Щит для стабилизации космических аппаратов

Санкт-Петербургский университетНаука

Защита двойного назначения

Специалисты Университета ищут способы использования антирадиационного щита для управления вращением искусственных спутников Земли, чтобы обеспечить их бесперебойную работу.

Автор: Екатерина Заикина

Freepik

З а более чем 50 лет количество искусственных спутников на орбите Земли увеличилось с одного до почти 20 000. Однако ученые по-прежнему пытаются решить задачу обеспечения безопасности полета этих космических летательных аппаратов. Исследователи из СПбГУ также занимаются этой проблемой. Они анализируют, как можно стабилизировать специальные режимы движения искусственных спутников Земли, особенно тех, что снабжены противорадиационным экраном.

Отпор зарядом

Защита от излучения в космосе была одной из главных задач с самого начала космических исследований. На Земле от него нас спасает магнитное поле, но чем дальше от поверхности планеты, тем оно слабее.

«К сожалению, хорошего способа уберечься от радиации в космосе до сих пор нет. На Земле все проще: например, во время проведения рентгена, чтобы уберечь организм, используют свинцовый фартук. В космос такой фартук не возьмешь, да и в целом какой-то тяжелый материал туда отправлять нецелесообразно. Гораздо эффективнее использовать методы активной защиты», — рассказывает Алексей Александрович Тихонов, профессор СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики).

Как рассказал ученый, на корпусе любого аппарата в космосе находится плазма, которая состоит из заряженных частиц. Можно сказать, что она образуется самопроизвольно. Еще в 1970-е годы отечественные ученые предположили, что если поддерживать у этой плазменной мантии нужный заряд, тем самым создав магнитное поле, то ее возможно использовать как антирадиационный щит.

Эту задумку реализовали. Такой щит был создан и назван электростатическим экраном. Он представляет собой легкий каркас с натянутой на него тонкой металлизированной пленкой, которая несет заряд. «Бывают варианты, когда экран конструируют из диэлектрика, то есть из материала, не проводящего ток. В этом случае он имеет сложную форму, так как его собирают на Земле, как мозаичную картину, из отдельных заряженных элементов», — приводит пример Алексей Тихонов.

Как рассказал ученый, когда космический аппарат в космосе движется с электростатическим экраном, последний взаимодействует с магнитным полем Земли и провоцирует возникновение моментов магнитного взаимодействия и лоренцевых сил (действуют на заряженную частицу во внешнем электромагнитном поле. — Прим. ред.). На орбитальную, то есть заданную человеком, траекторию их влияние невелико, а вот на движение в специальных режимах (вращение аппарата вокруг центра масс) очень существенное.

По словам ученого, возникающие моменты сил можно рассмотреть не как мешающий фактор, а наоборот — как полезный. В Санкт-Петербургском университете Алексей Тихонов вместе с коллегами занимался этой темой довольно долго. Полученные в ходе работы знания ученые использовали в своем новом исследовании, которое они проводят в рамках гранта Российского научного фонда № 24-21-00104 «Управление вращательным движением и стабилизация специальных режимов функционирования ИСЗ, взаимодействующих с геомагнитным полем».

Алексей Александрович Тихонов, профессор СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики). Максим Халанский

Правильный момент

Большую часть времени аппараты в космосе движутся в так называемых простых режимах, то есть, например, находятся в положении равновесия в орбитальной системе координат. Способы стабилизации такого движения хорошо изучены и применяются, в частности, для Международной космической станции (МКС).

По словам исследователя, специальные режимы функционирования космического аппарата — это сложные режимы вращения, нужные для обеспечения в том числе более безопасных условий функционирования корабля. Ведь в космосе на него оказывают влияние многие факторы. Например, перепады температуры. Из-за них может произойти перегрев или повреждение какой-либо системы, что подвергнет риску продолжение миссии. «С одной стороны корабль нагревается за счет солнечного света до +100 °С, а с теневой стороны он охлаждается до -100 °С. Образующийся на корпусе градиент температур способен вызвать поверхностные деформации, которые потом могут привести к трещинам и разрушению обшивки аппарата, — рассказывает Алексей Тихонов. — Если же космический спутник постоянно немного поворачивать вокруг одной оси, он будет равномерно освещаться Солнцем, и резкого перепада температур не возникнет. Это один из уже существующих специальных режимов движения (как для ИСЗ с электростатическим экраном, так и без него) — двухосная закрутка».

