СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК B64G1/54 

Изобретение относится к методам и средствам защиты экипажа и оборудования от ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии) при космических полетах, а также может быть использовано для получения электроэнергии на борту космического аппарата (КА) и управления энергетическими параметрами защитного электростатического и магнитного полей.

Главную опасность при космических полетах вне действия магнитного поля Земли для здоровья человека и работы электронных приборов представляют собой протоны и положительно заряженные ядра элементов космического излучения высокой энергии (см. Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников» в мире науки, февраль 2007 г., с. 21).

Известны способы радиационной защиты с помощью поглощающих материалов, например, с помощью метрового слоя воды, которые могут иметь большой вес (для капсулы 15 м³ вес составит более 600 тонн) (см. Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников» в мире науки, февраль 2007 г., с. 21-22).

Известны способы электростатической защиты, когда космический аппарат заряжается положительным зарядом, или окружается би- или мультипольным электростатическим полем, создаваемым несколькими зарядами одного или двух знаков (см Metzger, Philip Т; Lane, John Е.; Youngquist, Robert С, "Asymmetric electrostatic radiation shielding for spacecraft", 2004 IEEE Aerospace Conference Procceedings'; Big Sky, MT; FROM; Mar 6-13, 2004; United States; Jeft Hetch, "Force fields may shield astronauts' from radiation". New Scientist Space, June, 2005; Paul Marks, Forget rockets - go to Mars in a comic fruit bawl" New Scientist Space, October, 2007).

Недостатком всех этих способов является активное взаимодействие с плазмой межпланетного пространства, которое приводит к появлению мощного электрического разряда. Это ведет к нейтрализации заряда защиты и усиленной бомбардировке устройств электронами и ионами межпланетной плазмы, что генерирует вредное вторичное рентгеновское и гамма-излучение. Кроме того, не скомпенсированный заряд предлагаемых систем защиты приводит к усилению абсорбции заряженных частиц из плазмы окружающего пространства, что крайне нежелательно. Для поддержания заряда защиты приходится тратить много энергии. В предложенных системах защиты присутствуют бреши в защитном поле (участки с пониженной и нулевой напряженностью поля), обусловленные геометрией расположения защитных зарядов.

Известны способы магнитной защиты космических аппаратов (см. Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников» в мире науки, февраль 2007 г., с. 21). Недостатком этого способа является сильное остаточное магнитное поле внутри космического аппарата и наличие брешей в защите, т.е. участков, где напряженность магнитного поля равна нулю. Вторым недостатком является то, что магнитное поле вокруг космического аппарата может собирать из окружающего пространства потоки захваченных заряженных частиц, которые ослабляют защитное магнитное поле, а также являются «радиоактивным мусором», представляющим собой опасность.

Предложен способ магнитной защиты, при котором остаточное поле вне и внутри системы снижается до минимума использованием системы инвертированных коаксиальных катушек индуктивности (см. Nancy Atkinson "Magnetic Shielding for spacecraft" the space review, January, 24, 2005). Недостатком этого способа является то, что вдоль оси катушек защита отсутствует. Кроме того система двух катушек является сложной и занимает дополнительный объем космического аппарата.

За прототип принят способ защиты космического аппарата, который заключается в том, что защитное статическое электрическое или магнитное поле локализованы в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми, геометрически непрерывными, несоприкасающимися поверхностями, а защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью (см. патент РФ.№2406661),

При применении электрического поля эффект защиты достигается тем, что на противостоящих поверхностях заряды имеют одинаковые значения и противоположны по знаку. В таком конденсаторе электрическое поле сконцентрировано в пространстве между обкладками. Вне этого пространства поле равно нулю. Многие заряженные частицы обладают высокой проникающей способностью, например, мюоны, несущие отрицательный заряд и обладающие высокой энергией, поэтому необходима дополнительная защита экипажа, например, применение клетки Фарадея, которая также не обеспечивает достаточно надежной зашиты.

Заряженная частица тормозится электрическим полем между обкладками только тогда, когда заряд совпадает по знаку внутренней поверхности, например (+), что тоже не обеспечивает надежную защиту при движении частиц противоположного знака. При этом для торможения и отражения частицы энергия не тратится. Для торможения протонов «галактического излучения» с энергией 2 ГэВ внутренняя сфера должна быть заряжена положительно, а внешняя отрицательно, разность потенциалов между ними должна быть соответственно 2 ГэВ, ее необходимо поддерживать и управлять ею. В способе-прототипе это не предусмотрено. Предполагается, что такая разность потенциалов может быть достигнута эмиссией пучков электронов с соответствующей энергией от внутренней сферы с помощью достаточно компактного лазерного ускорителя (см. Чандрошекар Джон «Плазменные ускорители. В мире науки, май, 2006).

