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

Посредники между небом и землею Посредники между небом и землею

Как образы растений, упомянутых в Библии, используются в архитектуре

Знание – сила
«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
11 лучших фильмов про блокаду Ленинграда 11 лучших фильмов про блокаду Ленинграда

Фильмы о том, как прервали самую страшную осаду в истории войн

Maxim
5 самых страшных форм манипуляции 5 самых страшных форм манипуляции

От газлайтинга до триангуляции: как вами может манипулировать партнер?

Psychologies
Как взлетает мирный атом Как взлетает мирный атом

О новых возможностях мирного атома и критических технологиях безопасности

Монокль
LoveGPT: как искусственный интеллект меняет приложения для знакомств и сферу отношений LoveGPT: как искусственный интеллект меняет приложения для знакомств и сферу отношений

AI уже добрался до человеческих отношений, но пока не установил власть над ними

СНОБ
Елена Муравьева: «Клоунский нос тебя защищает, дает силы и возможность быть собой» Елена Муравьева: «Клоунский нос тебя защищает, дает силы и возможность быть собой»

Больничная клоунада не про актерские амбиции, а про понимание ситуации

Коллекция. Караван историй
Вотум недоверия: с чем сталкиваются 20-летние, становясь руководителями Вотум недоверия: с чем сталкиваются 20-летние, становясь руководителями

Эйджизм и дискриминация: проблемы молодых управленцев

Forbes
Фатальное влечение: 10 эротических фильмов про обреченные отношения Фатальное влечение: 10 эротических фильмов про обреченные отношения

Кино, посвященное фатальным эротическим отношениям — на работе и за ее пределами

Правила жизни
Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы

Какова же средняя продолжительность жизни собак разных пород?

ТехИнсайдер
Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских

Свободнее всего в Европе пространство осваивают карельские медведи

N+1
Первое собеседование в жизни: правила успеха Первое собеседование в жизни: правила успеха

Как подготовиться к собеседованию, особенно к первому в жизни

Psychologies
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
«Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча «Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча

Фильмы (и один сериал), которые нужно увидеть чтобы понять, кто такой Дэвид Линч

Forbes
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
Другой мир: 7 фактов о загадочной Гренландии, крупнейшем острове в мире Другой мир: 7 фактов о загадочной Гренландии, крупнейшем острове в мире

Чем людей привлекает остров, более чем на 80% покрытый льдами?

ТехИнсайдер
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
Ученые назвали главные факторы того, почему вы чувствуете себя уставшим Ученые назвали главные факторы того, почему вы чувствуете себя уставшим

Почему взрослые люди чувствуют себя постоянно уставшими?

ТехИнсайдер
Почему от вина болит голова: рассказывает невролог Почему от вина болит голова: рассказывает невролог

Почему от белых вин голова болит реже, чем от красных?

СНОБ
Домашний оазис Домашний оазис

Утонченный современный интерьер по мотивам ар-деко

SALON-Interior
Полный литий Полный литий

Есть ли способы продлить жизнь литиевому аккумулятору в мобильном телефоне?

Наука и жизнь
Регистрация программного обеспечения: щит в мире цифровых идей Регистрация программного обеспечения: щит в мире цифровых идей

Почему интеллектуальная собственность так недооценивается?

Наука и техника
Мавританская Испания Мавританская Испания

Мавретания — мусульманское государство, создавшее свою уникальную культуру

Наука и техника
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
Женственность и сексуальность: чем они отличаются и как их развить Женственность и сексуальность: чем они отличаются и как их развить

Психолог рассказывает о природе женственности и сексуальности

Psychologies
«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
Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям

60 вопросов, которые пока еще не поздно задать своим родителям

Psychologies
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
Решиться стать родителями Решиться стать родителями

Радмила Хакова о том, как она пять лет готовилась к рождению дочери

Afternoon Seasons of life
50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения 50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения

О чем спросить человека, чтобы действительно узнать его лучше?

Psychologies
Открыть в приложении