Межпланетные полеты и доставка грузов на МКС могут стать дешевле
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».
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: WikiImages / Pixabay
Разместила: Наталья Сафронова