Для работы плазменного ускорителя требуется дополнительная энергия, КПД лазера невысокий (составляет 15%), что является недостатком. Заряженные частицы межпланетной плазмы между сферами защитного устройства под действием электрического поля будут сепарированы, положительно заряженные вытеснены к внешней оболочке и выброшены за пределы ее с ускорением. Электрическим полем между сферами защитного устройства необходимо управлять, а именно, поддерживать его напряженность для исключения разряда.

Отрицательно заряженные частицы межпланетной плазмы не притягиваются устройством защиты и не могут проникать через внешнюю оболочку ввиду крайней ее малости энергии, менее 1 кэВ (см. Н.Г. Бочкарев «Магнитные поля в космосе» М.: Наука, 1985, с 82 с.). Для исключения ионного разряда между сферами их требуется покрывать слоем изолятора, например, полимера или плавленого кварца. Напряженность поля может составлять 1*10 до 4*10 В/м, при разности потенциала 2 ГВ. При этом возникает электростатическая сила притяжения сфер друг к другу 4*10⁶ Н, что требует применения силовых штанг между сферами или распрямляющей пневматической системы со сжатым газом на внешней оболочке, а также достаточной жесткости самих сфер. Это усложняет конструкцию защитной системы и требует управления электростатической энергией и поддержания рационального электростатического напряжения, т.е. повышения энергетических затрат и рационального механизма компенсации сил.

При применении магнитного поля эффект защиты достигается за счет того, что на противостоящих поверхностях токи противоположны по направлению. Поэтому магнитное поле локализуется внутри устройства между вложенными друг в друга поверхностями и ослабляется снаружи. Магнитные «силовые линии» замыкаются сами на себя. Для обеспечения сплошной замкнутой защиты предлагается использовать тороидальную форму поверхностей. Для такой системы также необходима дополнительная защитная система от магнитного поля, требуются энергетические затраты и управление соотношением силы токов, чтобы добиться практически полной минимизации магнитного поля внутри и вне космического аппарата. Для облегчения конструкции при создании магнитного поля и снижения электрических потерь необходимо применение сверхпроводников. Магнитное поле способно изменять траекторию движения заряженных частиц, но не компенсировать заряд. При этом требуются затраты электроэнергии на охлаждение системы, а также для компенсации сил магнитного отталкивания между тороидами, кроме того необходима дополнительная защиты экипажа от остатков магнитного поля, например, на основе эффекта Мейснера-Оксенфельда. Реализация эффекта Мейснера-Оксенфельда с одной стороны связана с технологическими трудностями создания сверхпроводящего объемного проводника в корпусе КА, а с другой этот эффект наблюдается только в слабых магнитных полях с индукцией 0,001 Тл. и при низких температурах. При увеличении напряженности магнитного поля и повышении температуры выше критической, сверхпроводящее состояние проводника может разрушаться и не происходить полное выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводящей фазы (см. Эффект Мейснера. https://studopedia.ru). Это тоже является недостатком и вызывает необходимость дополнительных энергетических затрат и создания надежного защитного слоя от проникновения в КА электрических и магнитных полей.

Для усиления эффекта защиты предлагается одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями и компенсация силы электростатического притяжения магнитным отталкиванием. Также предлагается в пространство между поверхностями устройства защиты дополнительно поместить подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например жидкий водород, воду или полиэтилен, что повышает массу КА и затраты электроэнергии.

