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

Герман на холме Герман на холме

Поколениями немцы пытались представить, от кого Арминий мог освободить Германию

Дилетант
20 привычек, которые помогут прокачать себя 20 привычек, которые помогут прокачать себя

Почему так важно, чтобы привычки были здоровыми и полезными?

Psychologies
«Я человек чувства» «Я человек чувства»

Всё, за что берется Анна Тихомирова, она старается доводить до идеала

OK!
Что получится, если скрестить автомобиль с коптером: концепт первой отечественной летающей машины Что получится, если скрестить автомобиль с коптером: концепт первой отечественной летающей машины

Футуристические идеи о летающем транспорте могут обрести материальную форму

ТехИнсайдер
18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали 18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали

Эти всем известные и даже знаменитые актеры умерли в 2024 году

Maxim
К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз

Как и почему растет «гадательный» сегмент в тиражах издательств?

Forbes
История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций

История гибрида, обнаруженного в природе спустя столетие после его создания

Наука и жизнь
Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике

Арктика может стать предметом не только споров, но и открытого столкновения

Forbes
Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера

Как понять, что с незнакомого номера звонит злоумышленник?

ТехИнсайдер
В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей

Ученые проанализировали больше тысячи фрагментов костей из грота Мандрен

N+1
Первое собеседование в жизни: правила успеха Первое собеседование в жизни: правила успеха

Как подготовиться к собеседованию, особенно к первому в жизни

Psychologies
Бородатый анекдот Бородатый анекдот

«Почему, чёрт возьми, развалился Советский Союз?»

Дилетант
Грибной сезон Грибной сезон

Адаптогены на страже красоты: изучаем баночки и ищем правильные ингредиенты

Лиза
Как стирать флисовые вещи, чтобы сохранить их мягкость и тепло: полезные советы Как стирать флисовые вещи, чтобы сохранить их мягкость и тепло: полезные советы

Как правильно стирать флисовые вещи, чтобы сохранить их первоначальные качества

ТехИнсайдер
Как проверить, что ИИ достиг уровня интеллекта человека Как проверить, что ИИ достиг уровня интеллекта человека

Как понять, на каком уровне развития находится искусственный интеллект?

ТехИнсайдер
Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение

Мифы о вампирах могут иметь реальную медицинскую основу

ТехИнсайдер
Знаковое место Знаковое место

Стильный, функциональный, авторский интерьер в духе timeless

SALON-Interior
Обзор Suzuki SX4: плюсы и минусы, комплектации, вторичка Обзор Suzuki SX4: плюсы и минусы, комплектации, вторичка

Все о Suzuki SX4: поколения, есть ли полный привод, сколько стоит

РБК
Что такие кислые Что такие кислые

В авангарде бьюти-индустрии сегодня кислоты

Лиза
Разбитое сердце Брэда Питта Разбитое сердце Брэда Питта

Каково будущее у Брэда Питта, который в 61 год должен строить жизнь заново?

Караван историй
Микроскопическая угроза Микроскопическая угроза

Ученые СПбГУ изучают сверхмелкий космический мусор

Санкт-Петербургский университет
Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен

Что такое тест СМИЛ и как его проходить правильно

РБК
Катя Кабак. Единственное, чего можно с уверенностью ждать от жизни, — это изменений Катя Кабак. Единственное, чего можно с уверенностью ждать от жизни, — это изменений

Я давно поняла, что нет никакого смысла пытаться что-то объяснить. Зачем?

Караван историй
LoveGPT: как искусственный интеллект меняет приложения для знакомств и сферу отношений LoveGPT: как искусственный интеллект меняет приложения для знакомств и сферу отношений

AI уже добрался до человеческих отношений, но пока не установил власть над ними

СНОБ
Страх одиночества Страх одиночества

В чем причины изолофобии и как с ней справиться

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
Плавучие концлагеря Третьего Рейха: Печальный конец Плавучие концлагеря Третьего Рейха: Печальный конец

Об эвакуации главных концлагерей в связи с приближением британских войск

Наука и техника
Третье дыхание Третье дыхание

Уникальная профессия на стыке агронауки и арт-театра – садовая археология

Afternoon Seasons of life
Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей

Как Наталья Кремнева, несмотря на инвалидность, запустила свое медиа

Forbes
Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача

Можно ли привести себя в форму всего за шесть дней?

РБК
Открыть в приложении