Поиск - новости науки и техники

Под градом частиц. Космический аппарат будет работать как уникальный датчик.

Чего только ни бывает. Лет двадцать назад неопознанная частица, а проще говоря, мусор, пробила важный элемент космического аппарата. С тех пор количество таких частиц – результат деятельности человека в околоземном пространстве – увеличилось в разы. И собери их все в одном месте, получилась бы многотонная свалка. Здесь нашлось бы место для обломков первой и второй ступеней ракет весом в сотни и более килограммов и отработавших свой срок, разрушенных спутников, а в космосе их многие десятки. Теперь же у них одно название – космический хлам, с размерами элементов от сотен микрон до сотен кубических сантиметров и более. Конечно, крупные фрагменты со временем сгорают в нижних слоях атмосферы, но мелкие надолго застревают на орбитах и представляют большую опасность для космических аппаратов и станций. Причем, заметим, на Земле нет возможности зафиксировать их радиолокационными и оптическими методами.
Не так давно вблизи нашей планеты пролетел астероид, но обнаружили его лишь тогда, когда он был достаточно близко от Земли, да и то едва ли не случайно. А все потому, что безграничный космос контролировать чрезвычайно сложно, в том числе и многочисленный мусор, представляющий опасность для любой выведенной на орбиту аппаратуры. Можно ли уберечься от этой напасти? Исследованием скопившихся в околоземном пространстве твердых частиц с помощью всевозможных датчиков многие годы занимается директор Института космического приборостроения Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева профессор Николай Семкин. Он участник более 20 различных экспериментов по этой тематике.
– Покрытие космических аппаратов, антенны, солнечные батареи, многочисленные приборы, установленные на внешней стороне спутников, страдают от частиц мусора, – рассказывает Николай Данилович. – Пусть эти “крохи” размером в 20-30 микрон не в состоянии пробить обшивку спутников, но могут вывести из строя, например, целую ячейку солнечной батареи. Повреждения покрытий вызывают эрозию металла, сокращают сроки службы космического оборудования. А у приборов, испытывающих вредное воздействие, ухудшаются оптические характеристики. Тогда космонавты вынуждены выходить в открытый космос и браться за ремонт. Нет сегодня и надежного недорогого способа сбора мусора в космосе и доставки его на Землю. Попытки решить проблему предпринимались (транспортировка отработанных элементов на Землю с помощью космического аппарата), но оказались неэффективными и слишком затратными.
Нужно идти другим путем: защищать от этой угрозы наиболее уязвимые части аппаратов, долгие годы служащие землянам на орбитах. А наша задача – дать разработчикам космической техники информацию о характеристиках и распределении частиц в околоземном пространстве, составить максимально полный их портрет, а также провести моделирование воздействий с помощью ускорителей частиц. Помимо привнесенного людьми мусора наши датчики регистрируют и естественные объекты космической среды – метеориты, которые в основном сгорают в атмосфере. Они также могут причинить немалый вред аппаратам, но в то же время дают ученым, прежде всего астрофизикам и космохимикам, возможность узнать много нового о Вселенной. Поэтому мы стремимся не только зафиксировать, но и измерить параметры частиц метеоритов: скорость, с которой они движутся, их плотность и массу, а также элементный состав метеорного вещества. И все это в момент удара, когда частицы, преодолевая 15-40 км в секунду и более, буквально врезаются в поверхность космического аппарата.
Казалось бы, какие сведения об объекте можно успеть собрать всего за какой-то миг? Однако нам это удается благодаря современным датчикам и специальным способам обработки данных о воздействии космических тел и определения их физико-химических характеристик. Математические методы анализа информации дают в итоге обширные достоверные данные. Мы рассчитываем, например, сколько на орбите выявлено различных частиц и что они собой представляют. Это очень важно. Так составляется картина распределения элементов в околоземном пространстве, прогнозируется угроза опасности нашим аппаратам, определяется, насколько она велика.
Датчики, которые мы разрабатываем, разные. Одни установлены в основном за бортом космических аппаратов, другие внутри. Но у них есть общее: они помогают космонавтам оценить обстановку, решить, какие меры нужно принимать, чтобы устранить повреждения. Наши первые измерительные приборы по сравнению с теми, что мы делаем сегодня, были очень простыми и недостаточно точными, а их размеры составляли доли квадратного метра. Разве можно их сравнить с многопараметрическим датчиком для исследования распределения космического мусора и метеоритов, над которым мы работаем сейчас (см. рисунок)! Он решает несколько задач и представляет собой космический аппарат. Есть в нем, например, и системы ориентации, другая обслуживающая аппаратура. В автоматическом режиме наш датчик будет собирать данные и передавать их на Землю. Оказавшись на орбите, он раскроется, как солнечная батарея или как параболическая антенна, и тогда его площадь достигнет около 3 кв. метров при общем весе аппарата в 45 кг. Это важное достоинство: при ударе о чувствительную поверхность датчика даже “соринок” космического мусора или метеоритов мы сможем изучить множество физических явлений, а также частиц. Измерить, например, степень ионизации, ударные волны, интенсивность свечения вещества, теплопроводность – так мы составим исчерпывающую картину высокоскоростного взаимодействия. Благодаря поддержке Министерством образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научного-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” нашего междисциплинарного проекта “Разработка научно-технических решений для мониторинга космического мусора и микрометеоритов на основе пленочных датчиков, выполненных в виде космического аппарата” мы ведем его с уверенностью, что результаты будут востребованы несколькими отраслями экономики.
Создаваемый специалистами вуза многофункциональный параметрический аппарат, основанный на совмещении различных эффектов, позволит получать детальные сведения об интересующих нас объектах. Он сможет собрать на два порядка больше информации, чем традиционные приборы (за одно и то же время работы). В основе конструкции аппарата использованы различные пленки структуры металл-диэлектрик-металл. Получается своего рода слоеный пирог, толщина пленки в котором всего 50 микрон. Судя по научной литературе, такого датчика на Западе сегодня нет.
Благодаря чувствительности нашей аппаратуры мы предоставим разработчикам космической техники точные сведения о характеристиках находящегося в космосе мусора и метеоритах, узнаем, какой вред они могут причинить космическому аппарату. Наземные радиолокационные и оптические станции не в состоянии “увидеть” очень мелкие частицы, скажем меньше 5 миллиметров в диаметре. А мы фиксируем крохи размером в несколько микрон и более. На Земле созданы особые методы моделирования процессов взаимодействия частиц с элементами конструкции космического аппарата, для чего построены специальные ускорители. “Соринки” величиной от микронов до 5 миллиметров разгоняют и направляют на объект испытания, чтобы выяснить, каким материалам они могут причинить наибольший ущерб, какие поверхности аппаратов при этом страдают чаще всего. В дальнейшем эти данные можно будет сравнить с результатами исследований нашего аппарата-датчика. Это позволит разработчикам космической техники получить достоверную и полную информацию, необходимую для создания новых аппаратов, которым предстоит трудиться на орбитах, и даст возможность увеличить срок их службы.
Всему этому мы учим наших студентов: как собирать и обрабатывать информацию о частицах, представляющих опасность для космической аппаратуры, как учитывать ее при разработке техники, предназначенной для многолетней работы в околоземном пространстве.

Иллюстрации
предоставлены Н.Семкиным

Спецвыпуск подготовили
Юрий Дризе
и Светлана Беляева

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF

Нет комментариев