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

«Амазонки» Сталина «Амазонки» Сталина

Уникальное женское соединение из СССР со сложной служебно-боевой судьбой

Дилетант
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
«Осторожно, в небе металлолом» — Что делают со старыми авиалайнерами «Осторожно, в небе металлолом» — Что делают со старыми авиалайнерами

Почему пассажирские авиалайнеры так рано списывают?

ТехИнсайдер
Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов

Детский снегоход: чем он отличается от обычного и как выбрать правильную модель

ТехИнсайдер
Легонький пояс Легонький пояс

Где искать шедевры текстильной промышленной архитектуры царской России

Weekend
Рост цен без сюрпризов Рост цен без сюрпризов

Росстат опубликовал данные по инфляции по итогам 2024 г.: рост цен составил 9,5%

Ведомости
Любимые напитки кинозлодеев Любимые напитки кинозлодеев

Попытка погружения в тему алкогольных предпочтений злодеев вызвала у нас шок

Maxim
Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко» Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко»

О пяти авторах, которые попытались предопределить будущее

СНОБ
Нина Чусова. Секундная сцена в спектакле может сделать из него хит Нина Чусова. Секундная сцена в спектакле может сделать из него хит

Нина Чусова о своем уникальном пути и работе с самыми лучшими артистами страны

Караван историй
Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу

Жизнеутверждающий текст о торжественном вступлении во вторую половину жизни

Afternoon Seasons of life
Книга навсегда Книга навсегда

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

Afternoon Seasons of life
Кто так обзывается Кто так обзывается

Почему у ребенка возникает желание дать кличку сверстнику?

Лиза
«История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие» «История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие»

Кто разрешил спор о природе лавы

N+1
Гингивит: десна болит Гингивит: десна болит

Что делать, если десны воспалились?

Лиза
Британская жемчужина Британская жемчужина

О яхте Pearl 82 без пафосных слов

Y Magazine
Михаил Левантовский: «Невидимый Саратов». Дебютный роман Михаил Левантовский: «Невидимый Саратов». Дебютный роман

Остроумный дебютный роман поэта Михаила Левантовского о волшебном превращении

СНОБ
Открытие памятника Сталину Открытие памятника Сталину

Идея поставить памятник советскому вождю в Праге возникла в 1949 году

Дилетант
Маменькин престол Маменькин престол

Существовала ли в действительности папесса Иоанна?

Дилетант
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
Микроскопическая угроза Микроскопическая угроза

Ученые СПбГУ изучают сверхмелкий космический мусор

Санкт-Петербургский университет
Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега

Робот KOU-III не может летать — он использует винты для равновесия

N+1
Пиотровский Пиотровский

Как и зачем директор Государственного Эрмитажа строит Петербург будущего

Собака.ru
Самый грустный день в году: что такое «синий понедельник» Самый грустный день в году: что такое «синий понедельник»

Действительно ли существует самый грустный понедельник в году?

Psychologies
Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса

Как работает неформальная экономика во времена нестабильности

Forbes
Разбитое сердце Брэда Питта Разбитое сердце Брэда Питта

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

Караван историй
5 типичных ошибок, которые мешают нам избавиться от влияния тяжелого детства 5 типичных ошибок, которые мешают нам избавиться от влияния тяжелого детства

Что нам мешает избавиться от негативного шлейфа прошлого?

Psychologies
5 самых страшных форм манипуляции 5 самых страшных форм манипуляции

От газлайтинга до триангуляции: как вами может манипулировать партнер?

Psychologies
Простые вещи, которые делают нас человечнее Простые вещи, которые делают нас человечнее

Психолог Катерина Мурашова — про отсутствие эмпатии у современных детей

СНОБ
Спать надо всем Спать надо всем

Почему важно изучать сон водных млекопитающих?

Наука и жизнь
Книжная полка: 7 книг аргентинских авторов, которые стоит прочитать Книжная полка: 7 книг аргентинских авторов, которые стоит прочитать

Как современные аргентинские авторы продолжают дело Борхеса и Кортасара

Правила жизни
Открыть в приложении