Способ формирования пылевого потока для механического взаимодействия с орбитальными КО Российский патент 2024 года по МПК B64G1/24 

Область техники

Изобретение относится к методам и средствам осуществления межорбитальных маневров космических объектов (КО) с использованием внешних ресурсов космической среды и, конкретно, мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита («лунной пыли»), запасы которого на поверхности Луны достаточно велики.

Ожидаемые промышленно-технологические применения реголита многообразны, и среди них можно выделить возможность его непосредственного использования в качестве рабочего тела для перемещения в космосе (см., например, [1] WO 2020155460 А1; 06.08.2020, где предложено применение мелкого реголита для создания реактивной тяги при перелетах между пунктами поверхности Луны).

Энергетические ресурсы «лунной пыли» могут проявиться в значительно большей мере применительно к маневрам КО в системе Земля-Луна. Это видно из того, что гравитационный потенциал -mμ/R_M массы m вещества на орбите Луны, вне сферы ее влияния, больше гравитационного потенциала -mμ/R_o такой же массы на поверхности Земли (R_o ≈ 6400 км) или на околоземной орбите (R_o > 6400 км) на величину

, (1)

где R_o << R_M (≈ 384000 км); μ - гравитационная константа Земли, R_M - средний радиус орбиты Луны. Здесь и далее движение КО и лунного вещества рассматривается в рамках ограниченной задачи двух тел.

Таким образом, разность гравитационных потенциалов (1) практически равна энергии массы m на параболической орбите (со «второй космической» скоростью ν_е в перигее), и следовательно, при передаче этой энергии лунного вещества некоторому КО, масса которого соизмерима с m, можно получить значительное изменение орбиты КО.

Очевидно, что для такой передачи энергии вещество (реголит) должно быть выведено с поверхности Луны и покинуть сферу влияния Луны, перейдя на параболическую (или слабо-гиперболическую) траекторию, пересекающую орбиту КО или касающуюся ее. Для этого веществу надо сообщить скорость порядка «второй космической» для Луны, которая составляет всего 2,38 км/с и сравнительно легко достигается, например, с помощью электромагнитных ускорителей (ЭМУ). Затраты энергии при этом будут, как легко видеть, на порядок меньше (1).

Схемы передачи КО энергии лунного вещества (при чисто механическом взаимодействии точнее говорить о количестве движения) разнообразны, но общим требованием к ним должно быть ограничение действующих на КО нагрузок при его взаимодействии с потоком вещества, ввиду чего плотность потока должна быть достаточно мала, а его размеры (в направлении движения относительно КО) соответственно велики - чтобы с КО прореагировала масса вещества, достаточная для существенного изменения скорости КО.

Для восприятия набегающего на КО потока можно использовать обычный экран (в том числе жаропрочный) или более сложную систему, преобразующую поток.

Предшествующий уровень техники

Помимо [1], высказывались, и достаточно давно, другие предложения использовать измельченное внеземное вещество для изменения движения (орбит) различных КО, в том числе - лунный реголит по описанной выше схеме - см. [2] А.В. Андреев. Некоторые вопросы транспортировки лунного вещества. Труды X1X Чтений К.Э. Циолковского. Секция "Проблемы ракетной и космической техники». М., ИИЕТ АН СССР, 1986. С.87-96 (с библиографией).

В [2] предлагалось формировать на гиперболической траектории движения из области орбиты Луны, посредством давления солнечного излучения, протяженный пылевой «хвост» (по аналогии с кометным), взаимодействующий с КО в перигее, причем была показана принципиальная возможность тангенциальной ориентации в перигее «хвостов» двух типов: (I) с лидированием мелких пылевых частиц реголита (<1 мкм), дальше всего унесенных солнечным ветром от начальной точки формирования «хвоста», и (II) с лидированием крупных пылевых частиц (>100 мкм), недалеко отстоящих от начала формирования «хвоста»; первый тип дает «мягкий режим» взаимодействия КО с «хвостом», а второй - «жесткий режим» (может использоваться для ликвидации космического мусора, разрушения нежелательных объектов и т.п.).

Достоинством решения [2] является то, что не взаимодействовавшая с КО часть пылевого потока покидает сферу гравитационного влияния Земли, а потому не служит источником космического мусора. Оставшиеся после взаимодействия частицы либо сгорают в атмосфере, либо постепенно «выметаются» солнечным излучением.

