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

Настоящий имперец Настоящий имперец

Ни один другой немецкий политик не был использован так сильно, как Бисмарк

Дилетант
Как победить прокрастинацию Как победить прокрастинацию

Не можете избавиться от привычки откладывать дела на потом?

ТехИнсайдер
Альфа-самцы павианов потратили много энергии на поддержание альфа-статуса Альфа-самцы павианов потратили много энергии на поддержание альфа-статуса

Как ранг доминирования влияет на здоровье и физиологию животного

N+1
«Я человек чувства» «Я человек чувства»

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

OK!
Komatsu показала лунный экскаватор и подводный бульдозер Komatsu показала лунный экскаватор и подводный бульдозер

Подводный электрический робобульдозер и макет лунного беспилотного экскаватора

N+1
Британская жемчужина Британская жемчужина

О яхте Pearl 82 без пафосных слов

Y Magazine
Раскрыт нейронный механизм, который связывает рабочую и долговременную память Раскрыт нейронный механизм, который связывает рабочую и долговременную память

Ученые нашли нейроны гиппокампа, которые отвечают за рабочую и долгую память

ТехИнсайдер
Евгений Леонов боялся только одного: потерять жену Евгений Леонов боялся только одного: потерять жену

О Евгении Леонове вспоминали люди, знавшие его по гастролям, съемкам, театру...

Караван историй
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
Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете

Две частные фирмы запустили аппараты на Луну в ракете SpaceX Falcon 9

ТехИнсайдер
5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников 5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников

Пять фактов о домашнем насилии, которые важно знать каждому

Psychologies
Кто так обзывается Кто так обзывается

Почему у ребенка возникает желание дать кличку сверстнику?

Лиза
Секс в положении Секс в положении

Как будущей маме получать удовольствие в постели и не навредить малышу

Лиза
Игорь Пасечник Игорь Пасечник

Стоит ли восстанавливать давно разрушенное?

Собака.ru
«На съемках фильма «Любовь и Голуби». Мы были как одна большая семья» «На съемках фильма «Любовь и Голуби». Мы были как одна большая семья»

Как же снималась картина Владимира Меньшова? Рассказывает Лада Сизоненко

Караван историй
5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией 5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией

Замаскированная жесткость, которая причиняет мужчинам боль

Psychologies
Михаил Мильчик Михаил Мильчик

Михаил Мильчик провел в Ленинграде первую, самую страшную, блокадную зиму

Собака.ru
Как избавиться от врастающих волос на теле Как избавиться от врастающих волос на теле

Почему волосы врастают в кожу и можно ли с этим что-то сделать?

VOICE
Разбитое сердце Брэда Питта Разбитое сердце Брэда Питта

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

Караван историй
Бодрое утро Бодрое утро

8 завтраков, которые быстро разбудят организм

Лиза
Под Землей есть две «горы», которые в 100 раз выше Эвереста! Интересные факты Под Землей есть две «горы», которые в 100 раз выше Эвереста! Интересные факты

Под поверхностью Земли, глубоко в недрах, скрыты гигантские «горы», пишут ученые

ТехИнсайдер
«Порочная королева»: как мораль XVI века приводила женщин на казнь за измену мужу «Порочная королева»: как мораль XVI века приводила женщин на казнь за измену мужу

Отрывок из романа «Порочная королева» о жене Генриха XVIII, Кэтрин Говард

Forbes
«Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста «Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста

Актер Никита Ефремов — про буддистский взгляд на мир и работу в Голливуде

Psychologies
Почему уличные фонари в основном излучают желтый и оранжевый свет? Почему уличные фонари в основном излучают желтый и оранжевый свет?

Почему цвет фонарей на улицах не меняют уже столько лет?

ТехИнсайдер
Кубиты любят тишину Кубиты любят тишину

Чем квантовый компьютер лучше классического?

Наука и жизнь
Новый роман Новый роман

7 черт партнера, которые должны насторожить в начале отношений

Лиза
Дочь Михаила Ульянова: «От гнева папы я падала в обморок» Дочь Михаила Ульянова: «От гнева папы я падала в обморок»

Вокруг нашей семьи часто слагали какие-то легенды

Коллекция. Караван историй
Звуковой удар Звуковой удар

Датчанин Торбен Ульрих – один из самых оригинальных игроков в истории тенниса

Ведомости
Грибной сезон Грибной сезон

Адаптогены на страже красоты: изучаем баночки и ищем правильные ингредиенты

Лиза
«Сигма-сигма бой»: о чем эта песня и почему она стала хитом во всем мире? «Сигма-сигма бой»: о чем эта песня и почему она стала хитом во всем мире?

«Сигма-сигма бой» стала хитом на мировых стримингах. В чем секрет успеха песни

Psychologies
Открыть в приложении