Исследование тепловой защиты аппарата миссии ЭкзоМарс-2020

Исследование тепловой защиты аппарата миссии ЭкзоМарс-2020
В настоящее время в Центре теплообмена и аэрогазодинамики ФГУП ЦНИИмаш проводится отработка тепловой защиты десантного модуля (ДМ) миссии ЭкзоМарс-2020 совместного проекта Госкорпорации «Роскосмос» и Европейского космического агентства по исследованию Марса.
Космическому аппарату (КА) предстоит доставить на поверхность Красной планеты посредством российской посадочной платформы (ПП) европейский марсоход - ровер. В ЦНИИмаш на высокочастотном индукционном плазмотроне (ВЧ-плазмотрон) проходят испытания тепловой защиты десантного модуля в условиях имитации атмосферы Марса. Тестируются теплозащитные пакеты аэродинамического экрана (АЭ) и заднего кожуха (ЗК) аппарата, внутри которого будут размещены ровер и посадочная платформа.
Пресс-служба ФГУП ЦНИИмаш отметила, что условия входа в марсианскую атмосферу очень жёсткие: температура торможения газа около аппарата порядка десяти тысяч градусов и пылевые бури грозят десантному модулю крайне неблагоприятными последствиями. Поэтому на этапе экспериментальной отработки конструкции должно быть проверено всё оборудование до мельчайших составляющих.
Десантный модуль имеет специально рассчитанную форму внешних обводов для аэродинамической устойчивости аппарата при спуске в атмосфере Марса. При входе в плотные слои его поверхность неизбежно будет нагреваться. Во время экспериментальной отработки в потоке плазмы на ВЧ-плазмотроне в ЦНИИмаш реализуются такие же параметры, как и в атмосфере Марса, что позволяет достаточно точно воспроизвести внешнее воздействие раскалённых газов на тепловую защиту модуля. В ходе испытаний отрабатываются различные материалы теплозащитного покрытия (ТЗП), основная функция которых заключается в сбросе избыточного тепла с поверхности десантного модуля - в процессе нагрева они испаряются и тем самым не дают самому аппарату нагреться до критических температур. При достижении определённой высоты аэродинамический экран сбрасывается и далее спуск десантного модуля происходит уже на парашюте.

Теплозащитный пакет поверхности десантного модуля состоит из различных материалов, каждый из которых выполняет свою функцию. Если часть теплозащитного покрытия в процессе спуска сгорает, испаряется и уносится, то другая составляющая теплозащитного пакета – полые стеклосоты, обладающие низким коэффициентом теплопроводности – призвана сдерживать распространение тепла: при температуре на наружной поверхности аппарата до 1000°С внутри десантного модуля должны сохраняться допустимые для работы приборов температуры.
Особо тщательно на максимально неблагоприятных режимах нагрева и углах атаки при входе в плотные слои, которые могут ожидать десантный модуль в атмосфере Марса, отрабатывается стык аэродинамического экрана и заднего кожуха. Ведь если задний кожух не обеспечит герметичность, то раскалённые газы через зазор проникнут внутрь десантного модуля, и тогда посадочная платформа и ровер будут уничтожены ещё до посадки.
Уплотнение стыка осуществляется при помощи специального резинового кольца. Сам стык закрыт, его обтекание потоком газа происходит в режиме вязкого течения и, согласно решению уравнений Навье-Стокса, максимально высокие температуры не должны достигнуть резинового уплотнения. Тем не менее, надо иметь твёрдую уверенность в том, что конструкция стыка надёжно защищена, резина не сгорит и сохранит свои изоляционные свойства в экстремальных условиях спуска.
На ВЧ-плазмотроне воспроизводится течение плазмы, максимально близкое к реальному, которое будет создаваться в потоке газов марсианской атмосферы у поверхности десантного модуля. Условия испытаний проверены с помощью предварительного численного моделирования, систематически проводится диагностика плазмы в рабочей камере ВЧ-плазмотрона на соответствие натурным лётным параметрам, которая даёт положительные результаты.
Вход космического аппарата в атмосферу Марса по скоростным характеристикам будет протекать несколько легче, чем при подобном спуске на Землю, даже с орбитальной скоростью. Атмосфера Красной планеты в основном состоит из углекислого газа (CO2), который при разложении образует кислород, способствующий процессу горения теплозащитного покрытия. Молекулы CO2 обладают большим количеством уровней энергии (электронной, колебательной, вращательной), между которыми возможны переходы с излучением квантов света, что даёт высокий лучистый тепловой поток на поверхность десантного модуля. В этом заключается особенность спуска аппарата в атмосфере Марса, которая учитывается при численном расчёте тепловых потоков на поверхность ДМ и экспериментальной отработке конструкции в ЦНИИмаш.

Справочная информация:
Совместный проект ЭкзоМарс Госкорпорации «Роскосмос» и Европейского космического агентства по исследованию Марса достаточно успешно развивается с 2013 года.
14 марта 2016 года ракетой-носителем «Протон-М» в космос был выведен космический аппарат миссии ЭкзоМарс-2016, в состав которого входили орбитальный модуль TGO и демонстрационный посадочный модуль «Скиапарелли». Разгонный блок «Бриз-М» благополучно придал КА необходимый импульс, который задал движение к Красной планете.
В октябре 2016 года ТGO прибыл на орбиту Марса, а затем в апреле 2018 года вышел на рабочую круговую орбиту высотой 400 километров над планетой. Специалисты международной миссии провели калибровку его научной аппаратуры для проведения научных экспериментов и аппарат приступил к выполнению своей научной программы. Он уже передал на Землю первые результаты -  снимок, на котором изображена часть кратера Королёва с ледяным покровом на скальном гребне
Следующий этап совместной миссии будет реализован в 2020 году. Он состоит из российского спускаемого модуля, оснащенного научными приборами, который будет гарантировать мягкую посадку  и европейского  марсохода-ровера с полезной нагрузкой «Пастер». Посадочная платформа и марсоход  будут использовать TGO  для связи с Землей.