Проведенный анализ показал, что известный способ не обеспечивает достаточной надежности системы защиты КА от заряженных частиц космической радиации, остаточного электрического и магнитного полей, не предусматривает возможности управления энергетическими параметрами (напряженностью полей, расположением и концентрацией защитных зарядов) замкнутых поверхностей защитных сфер, а также имеет невысокую энергетическую эффективность.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении надежности и энергетической эффективности защиты от заряженных частиц, остаточных электрических и магнитных полей при космических полетах; обеспечении возможности управления энергетическими параметрами системы защиты с получением электроэнергии за счет рекуперации энергии заряженных частиц космической радиации, использования энергии электростатического и магнитного полей при сепарации электрического заряда межпланетной плазмы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе защиты, заключающемся в создании защитного статического электрического или магнитного поля, локализованных в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми, геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, согласно изобретению, создают дополнительное электростатическое поле, позволяющее осуществить электростатическое торможение заряженных частиц, прошедших из космоса в защищаемое пространство, с одновременной рекуперацией их энергии и нейтрализации электростатического заряда, причем дополнительное электростатическое поле локализовано между дополнительными несоприкасающимися поверхностями, последовательно размещенными, внутри защищаемого пространства в направлении к космическому аппарату (КА), причем наиболее близкая к КА поверхность представляет собой сотовую поверхность, а вторая дополнительная поверхность - сетчатый экран, ячейки которого изолированы друг от друга. При этом все ячейки сотовой поверхности электрически соединены, а каждая ячейка представляет собой рекуператор энергии, образующие систему рекуперации энергии заряженных частиц после электростатического торможения. При этом на каждую дополнительную непрерывную несоприкасающуюся поверхность подают электрический потенциал, поддерживающий рациональное электростатическое напряжение защитного электростатического поля для торможения потока заряженных частиц.

На изолированные ячейки сетчатого экрана подают электрический потенциал требуемой величины и знака для регулирования энергии заряженных частиц, поступающих в полости рекуператоров.

На вложенных друг в друга замкнутых, геометрически непрерывных, несоприкасающихся поверхностях создают биполярное или мультиполярное электростатическое поле, за счет того, что поверхности выполняют в виде токопроводящих изолированных между собой слоев и на каждый слой подают соответствующий электрический потенциал, способный оказать тормозящее воздействие на потоки заряженных частиц космического пространства, а также сепарацию заряженных частиц по положительным и отрицательным зарядам.

На токопроводящих изолированных между собой слоях, создают спектр электрического потенциала и напряженности электрического поля путем зарядки и разрядки внутренних электрически заряженных слоев.

Для зарядки внутреннего и внешнего токопроводящих слоев с напряженностью поля до 1 МэВ используют магнитокумулятивные витковые или баллистические многоразовые генераторы импульсов тока.

Для зарядки внешнего токопроводящего слоя многослойной замкнутой геометрически непрерывной поверхности с концентрацией зарядов и напряженностью более 1 МэВ используют, расположенный с внешней стороны замкнутой геометрически непрерывной поверхности, пролетный рекуператор энергии, при помощи которого поток отрицательно или положительно заряженных частиц высокой энергии межпланетного пространства направляют в аксиально-конический канал заряженного электрода пролетного рекуператора энергии, в котором происходят сжатие, концентрация и рекуперация части энергии, после чего поток частиц направляют на внешний слой, препятствующий проникновению заряженных частиц высокой энергии комических лучей.

В качестве рекуператора энергии применяют одноступенчатые или двухступенчатые рекуператоры энергии заряженных частиц с корпусами, выполненными из металлодиэлектрического температуростойкого материала с низкой магнитной и диэлектрической проницаемостью.

Энергию заряда электростатического поля, локализованного между замкнутыми геометрически непрерывными, несоприкасающимися поверхностями, используют для получения электроэнергии и регулирования напряженности электрического поля, а также управления энергетическими параметрами защитных электростатических и магнитных полей и энергосистем КА.

В заявленном способе повышение надежности и энергетической эффективности защиты обеспечивается электростатическим полем, создаваемым между замкнутыми, геометрически непрерывными, несоприкасающимися поверхностями, а также дополнительным электростатическим полем, между защитным сетчатым экраном и ячеистой поверхностью, созданной отдельными рекуператорами, объединенными в систему рекуперации, которые позволяют осуществить электростатическое торможение заряженных частиц, обладающих высокой энергией, прошедших из космоса в защищаемое пространство, с одновременной рекуперацией их энергии и нейтрализацией заряда в рекуператорах. Предложенный способ позволяет осуществить преобразование кинетической энергии заряженных частиц в потенциальную и вернуть ее таким образом в накопитель.

