2024 год была опубликована статья, в которой представлены результаты работы учёных Пермского политехнического университета. Исследование было проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».