Этот режим может быть реализован с помощью моментов магнитного взаимодействия и лоренцевых сил. В своих предыдущих исследованиях ученые СПбГУ выяснили, что при их совместном действии нивелируются недостатки, присущие каждому моменту по отдельности.

В рамках реализуемого сейчас проекта специалистам Университета удалось найти новые теоретические подходы для стабилизации других специальных режимов ИСЗ с антирадиационным щитом. Они уже провели часть математических расчетов, учитывая при этом сложную модель геомагнитного поля, и смогли создать несколько специальных алгоритмов. Проведенное компьютерное моделирование показало, что выведенные формулы движения могут быть эффективно применены на практике.

Антирадиационный щит выглядит как тонкая заряженная пленка вокруг космического аппарата. Freepik

Все сходится в центре

Электромагнетизм и лоренцевы силы — только два примера тех физических сил, влияние которых становится важным при движении космического спутника с электростатическим экраном. Но есть и д ругие, эффект от которых также интересует исследователей СПбГУ. Например, гравитация и создаваемый ею г равитационный момент. На Земле мы не способны его заметить, а в космосе он очень ощутим.

«Наше гравитационное поле центральное, его силовые линии сходятся в центре Земли. Мы не чувствуем этого, но уровень гравитации разный даже в одной комнате, — рассказывает Алексей Тихонов. — Эта неоднородность гравитационного поля приводит к тому, что любой объект в нем испытывает гравитационный момент, за счет чего стремится немного повернуться».

Как рассказал ученый, самый простой пример, который это иллюстрирует, — Луна. Она все время одной стороной смотрит на Землю — именно потому, что «поймана» гравитационным моментом и держится в положении равновесия.

«Точно так же можно „поймать“ космический аппарат. Например, так в околоземном пространстве удерживается уже у помянутая МКС», — отмечает Алексей Тихонов.

В недавних работах ученые СПбГУ изучили влияние гравитационного момента вместе с моментами магнитного взаимодействия и сил Лоренца на движение искусственного спутника по эллиптической орбите. Исследователи предложили алгоритм стабилизации аппарата в этой ситуации и успешно подтвердили его работоспособность с помощью компьютерного моделирования.

Два в одном

Важно отметить, что ученые Санкт-Петербургского университета первыми во всем мире начали изучать эффект от моментов магнитного взаимодействия и сил Лоренца, показали его важность и способствовали тому, что сейчас ему уделяется большое внимание.

По словам Алексея Тихонова, сегодня интерес мировых исследователей высок также и к электростатической защите аппаратов. Вероятно, это связано с планами по запуску космических миссий с астронавтами на Марс и Луну. «Понятно, почему мир снова обратился к такому методу антирадиационной защиты — он может выполнять двойную роль, — подчеркивает ученый. — Во-первых, предохранять от негативного эффекта космической радиации. Во-вторых, выполнять роль элемента системы управления и стабилизации. Особенно это будет важно в случае больших космических кораблей и орбитальных станций. Используя электростатический экран, мы оказываемся в выигрышной позиции, так как совмещаем в одной конструкции две очень важные функции. Такое в космической отрасли очень ценно».

МКС в околоземном пространстве удерживает гравитационный момент. Роскосмос

Кстати

Искусственный спутник Земли — это космический аппарат, выведенный на орбиту вокруг Земли и совершивший не менее одного оборота. Запуск первого искусственного спутника Земли был осуществлен в СССР 4 октября 1957 года.

Интересно

В космосе, как и на Земле, есть большое количество мусора. Ученые СПбГУ разработали способ и устройство для его бесконтактной уборки. Подробнее об этом читайте в журнале «Санкт-Петербургский университет» № 6 за 2023 год в статье «Космический уборщик».

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Умный швед Умный швед

Службу престолу и Отечеству Эрнест Левстрём нёс ответственно

Дилетант
Аномальный эффект Холла обнаружили в трехслойном скрученном графене Аномальный эффект Холла обнаружили в трехслойном скрученном графене

Ученые обнаружили спонтанное возникновение эффекта Холла в в образце графена

N+1
Жить в удовольствие: как парфюмер Оливье Кресп создает ароматы из маленьких слабостей Жить в удовольствие: как парфюмер Оливье Кресп создает ароматы из маленьких слабостей

Парфюмер Оливье Кресп — насколько сложно развивать свою парфюмерную марку?

Forbes
Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму» Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму»

Как справиться с чувством беспомощности? Объясняет Альфрид Лэнгле

Forbes
Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения

Ученые предложили разделить ожирение на две различные формы

N+1
Постельные сцены Постельные сцены

14 фактов о сне, которые сделают твои ночи комфортнее

Лиза
Кто так обзывается Кто так обзывается

Почему у ребенка возникает желание дать кличку сверстнику?