Повышение надежности и энергетической эффективности защиты от заряженных частиц, остаточных электрических и магнитных полей при космических полетах достигается также применением активных многослойных экранов в виде многозарядных электростатических полей, позволяющих преобразовывать (рекуперировать) энергию заряженных частиц при переносе заряда против сил электрического поля за счет сил инерции с отбором кинетической энергии от потоков холодной плазмы путем преобразования ее в электрическую при помощи рекуператоров энергии заряженных частиц и емкостных накопителей электрической энергии (см. С.К. Димитров; В.А. Обухов. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (ионные инжекторы и плазменные ускорители) Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко. - М.: Энергоиздат, 1989 с. 193-217; патент РФ №2617689, Рекуператор энергии положительно заряженных ионов, И.В. Трифанов, Л.И. Оборина и др.; патент РФ №2625325, Рекуператор энергии пучков заряженных частиц, И.В. Трифанов, Л.И. Оборина и др.). Рекуперация энергии положительно и отрицательно заряженных частиц, прошедших через электростатическое или магнитное поля может осуществляться при помощи одноступенчатых или двухступенчатых рекуператоров энергии электрически соединенных между собой последовательно, что обеспечит требуемое напряжение для работы энергетических систем КА, а также высокую удельную емкость и разрядную мощность.

Корпуса рекуператоров выполняются из металлодиэлектрического материала с низкой диэлектрической и магнитной проницаемостью для защиты КА от магнитных и электрических полей (например, корпус может быть выполнен многослойным, содержащим слои полиэтилена с медным покрытием) (см. заявку РФ №2018136007 от 28.12.2018, Способ создания многоступенчатой рекуперации энергии и устройство для его реализации, Трифанов И.В. и др.).

Медное покрытие будет способствовать защите от магнитных полей, а полиэтилен от электрических. Рекуператоры, размещенные вокруг КА, создают замкнутую ячеистую поверхность, которая способна защитить КА, как от воздействия заряженных частиц, так и электрических и магнитных полей, за счет своего электростатического поля, а также пассивной защиты, создаваемой электродами и радиационно-защитными материалами корпуса. Корпуса рекуператоров энергии могут дополнительно покрываться слоями до 100 мкм из материалов, поглощающих нейтроны, например, на основе карбида бора (см. Физики ИЯФ продумали, как защититься от нейтронов с помощью карбида бора https://news.yandex.ru), а также слоями полимерных композиционных радиационно-защитных материалов, содержащих карбид бора, вольфрам (см. Радиационная защита радиоэлектронной аппаратуры космического назначения Ю.В. Кузнецов., В.И. Гульбин, Н.С. Колпаков и др., ОАО «Инженерно-маркетинговый центр Концерн «Вега» http://www.rusnor.org).

Могут также применяться защитные слои из алюминий-матричных радиационно-защитных композитов нескольких составов и из ПКМ, содержащих высокодисперстные порошки тяжелых металлов (см. Композиционный материал для защиты радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов от ионизирующего излучения. (Е.А. Джур, А.Ф. Санин, А.Ю. Андрианов и др. Сибирский журнал науки и технологии, 2013, cuberleninka.ru).

Для повышения эффективности и надежности активной защиты на вложенных друг в друга, замкнутых, геометрически непрерывных, несоприкасающихся поверхностях может создаваться биполярное или мультиполярное электростатическое поле с требуемым радиационным электрическим потенциалом, в зависимости от энергии потока и концентрации заряженных частиц, за счет того, что их выполняют многослойными, в виде изолированных между собой слоев, и на каждый слой подают свой электрический потенциал. При этом на многослойных защитных поверхностях создают спектр электрического потенциала и напряженности электрического поля при помощи зарядки магнитокумулятивными генераторами импульсов (МКГИ) или баллистическими магнитокумулятивными генераторами импульсов (БМКГИ) многоразового действия (см. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002, с. 15, а также патент РФ №2649494, Импульсный детонационный ракетный двигатель, И.В. Трифанов, Л.И. Оборина и др.) Регулируют электрический потенциал путем разрядки за счет сбрасывания лишней накопленной энергии на электростатические батареи и аккумуляторы.

Внешнюю сферу защитного устройства, выполненную в виде замкнутой, несоприкасающейся поверхности, также можно заряжать отрицательно при помощи пролетного рекуператора энергии заряженных частиц тока на потоке плазмы. Отрицательно заряженные частицы межпланетной плазмы направляют сначала в аксиально-конический канал заряжающего электрода суперконденсатора, где происходит рекуперация части энергии в электростатическое электричество, а затем поток нескомпенсированных частиц концентрируют, ускоряют при помощи электростатического ускорителя и направляют на внешнюю сферу, создавая на ее поверхности отрицательный потенциал, способный отталкивать от нее отрицательно заряженные частицы космической среды (см. патент РФ №2597205, Генератор электрического тока на потоке плазмы, И.В. Трифанов, Б.Н. Казьмин, Л.И. Оборина, В.И. Трифанов).

