Межпланетные полеты и доставка грузов на мкс могут стать дешевле

Источник фото: ru.123rf.com

Исследователи СПбГУ разработали программный комплекс PAINeT. Он поможет уточнить расчеты, необходимые инженерам при проектировании тепловой защиты, чтобы уменьшить массу многоразовых космических летательных аппаратов, что, в свою очередь, позволит снизить стоимость транспортировки грузов в космос.

По данным СМИ, одной из важных целей нацпроекта по развитию космической отрасли страны является снижение стоимости выведения на орбиту одного килограмма полезного груза с 500 тысяч рублей до 200 тысяч рублей к 2036 году.

Ученые СПбГУ разработали программный комплекс PAINeT, который поможет это осуществить. Благодаря ему инженеры смогут уточнить расчеты тепловой нагрузки и спроектировать облегченную тепловую защиту многоразовых космических аппаратов. За счет этого уменьшится масса корабля, в него станет возможным загрузить больше припасов, следовательно, за прежнюю цену получится отправить больше полезного груза. Таким образом, себестоимость доставки в космос одного килограмма снизится.

Как рассказал Владимир Андреевич Истомин, руководитель проекта, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра гидроаэромеханики), тепловая защита нужна, чтобы аппарат не разрушился от перегрева (например, при входе в атмосферу или во время движения на высоте 10−20 км от Земли). При проектировании тепловой защиты надо учитывать множество физико‑химических процессов, которые приводят к неравновесностям (отклонениям от термодинамического и физико-химического равновесия. — Прим. ред.) в потоках высокотемпературных смесей атмосферных газов.

До недавнего времени эффекты неравновесности газов не учитывались, а инженеры усредняли доступные экспериментальные сведения и проводили необходимые расчеты по приближенным формулам.

Программный комплекс PAINeT позволит получить точные результаты. Он включает несколько расчетных модулей и баз данных, в том числе отдельный модуль обучения нейросети для ускорения расчетов. 

У разработанного нами программного комплекса уникальная архитектура, в которой объединены точные кинетические модели и возможности алгоритмов. По этой причине PAINeT работает быстрее и лучше, чем аналоги, — подчеркнул исследователь.

По словам Владимира Истомина, несмотря на большое количество существующих сегодня программ, не все из них могут предоставить пользователю «из коробки» сразу весь спектр необходимых инструментов, а также спектроскопических данных. Например, один из известных сегодня аналогов PAINeT можно использовать для расчета коэффициента переноса, но только без учета электронного возбуждения молекул на верхних электронных уровнях. 

А это важно при определении тепловых потоков, а значит, и при конструировании тепловой защиты летательного аппарата, — подчеркнул Владимир Истомин. — Чтобы дополнить данные, специалист должен потратить время на доработку программы. При этом доработка не будет гарантировать, что он получит расчеты требуемой точности, в частности, из-за непригодности используемой в основе модели. Кроме того, доработанная программа может проводить расчеты долго.

В отличие от конкурентов PAINeT использует детальные кинетические модели вместе с базами данных и средствами ускорения в виде обучения нейросетей. Это дает возможность быстро узнавать о физических свойствах, макропараметрах, коэффициентах переноса и всех остальных необходимых характеристиках.

Разработка ученых СПбГУ может использоваться конструкторами аэрокосмических предприятий в расчетах тепловых нагрузок при проектировании многоразовых кораблей для доставки грузов на МКС и в дальнейшем на российскую орбитальную станцию, а также при подготовке полетов к другим небесным объектам.

Кроме того, программный комплекс может быть полезен инженерам, которые проектируют высокоскоростные летательные аппараты, в том числе гиперзвуковые, осуществляющие полет в плотных слоях атмосферы (на высоте 10−50 км). Конечно, PAINeT пригодится и при проведении научных исследований.

Еще больше расширяет возможности применения разработки тот факт, что модули и базы данных комплекса могут использоваться отдельно в различных вычислительных инженерных программах для повышения точности вычислений.

Работа проведена в рамках грантов РНФ «Разработка программного комплекса для расчета макропараметров, коэффициентов переноса и потоковых членов в различных задачах газодинамики с учетом влияния сильной неравновесности, химических реакций, ионизации и электронного возбуждения» и «Применение методов машинного обучения при моделировании физико-химических процессов в задачах газодинамики».