Принцип изменения скорости КО, в том числе - при его выведении на орбиту, основанный на утилизации энергии лунного вещества, получил развитие в [3] А.О. Майборода. Система Satpush: использование внеземных запасов потенциальной и кинетической энергий для космических запусков. Воздушно-космическая сфера / Aerospace Sphere Journal, №2(95), 2018.

Согласно [3], на переходную траекторию, связывающую низкие окололунную и околоземную орбиты, выводится множество КА с капельными генераторами/сборниками (КГС) и запасами лунной воды и реголита, из которых приготовляется суспензия. При подлете к Земле КА выстраиваются в кортеж, сквозь который пролетает КО (выводимый на орбиту летательный аппарат), последовательно пересекая формируемые КГС струи суспензии («гидропушеры») и получая от взаимодействия со струями, посредством теплозащитного экрана, приращения скорости на траектории выведения.

Ранее тем же автором были предложены «активные» разновидности схемы [3], где вместо экрана применялся прямоточный реактивный двигатель (ПРД), а струи формировались в виде линейных элементов: лент, нитей, волокон и т. п. структур, на основе гелей и твердых материалов или комбинацией твердых веществ с жидкими или газообразными, образующими один или более гибких шнуров (длиной от 100 м до 300 км), в том числе топливонесущих. Эти шнуры (по одному или пучком) должны проходить сквозь канал ПРД и, увеличивая свою энтальпию (за счет кинетического нагрева или сгорания), выбрасываться из сопла ПРД с большей скоростью, создавая тягу. Данные шнуры могут изготавливаться, в частности, на Луне из местного сырья - см. [4] RU 2385275 С1; 27.03.2010.

Общим недостатком известных решений [1] - [4] является недостаточный учет или недостаточное использование тех физических условий и феноменов, которые влияют на движение пылевых частиц в открытом космосе и, следовательно, на формирование их потоков, взаимодействующих с КО.

Основными факторами космической среды в системе Земля-Луна являются:

-гравитация,

- электромагнитное излучение Солнца (с солнечной постоянной ≈ 1400 Вт/м²),

- солнечный ветер (в основном протонно-электронная плазма с температурой ≈10⁵K, концентрацией в среднем 7*10⁶ м^-3 и плотностью потока частиц ≈10¹²м^-2с^-1),

- околоземная плазма (ионосферная и магнитосферная).

Истинную картину формирования и эволюции пылевого потока можно получить лишь при рассмотрении совместного действия этих факторов, существенно различных в разных областях системы Земля-Луна (учитывая, наряду с прочим, наличие теневых участков орбит) и переменных по времени (вследствие колебаний уровня солнечной активности, суточных вариаций электронной концентрации в ионосфере и др.).

Можно отметить и частные недостатки известных решений, такие как низкая энергетическая эффективность использования реголита в качестве реактивного рабочего тела в [1] (где частицы реголита выбрасываются из КО с помощью вращающейся крыльчатки); сложность технической реализации взаимодействия КО с потоками вещества в [3] и [4].

В [3] эта сложность существенно обусловлена тем, что взаимодействие КО со струйным потоком сравнительно малопродуктивно, т.к. КО движется поперек потока, а не вдоль него - что требует большого числа КА с «гидропушерами» (согласно примеру [3], около 80).

В [4] сложной проблемой является точное попадание протяженного шнура (пучка шнуров) в заборное устройство ПРД, если при этом еще учесть, что ориентация шнура вдоль орбиты гравитационно неустойчива (шнур будет стремиться перейти в вертикальную или волнообразную конфигурацию); при длине шнура ~1000 м и более может потребоваться весьма нетривиальная система его стабилизации.

Недостатком технического решения [2], которое принимается в качестве ближайшего аналога, является отсутствие методов и средств, уменьшающих нежелательное рассеяние формируемого пылевого потока под действием указанных факторов космической среды.

Ансамбль пылевых частиц, формирующих поток, далее будет называться шлейфом.

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного выше недостатка прототипа [2] путем разработки способа упорядоченного формирования шлейфа мелкодисперсного вещества, уменьшающего его нежелательное рассеяние.

Техническим результатом является уменьшение нежелательного рассеяния шлейфа мелкодисперсного вещества, с возможностью управления его размерами и структурой (распределением частиц по их размерам вдоль шлейфа).