Такой метод является энергетически более эффективным, чем использование лазера для зарядки внешней сферы, предлагаемого в прототипе.

Для повышения надежности активной защиты КА от космической радиации может также применяться магнитное поле, совмещенное с электростатическим и системой рекуперации энергии заряженных частиц или в виде магнитного поля, совмещенного с системой рекуперации энергии заряженных частиц, расположенных с внешней рабочей стороны КА. Такое построение позволит компенсировать силы притягивания защитных сфер электростатического поля путем создания сил отталкивания при протекании токов и действия магнитного поля. Известно, что магнитное поле не меняет величины заряда частиц, а изменяет направление их движения и концентрирует их заряд. При этом на заряженные частицы действует сила Лоренца, которая по спиральным траекториям перемещает ионы и электроны вокруг силовых линий или заставляет их двигаться по искривленной отклоняющейся траектории (см. Скорость - заряженная частица. Технический словарь, Т. 1, С. 10-70).

При этом может происходить сепарация заряженных частиц по знаку заряда, что целесообразно использовать для более эффективной рекуперации энергии, путем рационального расположения рекуператоров энергии на концентрированных потоках заряженных частиц одного знака, которые могут усиливаться у полюсов электромагнита и иметь более высокие энергетические параметры.

Магнитные поля не только могут быть использованы для изменения направления движения заряженных частиц, а также применяться как сверхпроводящие индуктивные накопители энергии, работа которых обусловлена возможностью длительного хранения энергии в формемагнитной энергии. Такие системы имеют возможность запитки от источников с малой электрической мощностью, например, рекуператоров энергии, аккумуляторов или емкостных батарей (см. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока/ под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2002, с. 21).

Для реализации предлагаемого способа защиты КА от заряженных частиц космической радиации могут применяться разработанные схемы. На фиг. 1 изображена система защиты, реализующая заявленный способ. На фиг. 1 показаны рабочее пространство КА 1, которое размещено внутри двух несоприкасающихся замкнутых поверхностей 4 и 5, а также дополнительного защитного экрана 3, выполненного из металлической сетки с изолированными друг от друга ячейками и ячеистой поверхности, сформированной из рекуператоров энергии 2 заряженных частиц, электрически соединенных между собой.

Электростатическое поле, создаваемое между замкнутыми поверхностями 4 и 5, а также дополнительное электростатическое поле между защитным экраном 3 и ячеистой поверхностью, созданной отдельными рекуператорами 2, объединенными в систему рекуперации, позволяют осуществить электростатическое торможение заряженных частиц, обладающих высокой энергией, прошедших из космоса в защищаемое пространство, с одновременной рекуперацией их энергии и нейтрализацией заряда в рекуператорах 2. Потерю энергии заряженных частиц ионов на единицу пути можно оценить по формуле:

где dE/dx - тормозная способность вещества защитной системы, n_e -плотность атомных электронов в веществе; Za - заряд тяжелой заряженной частицы (иона);V_a - скорость тяжелой заряженной частицы (иона), m_e - масса электрона, dx - слой, через который проходит частица; Y - средний потенциал ионизации вещества, контактирующего с заряженной частицей (Y=13,5ZэB), е - заряд электронов (см. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом, https://helpiks.org).

Тормозная способность (по формуле 1) заряженных частиц зависит от заряда, скорости, массы тяжелых частиц, а также от потенциала ионизации материала защитных сфер и многоколлекторных электродов рекуператоров энергии и плотности атомных электронов в веществе. Создавая определенный заряд на защитных сферах 4 и 5 и электростатическое поле между ними, а также на защитном экране 3 и электродах рекуператора 2, можно осуществлять сепарацию заряженных частиц по знаку электрического заряда, торможение в замкнутом электростатическом поле, и накопление электростатического электричества, а затем прошедшие заряженные частицы с определенной скоростью направлять в рекуператоры энергии заряженных частиц, что позволит более надежно защитить КА и получить электроэнергию. Защитными свойствами, как было показано выше, обладает также поверхность рекуператоров энергии. Таким образом происходит отбор кинетической энергии от потоков холодной плазмы путем преобразования ее в электрическую, а также повышение надежности защитной системы.

