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

Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
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
Климат «вышел за флажки» Климат «вышел за флажки»

К чему приведет рост средней глобальной температуры более чем на 1,5 градуса

Монокль
Иван Краско Иван Краско

Когда началась война, патриарху сцены Ивану Краско было 11...

Собака.ru
Маркетплейс на диване: какие тренды будут двигать вперед российский e-commerce Маркетплейс на диване: какие тренды будут двигать вперед российский e-commerce

Тренды интернет-торговли: регионализация и маркетплейсизация

Forbes
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
От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России

Еврейская культура оставалась заметной частью повседневной жизни миллионов людей

Дилетант
Магия вкуса Магия вкуса

Едем в Туркменистан за гастрономическими впечатлениями

Лиза
«Они ведь всегда хотят секса». Как в России мужчины становятся жертвами насилия «Они ведь всегда хотят секса». Как в России мужчины становятся жертвами насилия

Как мужчины справляются с травмой насилия

СНОБ
Мутации определяют ход биологических часов организма Мутации определяют ход биологических часов организма

Биологический возраст организма определяется накоплением случайных мутаций

ТехИнсайдер
Ни слова о школе Ни слова о школе

Два человека рассказывают две истории одной жизни

Afternoon Seasons of life
Мария Каллас. Обманутые надежды Мария Каллас. Обманутые надежды

У тебя могут быть талант, слава и деньги, но они не сделают тебя счастливой

Караван историй
Темный угол Темный угол

10 мест, которые остаются грязными даже после генеральной уборки

Лиза
«Гой еси», поклоны до земли и вежество богатырей: каким был этикет русского Средневековья «Гой еси», поклоны до земли и вежество богатырей: каким был этикет русского Средневековья

Считается, что первым, кто взялся за воспитание народа, был Петр I. Так ли это?

ТехИнсайдер
Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов

Правда ли: чем мы старше, тем больше стремимся заводить романы с молодежью?

Psychologies
Игорь Кузьмичев Игорь Кузьмичев

Экскурсия по локациям андеграундного Ленинграда от историка Игоря Кузьмичева

Собака.ru
7 принципов женщин, живущих в счастливых отношениях 7 принципов женщин, живущих в счастливых отношениях

Главные принципы, которых придерживаются успешные в личной жизни женщины

Psychologies
«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
«То, что на экране, — это психическая реальность тех, кто смотрит, а не тех, кого показывают» «То, что на экране, — это психическая реальность тех, кто смотрит, а не тех, кого показывают»

Режиссер Рената Джало о своем фильме «На этой земле»

Weekend
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
Чудеса Кавказа: чем вас удивит этот край Чудеса Кавказа: чем вас удивит этот край

Кавказ хранит много тайн, и далеко не все они открываются путешественникам

Караван историй
Архипанки Архипанки

Представители архитектурной молодежной сцены, устраивающие реновацию смыслов

Собака.ru
5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией 5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией

Замаскированная жесткость, которая причиняет мужчинам боль

Psychologies
5 признаков, указывающих на то, что вы по-настоящему зрелая личность 5 признаков, указывающих на то, что вы по-настоящему зрелая личность

Можете ли вы похвастаться тем, что достигли психологической зрелости?

Maxim
Вам письмо Вам письмо

История случайной встречи прабабушки Наталии Караваевой с женой Достоевского

Afternoon Seasons of life
Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча

Как Линч стал одним из величайших режиссеров XX и XXI века

Forbes
Служебный роман Служебный роман

В каких ситуациях служебный роман может быть плохой идеей

Лиза
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
Фея Фло Фея Фло

Флоранс Жерве д’Альден о любимых душистых цветах и зрелых отношениях

Afternoon Seasons of life
Необычный психологический тест: выберите один из квадратов и узнайте, что беспокоит вас в данный период жизни Необычный психологический тест: выберите один из квадратов и узнайте, что беспокоит вас в данный период жизни

Что же волнует именно вас в данный момент? Простой психологический тест

ТехИнсайдер
Открыть в приложении