Лиза
Олег Маловичко: Мы живем в мире Пелевина, Гоголя, Булгакова, Кустурицы Олег Маловичко: Мы живем в мире Пелевина, Гоголя, Булгакова, Кустурицы

Почему у «Трассы» нет хеппи-энда и в чем «Лихие» спорят со «Словом пацана»?

Ведомости
Красная и белая Красная и белая

Как выбрать качественную консервированную фасоль

Лиза
Книга навсегда Книга навсегда

Как Патриция Дзерби создала новый вид литературы — «тихую книгу», Silent Воок

Afternoon Seasons of life
Дмитрий Леонтьев: TANK 500 – 300 лошадей и странная реклама Дмитрий Леонтьев: TANK 500 – 300 лошадей и странная реклама

TANK 500: Бензиновый внедорожник, в котором, если порыться, можно найти гибрид

4x4 Club
«Не романтик никогда не захочет в плавание» «Не романтик никогда не захочет в плавание»

Михаил Кожухов полюбил море и не представляет теперь без него своей жизни

Y Magazine
Под контролем алгоритмов Под контролем алгоритмов

Как улучшить спутниковую связь и интернет

Санкт-Петербургский университет
Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени

Режиссер Валерий Фокин — о библейских текстах и вкусах современного зрителя

Ведомости
Палены Палены

Потомки немецких рыцарей фон дер Палены находились на русской службе с XVIII в.

Дилетант
Кушать подано! Кушать подано!

Чем кормить птиц и белок зимой

Лиза
Марсианин и хроники Марсианин и хроники

Новый сериал о спецагентах с человеческим лицом и скромным бюджетом

Weekend
В здоровых ли вы отношениях? Проверьте по 13 пунктам опросника В здоровых ли вы отношениях? Проверьте по 13 пунктам опросника

Как выглядит союз, к которому стоит стремиться?

Psychologies
3 шага, чтобы из любовного треугольника снова сделать пару 3 шага, чтобы из любовного треугольника снова сделать пару

В каждом любовном треугольнике есть третья сторона — и с ней нужно расстаться

Psychologies
«Хризапелия прыгает с ветки, расправив ребра» «Хризапелия прыгает с ветки, расправив ребра»

Где живут, чем питаются и как летают змеи — и почему у них раздвоенный язык

Weekend
Маргарет Этвуд и Миучча Прада: женщины, которые вошли в рейтинг 50 Over 50 Forbes USA Маргарет Этвуд и Миучча Прада: женщины, которые вошли в рейтинг 50 Over 50 Forbes USA

Некоторые из тех, кто доказывает, что возраст — не помеха достижениям

Forbes
Секрет безупречного внешнего вида: 3 устройства, которые избавят вещи от складок Секрет безупречного внешнего вида: 3 устройства, которые избавят вещи от складок

Есть три прибора, которые позволяют убрать складки на одежде без усилий

CHIP
Тайна единорога Тайна единорога

«Дама с единорогом»: почему чувств пять, а гобеленов, посвященных им, – шесть?

Вокруг света
Быстрее, выше, дешевле: как Маск и Безос делят космос Быстрее, выше, дешевле: как Маск и Безос делят космос

Илон Маск против Джеффа Безоса: кто успешнее осваивает космос?

Forbes
Увидимся летом в Бушети! Увидимся летом в Бушети!

Шалва Амонашвили и Артём Соловейчик о возрасте, памяти, учителях и учениках

Afternoon Seasons of life
Почему фильм «Крейвен-охотник» о супергерое с русскими корнями провалился в прокате Почему фильм «Крейвен-охотник» о супергерое с русскими корнями провалился в прокате

Почему экранизация комикса с саундтреком-колыбельной провалился в прокате

Forbes
От хлебного бунта до «банановых республик»: как еда меняла историю От хлебного бунта до «банановых республик»: как еда меняла историю

Как блюда и продукты становились поводами для войн и революций

Forbes
Новый роман Новый роман

7 черт партнера, которые должны насторожить в начале отношений

Лиза
Микровселенные богатых династий: как возник итальянский Ренессанс Микровселенные богатых династий: как возник итальянский Ренессанс

Отрывок из книги Антонио Паолуччи «Итальянское искусство. 1000 лет истории»

Forbes
Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога

Проверенные техники для борьбы с тревогой и укрепления уверенности в себе

Psychologies
Открыть в приложении