На фиг. 2 изображена система защиты, в которой вложенные друг в друга, замкнутые, геометрически непрерывные несоприкасающиеся поверхности выполнены многослойными.

Такое выполнение поверхностей дает возможность создавать биполярные или мультиполярные электростатические защитные поля, а также формировать спектр электростатического потенциала и напряженности электрического поля в зависимости от энергии потоков заряженных частиц холодной плазмы, воздействующих на КА.

В систему защиты (фиг. 2) рабочего пространства 1 КА, ограниченного его многослойным корпусом, входят: две несоприкасающиеся замкнутые поверхности 4 и 5, выполненные многослойными, состоящими из токопроводящих слоев 7 и слоев изоляторов 6; система рекуператоров 2 энергии заряженных частиц в виде сферы, каждый отдельный рекуператор которой имеет сотовую либо прямоугольную форму поверхности; сферический защитный сетчатый экран 3, каждые ячейки 12 которого изолированы друг от друга; заряжающие конденсаторы 8; магнитокумулятивные витковые или баллистические генераторы многоразового действия 9 с удельной мощностью 10¹³-10¹⁴ Вт/м³; емкостные батареи 10; внешний слой 11 замкнутой сферы защитной системы.

Система зашиты КА (фиг. 2) работает следующим образом. На замкнутые изолированные слои 7 защитных сфер от импульсных генераторов 9 подается высокое напряжение до 1 МэВ. Первоначальной энергией для импульсных генераторов может служить энергия от аккумуляторов на борту КА, а также от рекуператоров 2 энергии заряженных частиц космической радиации, электрически соединенных между собой последовательно для создания высокой разрядной мощности. Так же может использоваться энергия от емкостных батарей 10. При зарядке многослойных замкнутых защитных поверхностей 4 и 5 создаются первоначальные заряды на многослойных конденсаторах, которые позволяют отбирать кинетическую энергию заряженных частиц при их торможении, взаимодействии с поверхностями 4 и 5, при этом заряды могут адсорбироваться и концентрировать электростатическую энергию. Для регулирования напряжения электростатической энергии и распределения потенциала на замкнутых сферах 4 и 5, на определенном уровне производится сброс энергии на емкостные батареи 10, а также аккумуляторы (на фиг. 2 не показаны). Затем накопленная энергия может быть использована для поддержания работы защитной системы и энергетических систем КА.

Управление работой системы защиты может осуществляться при помощи контроллеров, например, ПЛК-100 или ПЛК-150. Заряженные частицы, попадая в электростатическое поле между поверхностями 4 и 5, тормозятся, взаимодействуют с заряженными поверхностями, на которых рекуперируют свою энергию. Заряженные частицы, со знаком «-» или «+», прошедшие через электростатическое поле, локализованное между поверхностями 4 и 5, проходят через ячейки 12 сетчатого защитного экрана 3, находящегося под соответствующим потенциалом (+) или (-), поступают в полости рекуператоров 2 энергии заряженных частиц, электрически соединенных между собой последовательно. В полостях рекуператоров заряженные частицы взаимодействуют с многоколлекторными электродами, рекомбинируют свой заряд, при этом на электродах суперконденсаторов рекуператоров энергии накапливается электростатическое электричество с напряжением до 5 В. Последовательное соединение рекуператоров энергии позволяет обеспечить высокую емкость и разрядную мощность, используемую для работы системы защиты КА.

Внешняя замкнутая сфера 11 системы зашиты может заряжаться отрицательно при помощи пролетного рекуператора энергии заряженных частиц тока на потоке плазмы, показанного на фиг. 3 (см. патент РФ №2597205 Генератор электрического тока на потоке плазмы, Трифанов И.В. и др.; Системы торможения и рекуперации плазменных потоков, Димитров С.К., Обухов В.А. (Ионные инжекторы и плазменные ускорители) под ред. Морозова А.И. и Семашко Н.Н. - М. Энергоиздат, 1989, с. 202). Пролетный рекуператор энергии заряженных частиц 13 состоит из суперконденсатора с аксиально-коническим каналом заряжающего электрода 14, через который пропускают пучок отрицательно заряженных частиц 15, ускоряемый электрическим полем при помощи электродов 16, направляя пучок через заряжающий аксиально-конический электрод 14, который заряжается отрицательно, а второй электрод 17 суперконденсатора, отделенный от заряжающего сепаратором 18, - положительно. В суперконденсаторе может применяться твердый наномодифицированный электролит 19, на основе лития или рубидия, способный работать в пределах до 200°С, поэтому он должен охлаждаться.