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается в предложенном способе формирования пылевого потока, который включает выведение мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту в плоскости эклиптики, соприкасающуюся в перигее с начальной околоземной орбитой КО, инициируют процесс формирования протяженного шлейфа указанного вещества совместным действием на пылевые частицы светового давления и гравитации, обеспечивая тангенциальную ориентацию шлейфа при прохождении им перигея, где шлейф взаимодействует с КО, причем отличием способа является то, что для формирования единичного шлейфа подбирают пылевые частицы одинакового в среднем эффективного диаметра (d) и при этом:

- задают систему координат ОХY с центром О, движущимся по указанной переходной орбите, и с неизменно направленными в инерциальном пространстве осями, причем ось ОХ параллельна тангенциальному направлению в перигее, а ось ОY параллельна радиусу-вектору перигея;

- выбирают положение указанной переходной орбиты центра О относительно Солнца так, чтобы солнечный световой поток составлял с указанными осями координат заданные углы, близкие к 45°;

- перемещают инициирующее устройство по траектории, проходящей в системе координат ОХY из заданной начальной точки (X_о, Y_о) в заданную конечную точку (X_к, Y_к), причем Y_o>Y_к>0, Х_к>Х_о; X_о<0 при ϑ_о>90° и X_о >0 при ϑ_о<90°, где ϑ_о - истинная аномалия центра О на переходной орбите в момент начала перемещения;

- непрерывно или порциями высвобождают пылевое вещество из инициирующего устройства в точках указанной траектории при нулевой скорости пылевых частиц относительно системы координат ОХY, обеспечивая оптическую прозрачность ансамбля частиц, причем координаты (Х, Y) точек высвобождения отвечают начальным условиям движения, приводящего частицы на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея;

- для формирования составного шлейфа используют несколько инициирующих устройств, для которых задают, как указано выше, системы координат ОⁱХⁱYⁱ (i = 1, 2,…n), центры которых Оⁱ распределены вдоль переходной орбиты, а пылевое вещество из инициирующего устройства высвобождают в точках траекторий, зависящих от выбираемого эффективного диаметра частиц (d ⁱ) в i-ых системах координат.

Пылевое вещество может доставляться из мест накопления и обработки либо на поверхности Луны, либо на окололунной орбите или в других точках орбиты Луны вокруг Земли, например, с помощью ЭМУ.

Движение инициирующего устройства (ИУ) по переходной орбите и пыли вблизи этой орбиты рассматриваются в рамках ограниченной задачи двух тел (без учета полей тяготения Луны и Солнца).

При этом в предлагаемом способе центры Оⁱ могут быть распределены вдоль переходной орбиты так, чтобы моменты их последовательного прихода в точку этой орбиты с указанной выше истинной аномалией ϑо отстояли друг от друга на время не менее τ = L/ν_π, где L и ν_π - длина и скорость предыдущего (i-1)-го единичного шлейфа в перигее, при этом траекторию высвобождения пылевого вещества в k-ой системе координат получают растяжением или сжатием траектории высвобождения в i-ой системе координат с коэффициентом (d ⁱ/d ^k) вдоль каждой из осей ОⁱХⁱ, ОⁱYⁱ, где i, k =1, 2,…n.

Желательно, чтобы пылевой поток формировался в области космической плазмы, где радиус (длина) Дебая окружающей плазмы существенно меньше поперечных размеров шлейфа, чтобы уменьшить электростатическое рассеяние пылевых частиц при их фотоэмиссионной и иной электризации.

Перечень фигур

Существо предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим детальным описанием примеров его осуществления с прилагаемыми чертежами, на которых проиллюстрированы:

Фиг. 1 - принципиальная схема формирования шлейфа, согласно изобретению.

Фиг. 2-4 - подход к оценке характера движения частиц шлейфа.

Фиг. 5, 6 - траектории начальных условий формирования шлейфа.

Фиг. 7 - оценка параметров шлейфа в перигее.

Фиг. 8, 9 - примеры конструкции ИУ для выброса пылевого вещества.

Фиг. 10 - скорости расширения шлейфа при выбросе пылевого вещества

Фиг. 11 - схемы взаимодействия шлейфа с КО в перигее переходной орбиты.

Раскрытие и примеры осуществления изобретения

Предположим, что взаимодействующий со шлейфом КО (не показан) находится на некоторой начальной орбите вокруг Земли 1, которая соприкасается с переходной орбитой 2 в перигее. Взаимодействие происходит в области, обозначенной поз.I, где могут быть сформированы шлейфы различной структуры: а) - однородный (единичный) шлейф из частиц одного эффективного диаметра d (далее - просто диаметра); б) - составной из отдельных, с интервалами, единичных шлейфов с одним или разными диаметрами частиц; в) - сплошной переменной структуры (например, I типа).

