Моделирование течения разреженного атмосферного газа внутри воздухозаборника космического аппарата, который движется на сверхнизкой околоземной орбите (120–150 км), провели ученые НОШ МГУ, 4 декабря сообщает пресс-служба университета.

Такой воздухозаборник необходим спутнику, который будет длительное время работать только на возобновляемых ресурсах: рабочее тело для его ионного двигателя берется из атмосферы, а энергия вырабатывается солнечными батареями. Задача воздухозаборника в этом случае — обеспечить подачу необходимого количества разреженного воздуха земной атмосферы из набегающего потока в ионизационную камеру двигателя.

Ученые установили, как геометрические параметры воздухозаборника, ориентация аппарата относительно набегающего потока и свойства материалов его поверхности влияют на компрессию газа в нем.

Исследование проводилось в целях решения задачи по освоению сверхнизких орбит Земли. В нем приняли участие специалисты физического факультета, механико-математического факультета и факультета космических исследований в рамках НОШ МГУ «Фундаментальные и прикладные исследования космоса».

Результаты исследования были представлены в статье «Моделирование течения разреженного газа внутри воздухозаборника спутника на сверхнизкой околоземной орбите» (Simulation of rarefied gas flow inside the satellite air intake in ultra-low Earth orbit), опубликованной в журнале Acta Astronautica.

Движущийся на сверхнизких орбитах космический аппарат испытывает заметное аэродинамическое сопротивление воздуха. Чтобы его компенсировать, двигателю требуется определенное количество рабочего тела. Для такого спутника его предполагается формировать из атмосферного газа, который забирается воздухозаборником, ионизируется, разгоняется и выбрасывается с огромной скоростью через сопло двигателя, создавая необходимую тягу.

Доцент кафедры инженерной механики и прикладной математики механико-математического факультета МГУ Артем Якунчиков рассказал о проведенном исследовании:

«Мы рассмотрели вариант, когда рабочее тело для двигателя собирается прямо из набегающего потока. Для этого аппарат оснащается воздухозаборником, основная задача которого состоит в обеспечении необходимого потока и плотности газа в ионизационной камере двигателя. Мы указали на существующие в литературе принципиальные ошибки при моделировании таких течений, а также показали некорректность рассмотрения воздухозаборника в отрыве от следующих за ним элементов внутреннего тракта аппарата».

Аэродинамическую задачу ученые решали, используя метод событийного молекулярно-динамического моделирования в трехмерной постановке. При этом поток набегающего газа описывался как миллионы молекул с параметрами, соответствующими параметрам атмосферы на высоте 140 км. Моделировалось взаимодействие этих молекул с элементами конструкции аппарата и между собой.

Моделирование позволило получить поля всех термодинамических параметров внутри воздухозаборника и в области предполагаемой ионизации, а также силы и тепловые потоки ко всем поверхностям.

В результате исследователи смогли сделать для таких систем несколько важных выводов о геометрических параметрах воздухозаборника, влиянии на компрессию и расход газа рассеяния молекул на поверхностях аппарата и угла атаки.