Суперконденсаторы пролетных рекуператоров могут электрически последовательно соединяться в блоки для повышения энергетической мощности. Пролетные рекуператоры могут создавать множество потоков нескомпенсированных зарядов заряженных частиц. При прохождении через аксиально-конический канал поток отрицательно заряженных частиц теряет часть своей кинетической энергии за счет преобразования ее в потенциальную, заряжая суперконденсатор электростатической энергией. Нескомпенсированный поток отрицательно заряженных частиц 20 ускоряется электростатическим ускорителем 21 и регулируется при помощи управляющего электрода 22, а затем направляется на внешнюю замкнутую сферу 11 системы защиты. Накопление электростатического заряда на внешней поверхности 11 системы защиты может создать отрицательный потенциал более 1 МэВ, способный отталкивать отрицательно заряженные частицы космической радиации, обладающие большой энергией, и тем самым обеспечивать более надежную защиту КА, а также энергетическую эффективность заявленного способа защиты. При изменении потенциала на противоположный на электродах пролетного рекуператора энергии защитную внешнюю поверхность можно заряжать положительным зарядом при помощи положительно заряженных ионов холодной плазмы.

На фиг. 4 показана система зашиты с дополнительным применением магнитного поля. На фиг. 4 изображены: защищаемое пространство 1 КА; ячеистая поверхность, сформированная рекуператорами энергии 2 заряженных частиц с защитным сетчатым экраном 3; две несоприкасающиеся замкнутые поверхности 4 и 5, между которыми формируют защитное электростатическое поле; поверхности 23 и 24 между которыми локализуют магнитное поле.

Работает система защиты (фиг. 4) следующим образом. Электростатическое поле защищает КА на тех же принципах, что и по схемам, представленным на фиг. 1 и 2.

Однако, известно, что при создании электростатического поля, его сферические поверхности с противоположным зарядом могут притягиваться. Сила притяжения F может быть оценена по формуле:

где m₁, m₂ - моменты двух диполей А и В; r - вектор, направленный из точки А в точку В; θ, θ' - углы, образованные с моментами m₁, m₂; ϕ - угол между плоскостями, содержащими m₁, m₂; (см. Электрические диполи и мультиполи / https://info.sernam.ru/book).

Магнитное поле способно компенсировать силы электростатического притяжения, т.к. токи в поверхностях 23 и 24 имеют противоположное направление. Магнитные силовые линии замыкаются сами на себя. Для обеспечения сплошной замкнутой защиты от заряженных частиц целесообразна тороидальная форма защитной поверхности, как предложено в прототипе. Заряженные частицы при взаимодействии с силовыми линиями магнитного поля 23 и 24 могут отклоняться от защищаемой поверхности КА и попадать на поверхности защитных сфер 4 и 5, при этом тормозиться, взаимодействовать со сферами 4 и 5 и рекуперировать свою энергию, или перемещаться вдоль силовых линий в направлении полюсов по спиральным траекториям, где могут быть установлены более энергоемкие рекуператоры энергии заряженных частиц и создана более мощная пассивная защита КА. Заряженные частицы, прошедшие через электростатическое поле, проходят через защитный сетчатый экран 3 с изолированными друг от друга ячейками, находящимися под требуемым напряжением (+) и (-), и с определенной скоростью поступают в полости рекуператоров энергии 2, взаимодействуют с их многоколлекторными электродами и рекомбинируют свой заряд с накоплением электростатического электричества и разрядной мощности.

Технический результат способа заключается в повышении надежности, за счет минимизации воздействия магнитного и электрического полей, а также радиации на КА, и энергетической эффективности работы защитной системы от космической радиации с одновременным получением электроэнергии для электропитания всех систем КА. Электроэнергия может быть получена на основе рекуперации энергии заряженных частиц и использования накопленной электростатической энергии защитных поверхностей путем их зарядки, в том числе заряженными частицами космической плазмы, и разрядки, а также управления процессами при помощи контроллеров.

Таким образом зашита КА, созданная на основе электростатического поля и совмещенная зашита на основе электростатического и магнитного полей, а также система рекуператоров позволит обеспечить надежность защиты от космической радиации, энергетическую эффективность процессов при существенном ограничении массы КА.

