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

Грозные «молодцы» мчались по рельсам Грозные «молодцы» мчались по рельсам

Рассвет и закат боевого железнодорожного ракетного комплекса (БЖРК)

Наука и техника
Что о вас может сказать ваша толерантность к остроте, и как ее повысить Что о вас может сказать ваша толерантность к остроте, и как ее повысить

Почему острое может быть полезным и как повысить свою переносимость остроты?

ТехИнсайдер
Царство янтаря: Самые удивительные находки из бирмита Царство янтаря: Самые удивительные находки из бирмита

О нескольких удивительных находках, обнаруженных в бирмитах

Наука и техника
Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”» Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”»

Что для Фрэнсиса Форда Копполы значит его фильм «Мегалополис»

Правила жизни
Первая иранская женщина-министр: история Фаррухру Парсы Первая иранская женщина-министр: история Фаррухру Парсы

Фаррухру Парса была первой женщиной в Иране, занявшей пост министра

ТехИнсайдер
Good Day Today. До свидания, Дэвид Линч Good Day Today. До свидания, Дэвид Линч

Дэвид Линч был человеком без возраста и с особым чувством юмора

СНОБ
«Поговорите со своим страхом»: 3 совета, как психологически подготовиться к смене работы «Поговорите со своим страхом»: 3 совета, как психологически подготовиться к смене работы

Разбираемся, как безболезненно сменить род или место деятельности

Psychologies
«Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране «Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране

Иностранные триллеры, ужасы и мелодрамы, снятые в России

ТехИнсайдер
Колбаса и хлеб на ветках: топ необычных деревьев с самыми странными плодами Колбаса и хлеб на ветках: топ необычных деревьев с самыми странными плодами

Могут ли на деревьях расти огурцы?

ТехИнсайдер
Актеры на стиле Актеры на стиле

Восемь советских артистов, которые вдохновляли своими оригинальными образами

Лиза
50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения 50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения

О чем спросить человека, чтобы действительно узнать его лучше?

Psychologies
«Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча «Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча

Фильмы (и один сериал), которые нужно увидеть чтобы понять, кто такой Дэвид Линч

Forbes
Рецепт ее молодости Рецепт ее молодости

Когда мне было 12 лет, по телевизору показали фильм «Рецепт ее молодости»

Afternoon Seasons of life
Анжелина Воронцова: «Красивые линии, музыкальность и способность передавать телом эмоции — то, чем русский балет покорил мир» Анжелина Воронцова: «Красивые линии, музыкальность и способность передавать телом эмоции — то, чем русский балет покорил мир»

Прима-балерина Михайловского театра — о феномене «Щелкунчика»

СНОБ
Убийцы кораблей Убийцы кораблей

Современные противокорабельные ракеты

Обозрение армии и флота
От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами

Forbes Life рассказывает о нематериальных способах поддерживать НКО и фонды

Forbes
5 признаков того, что ваши отношения функциональны, но лишены любви 5 признаков того, что ваши отношения функциональны, но лишены любви

Кажется, что в ваших отношениях чего-то не хватает?

Psychologies
Что такое психогенное переедание, или binge eating Что такое психогенное переедание, или binge eating

Психогенное переедание: как его распознать и можно ли вылечить?

ТехИнсайдер
«Тупому и еще тупее» с Джимом Керри 30 лет. Как эта дурацкая комедия на грани стала знаковой и любимой «Тупому и еще тупее» с Джимом Керри 30 лет. Как эта дурацкая комедия на грани стала знаковой и любимой

«Тупому и еще тупее»: история создания фильма и его значимость для жанра

Правила жизни
«Мерило успеха — это время»: музыкант Boulevard Depo о новом альбоме и русском рэпе «Мерило успеха — это время»: музыкант Boulevard Depo о новом альбоме и русском рэпе

Boulevard Depo — об отношении к успеху и вдохновении

Forbes
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика

Гид по лимоновской прозе

РБК
El Copitas. 10 лет выдержки! El Copitas. 10 лет выдержки!

Верховые барные деятели Петербурга раскачали питейную индустрию всей страны

Собака.ru
Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа

Удивительные встречи. Одно из таких знакомств — с путешественником Юрием Лыхиным

Seasons of life
Казахстан как ключевая станция на новом Шелковом пути Казахстан как ключевая станция на новом Шелковом пути

Минувшим летом отношения Казахстана с Китаем преодолели знаковый рубеж

Обозрение армии и флота
Слепая правота Слепая правота

Ни в чем не сомневающиеся герои и что с ними не так

Weekend
Повеяло Повеяло

Техника по-пионерски плюс комфорт по-буржуински

Автопилот
Радужные перспективы Радужные перспективы

Увидеть радугу посреди зимы – добрая примета. Но что именно она сулит?

Лиза
Всё идёт по плану Всё идёт по плану

Сегодня не все задумываются о контрацепции в период пременопаузы. А зря...

Новый очаг
Банкир всех штатов Банкир всех штатов

Как Амадео Джаннини создал Bank of America

Деньги
Открыть в приложении