При проєктуванні космічних апаратів інженери з аерокосмічної галузі повинні враховувати безліч факторів, але все частіше виникає критична потреба захищати конструкції від мікрометеороїдів та орбітального сміття (MMOD). Хоча більшість розробників усвідомлюють цю загрозу, створення структурних рішень, здатних витримати гіпершвидкі удари цих неконтрольованих об’єктів, може суттєво збільшити масовий бюджет місії.

Нове дослідження Бінкала Кумара Шарми з Університету Бремена та незалежного дослідника Харсіти Баскара детально аналізує найсучасніші варіанти захисту від цих смертоносних частинок. Ця робота, опублікована на препринт-сервері arXiv, підкреслює складність проблеми і виділяє два чітко різні типи загроз, з якими має зіткнутися кожен дизайнер.

Дві види космічних загроз: мікрометеороїди проти орбітального сміття

Необхідно розрізняти два основні джерела небезпеки, оскільки вони вимагають різних підходів до захисту.

Мікрометеороїди

Це маленькі камені з космосу, відколоті від комет чи астероїдів. Вони є головною загрозою на орбітах нижче 270 км та вище 4800 км.
* Характеристики: Мікрометеороїди майже завжди приходять з одного напрямку (зверху). Вони також, швидше за все, вже розриваються атмосферою.
* Небезпека: Попри свій мініатюрний розмір, вони можуть рухатися зі швидкістю до 72 км/с відносно космічного апарату і завдавати значної кінетичної енергії.

Орбітальне сміття

Це об’єкти, створені діяльністю людини. Вони становлять найбільшу загрозу структурній цілісності апарату на орбітах між 270 км та 4800 км.
* Характеристики: Це сміття є всюдисущим і може підходити з будь-якого напрямку. Більші фрагменти можна відстежити, і супутники зазвичай можуть їх уникнути.
* Небезпека: Менші, невідстежувані частинки все одно можуть завдати значної кінетичної енергії при зіткненні зі швидкістю до 15 км/с. Це створює додаткову небезпеку — зростаючу загрозу, відому як Синдром Кесслера, оскільки це сміття може генерувати ще більше загрозливих об’єктів.

Стандартний захист: Щит Віппла (Whipple Shield)

Поточний галузевий стандарт для захисту — це так званий Щит Віппла. Це по суті жертвенна алюмінієва бамперна конструкція, призначена випарувати будь-який вдаряючий матеріал до того, як він досягне цінних внутрішніх компонентів супутника.

Протягом останніх років традиційний дизайн було доповнено такими варіантами, як «заповнений» (stuffed) та «багатоударний» (multi-shock). Ці модифікації заповнюють проміжок між самим щитом і цінними частинами високоміцними тканинами, наприклад, Кевларом та керамічною тканиною Некстел. Мета цих матеріалів — продовжувати роздробляти уламки, щоб ніщо потенційно руйнівне не досягло ядра супутника.

Революція в масозбереженні: 3D-друкування

Незважаючи на ефективність існуючих рішень, залишається потреба у покращенні, особливо щодо зменшення ваги. Оскільки вага дорівнює вартості космічних досліджень, дослідники активно працюють над її зниженням.

Однією з найбільш перспективних технологій є процеси аддитивного виробництва, більш відомі як 3D-друк, зокрема лазерне порошкове сплавлення (LPBF). Ця технологія дозволяє створювати металеві деталі та демонструє вражаючу економію ваги.

• Перевага: Оцінки показують, що використання деталей, виготовлених за допомогою LPBF, може забезпечити зниження ваги до 70%. Це значний аргумент для будь-якого космічного інженера.
• Недолік: Поточні деталі, створені методом LPBF, відомі своєю пористостістю та відсутністю жорстких механічних властивостей порівняно з традиційно обробленими аналогами. В середовищі, де «шок» є частиною філософії проєктування, ці пористі отвори можуть бути ще більш небезпечними.

Наступний етап у використанні LPBF для зменшення ваги передбачає вдосконалення структурного дизайну...