Изобретение относится к методам и средствам защиты от ионизирующего излучения при космических полетах. Способ защиты включает создание защитного статического электрического или магнитного поля, локализованного в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми, геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, и одновременное воздействие дополнительным электростатическим полем, позволяющим осуществить электростатическое торможение заряженных частиц, прошедших из космоса в защищаемое пространство, с одновременной рекуперацией их энергии и нейтрализацией электрического заряда. Дополнительное электростатическое поле локализовано между дополнительными геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, последовательно размещенными внутри защищаемого пространства в направлении к космическому аппарату (КА), при этом наиболее близкая к КА поверхность представляет собой сотовую поверхность, а вторая дополнительная поверхность - сетчатый экран, ячейки которого изолированы друг от друга. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности защиты. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты от заряженных частиц космической радиации, заключающийся в создании защитного статического электрического или магнитного поля, локализованного в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, причем защищаемое пространство космического аппарата (КА) ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защищаемое пространство от межпланетной плазмы, отличающийся тем, что создают дополнительное электростатическое поле, позволяющее осуществить электростатическое торможение заряженных частиц, прошедших из космоса в защищаемое пространство, с одновременной рекуперацией их энергии и нейтрализацией электрического заряда, причем дополнительное электростатическое поле локализовано между дополнительными геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, последовательно размещенными внутри защищаемого пространства в направлении к космическому аппарату, при этом наиболее близкая к КА поверхность представляет собой сотовую поверхность, а вторая дополнительная поверхность - сетчатый экран, ячейки которого изолированы друг от друга, при этом все ячейки сотовой поверхности электрически соединены, а каждая ее ячейка представляет собой рекуператор энергии, образуя систему рекуперации энергии заряженных частиц от электростатического торможения, при этом на каждую дополнительную непрерывную несоприкасающуюся поверхность подают электрический потенциал, поддерживающий рациональное электростатическое напряжение защитного электростатического поля.

2. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что на изолированные ячейки сетчатого экрана подают электрический потенциал требуемой величины и знака для регулирования энергии заряженных частиц, поступающих в полости рекуператоров.

3. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что на вложенных друг в друга замкнутых геометрически непрерывных несоприкасающихся поверхностях создают биполярное или мультиполярное электростатическое поле за счет того, что поверхности выполняют в виде токопроводящих изолированных между собой слоев и на каждый слой подают соответствующий электрический потенциал.

4. Способ защиты по п. 3, отличающийся тем, что на токопроводящих изолированных между собой слоях создают спектр электрического потенциала и напряженности электрического поля путем зарядки и разрядки внутренних электрически заряженных слоев.

5. Способ защиты по п. 3, отличающийся тем, что для зарядки внутреннего и внешнего токопроводящих слоев с напряженностью поля до 1 МэВ используют магнитокумулятивные витковые или баллистические многоразовые генераторы импульсов тока.

6. Способ защиты по п. 3, отличающийся тем, что для зарядки внешнего токопроводящего слоя многослойной замкнутой, геометрически непрерывной поверхности с концентрацией зарядов и напряженностью более 1 МэВ используют расположенный с внешней стороны замкнутой геометрически непрерывной поверхности пролетный рекуператор энергии, при помощи которого поток отрицательно или положительно заряженных частиц высокой энергии межпланетного пространства направляют в аксиально-конический канал заряженного электрода пролетного рекуператора энергии, в котором происходят сжатие, концентрация и рекуперация части энергии, после чего поток частиц направляют на внешний слой, препятствующий проникновению заряженных частиц высокой энергии комических лучей.

7. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рекуператора энергии применяют одноступенчатые или двухступенчатые рекуператоры энергии заряженных частиц с корпусами, выполненными из металлодиэлектрического температуростойкого материала с низкой магнитной и диэлектрической проницаемостью, при этом рекуператоры последовательно электрически соединены между собой для обеспечения требуемых емкости, разрядной мощности, напряжения и плотности тока, осуществляют рекуперацию с одновременной нейтрализацией заряда заряженных частиц и получением атомов и молекул газа, а также с возможностью создавать в них дополнительное защитное электростатическое поле в двух взаимно перпендикулярных плоскостях суперконденсаторов и минимизировать влияние электрических и магнитных полей на КА.

8. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что энергию заряда электростатического поля, локализованного между замкнутыми геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, используют для получения электроэнергии и регулирования напряженности электрического поля, а также управления энергетическими параметрами защитных электростатических и магнитных полей и энергосистем КА.