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

Семинарист, журналист, революционер Семинарист, журналист, революционер

У Булгакова Петлюра предстаёт персонажем мистическим, почти Антихристом

Дилетант
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
За гранью человеческого За гранью человеческого

Как воспринимают мир существа, наделенные нечеловеческими чувствами?

Вокруг света
Как экономить на лекарствах Как экономить на лекарствах

Разбираемся, как не тратить много денег в аптеке, но покупать все необходимое

Лиза
Пиотровский Пиотровский

Как и зачем директор Государственного Эрмитажа строит Петербург будущего

Собака.ru
Princess S80. Чæстное мнение Princess S80. Чæстное мнение

Экстерьер, компоновка, отделка интерьера и ходовые качества Princess S80

Y Magazine
«Секс за еду»: биолог объяснила, почему женщинам важно, чтобы на первом свидании платил мужчина «Секс за еду»: биолог объяснила, почему женщинам важно, чтобы на первом свидании платил мужчина

Почему людям так важно, кто платит за еду на свидание? Отвечает биолог

Psychologies
Молекулы, необходимые для жизни, найдены в образцах астероида Бенну Молекулы, необходимые для жизни, найдены в образцах астероида Бенну

В породе, доставленной с астероида Бенну, обнаружены 14 из 20 аминокислот

ТехИнсайдер
8 главных мифов о зимнем вождении 8 главных мифов о зимнем вождении

Развенчиваем главные заблуждения о вождении зимой

Maxim
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
«Не могу остановиться»: как работают «газ» и «тормоз» сексуального влечения «Не могу остановиться»: как работают «газ» и «тормоз» сексуального влечения

Модель двойного контроля в сексе: что это такое и как она влияет на близость

Psychologies
Маменькин престол Маменькин престол

Существовала ли в действительности папесса Иоанна?

Дилетант
Больше никакого мутного налета и жира: как отмыть стеклянные крышки кастрюль и сковород Больше никакого мутного налета и жира: как отмыть стеклянные крышки кастрюль и сковород

Как вернуть былую чистоту и блеск стеклянным крышкам?

ТехИнсайдер
Городское фэнтези в российской провинции: Елена Волынцева, Наталья Копейкина «Неваляшка» Городское фэнтези в российской провинции: Елена Волынцева, Наталья Копейкина «Неваляшка»

Отрывок из городского фэнтези в российской провинции «Неваляшки»

СНОБ
«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
«85% кандидатов отказываются»: эффективна ли практика one-day offer «85% кандидатов отказываются»: эффективна ли практика one-day offer

Рекрутеры и HR-специалисты — о приёме на работу за один день

VC.RU
Как взаимная поддержка помогает сохранить отношения. Отрывок из книги психотерапевта Как взаимная поддержка помогает сохранить отношения. Отрывок из книги психотерапевта

Как сострадание к партнеру и самому себе помогает качественно улучшить отношения

СНОБ
Большие деньги под большой процент Большие деньги под большой процент

Россияне в 2024 г. открывали новые вклады и хранили на них все больше средств

Ведомости
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
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
Сладкая правда Сладкая правда

Не все знают, что и у сахарозаменителей есть свои плюсы и минусы

Лиза
6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола 6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола

Неужели высокий уровень гормона стресса — распространенная проблема?

ТехИнсайдер
Без единого шурупа Без единого шурупа

Механики СПбГУ на первой космической стройке

Санкт-Петербургский университет
Чемпионские перстни: откуда взялась традиция вручать их победителям и сколько они стоят Чемпионские перстни: откуда взялась традиция вручать их победителям и сколько они стоят

Когда впервые изготовили чемпионские перстни и какова реальная их стоимость

ТехИнсайдер
Умный швед Умный швед

Службу престолу и Отечеству Эрнест Левстрём нёс ответственно

Дилетант
Полина — единственная дочь Сергея Супонева из «Зова джунглей»: как сложилась ее жизнь Полина — единственная дочь Сергея Супонева из «Зова джунглей»: как сложилась ее жизнь

Чем занимается дочь Сергея Супонева и почему она не стала заменой отцу

Maxim
Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога

Почему люди могут внезапно пропадать из круга нашего общения?

Psychologies
Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор» Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор»

Евгений Цыганов — о Мастере и своей роли рефлексирующего сноба

Ведомости
Палены Палены

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

Дилетант
Разгруженные железные дороги Разгруженные железные дороги

С 2022 г. в России начался процесс активного перестроения логистических цепочек

Ведомости
Открыть в приложении