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
Легкое дыхание Легкое дыхание

Почему обычная простуда может перейти в бронхит или даже пневмонию

Лиза
Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога

Проверенные техники для борьбы с тревогой и укрепления уверенности в себе

Psychologies
Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага

Найти отношения через сайты знакомств можно, но придется запастись терпением

Psychologies
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
Восток VS Запад Восток VS Запад

Сравним отношение к радостям жизни на Востоке и Западе!

Лиза
Как папа Карло Как папа Карло

Как химик-технолог и редактор Men's Health пришел к жизни, наполненной смыслом

Afternoon Seasons of life
Разум и чувства Разум и чувства

Может ли наука помочь сделать голову ясной, а сердце — стойким?

Afternoon Seasons of life
Повреждения на 30-тысячелетних зубах кроманьонцев объяснили пирсингом Повреждения на 30-тысячелетних зубах кроманьонцев объяснили пирсингом

Антрополог проанализировал повреждения на зубах древних людей

N+1
Контролируя неравновесность Контролируя неравновесность

Программа для анализа CO₂ поможет в космосе и на Земле

Санкт-Петербургский университет
Иду на быт! 11 лайфхаков Иду на быт! 11 лайфхаков

Масштабный «разбор завалов»: расскажем, как сэкономить силы, время и нервы

Лиза
Книжные связи Книжные связи

Чтение снова в моде, а вместе с ним и читательские клубы

Afternoon Seasons of life
Он же памятник! Он же памятник!

Как петербургские девелоперы проводят ревитализацию промышленных территорий

Собака.ru
Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения

Ученые предложили разделить ожирение на две различные формы

N+1
Санкция на «церковную революцию» Санкция на «церковную революцию»

Как Ленину предлагали включить церковное движение в переустройство России

Дилетант
Границы адаптации Границы адаптации

Как повысить работоспособность космонавтов

Санкт-Петербургский университет
Актриса Джессика Альба разводится с мужем после 16 лет брака. Почему даже самые крепкие и долгие отношения терпят крах? Актриса Джессика Альба разводится с мужем после 16 лет брака. Почему даже самые крепкие и долгие отношения терпят крах?

Что может стать причиной разрыва для долгого союза?

Psychologies
Герман на холме Герман на холме

Поколениями немцы пытались представить, от кого Арминий мог освободить Германию

Дилетант
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
«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
После праздника После праздника

Как избавиться от последствий праздника?

Лиза
Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными

Эскалатор, пинг-понг, фрисби — слова, которые раньше были названиями брендов

ТехИнсайдер
Снежные забавы Снежные забавы

Зимние виды спорта для каждого знака зодиака

Лиза
Как живет Ребекка Шаррок — человек с «идеальной автобиографической памятью» Как живет Ребекка Шаррок — человек с «идеальной автобиографической памятью»

Ребекка Шаррок — одна из немногих в мире, кто обладает гипертимезией

ТехИнсайдер
Эсэсовский «Ватикан» Эсэсовский «Ватикан»

Как битва в Тевтобургском лесу стала основой германского национального мифа

Дилетант
«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
7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег 7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег

Что действительно нужно для получения результата и своевременного омоложения

VOICE
Каким получился онлайн-спектакль Цыганова «Мрамор» по пьесе Бродского Каким получился онлайн-спектакль Цыганова «Мрамор» по пьесе Бродского

О спектакле, поставленном в квартире Бродского и сыгранном в день его памяти

РБК
Вечный рыцарь Вечный рыцарь

Тюрьма, безумцы и Христос: краткая история «Дон Кихота»

Weekend
No Buy 2025: что это за тренд и почему блогеры призывают отказаться от покупок на год No Buy 2025: что это за тренд и почему блогеры призывают отказаться от покупок на год

Кто и почему хочет ничего не покупать в течение всего года

Правила жизни
Открыть в приложении