Как показано на фиг.1, в окрестности переходной орбиты 2 формируется исходный шлейф 3, подверженный действию притяжения Земли 1 и давлению солнечного излучения 4. Шлейф начинает формироваться высвобождением из ИУ 5 пыли (с одинаковым в среднем диаметром dⁱ частиц) в некоторой начальной точке с координатами (Xⁱ=с, Yⁱ= b) в одной из i-x систем координат (например, в той же самой OXY, которая показана в других точках переходной орбиты).

Координаты (с, b) точки высвобождения каждой элементарной («мгновенной») порции частиц отвечают начальным условиям движения этих частиц, приводящего их на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея (области поз.I на фиг.1). Поскольку центр О движется по орбите 2 к перигею, указанное время (как и истинная аномалия ϑ) уменьшаются, поэтому указанные координаты точек высвобождения зависят от времени и задают траекторию высвобождения (кривую начальных условий): х*= c(t), y* = b(t). По этой траектории движется ИУ 5, высвобождая частицы непрерывно или конечными порциями.

Высвобождаемые ансамбли частиц должны быть оптически прозрачными, чтобы частицы не затеняли друг друга от потока света 4. Следует здесь обратить внимание на обеспечение одинакового в среднем эффективного диаметра частиц в единичном шлейфе. Этот диаметр выбирается таким, чтобы частицы с массой m = ρπd ³/6 и миделем σ = πd ²/4 испытывали одно и то же ускорение S_η от силы f_η давления солнечного света, которое можно оценить как:

где k =1…2 - коэффициент отражения (рассеяния) света (с учетом спектральной зависимости k); q_s ≈ 1400 Вт/м² - солнечная постоянная; c - скорость света; ρ - плотность реголита (для примера принята равной 3100 кг/м³). Указанные в (1) параметры идеализированы (не отражают несовершенство формы, неоднородность состава частицы и др.). Наилучший отбор требуемых частиц был бы в случае заблаговременного процесса их сепарации под действием того же давления солнечного света (например, в окололунном пространстве) и сбора частиц, достигших через определенное время одного и того же удаления (в рамках узкого допуска) от места их высвобождения устройством, аналогичным ИУ. Такие частицы и следовало бы считать обладающими одинаковым «эффективным диаметром».

Каждая частица после высвобождения получает ускорение (1) от светового давления и гравитационное ускорение, которое относительно выбранной системы координат OXY, ввиду относительно короткого шлейфа (~100 …1000 м) и небольшого удаления от центра О (того же порядка) можно рассматривать в линейном приближении. В этом приближении на частицу шлейфа 3 с координатами (х, у) действует вдоль радиуса-вектора ускорение градиентного типа g’ = [2g(R) + ω²R] Δ/R, где g(R) - ускорение от силы притяжения планеты на расстоянии R от ее центра; ω = ν_n/R - местная угловая орбитальная скорость (ν_n -трансверсальная компонента орбитальной скорости); Δ = x sin ϑ - y cos ϑ -смещение частицы вдоль радиуса-вектора R центра О на переходной орбите 2 (см. фиг.1).

Вдоль ортогонального направления действует ускорение w’ = [g(R) - ω²R] ν/R, где ортогональное смещение частицы ν = - x cos ϑ - y sin ϑ. В фокальной точке орбиты (ϑ = 90°) w’= 0, ввиду чего не слишком далеко от данной точки пренебрежем ускорением w’, чтобы получить качественную картину движения.

Из этих соображений в проекциях на оси ОХ и ОY нетрудно получить следующие приближенные уравнения движения частицы:

где S_x, S_y - проекции ускорения (1) на указанные оси: S_x= S_η cosγ, S_y= S_η sinγ (γ - угол между направлением солнечных лучей 4 и осью ОХ).

Данную (вырожденную) систему (2) можно расщепить на следующие подсистемы:

Простое решение:

достаточно хорошо удовлетворяет (2’), если использовать безразмерное время, согласно известной его связи с истинной аномалией:

(см., например, [5] Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. Под ред. Г. Н. Дубошина. М. «Наука».1976, с.336).

Начальные значения в (3) удовлетворяют условиям:

- при τ = 0; . (5)

Последнее условие означает, что частица в конечный момент τ_k (т.е. в перигее) попадает на ось ОХ. Безразмерные величины обозначим как:

b и c. (6)

Выбор ориентации переходной орбиты относительно солнечных лучей, т. е. угла γ = arctg (S_у/S_x), можно оценить, исходя из наилучшей аппроксимации последнего соотношения (2’) решением (3). Соответствующие вычисления показывают, что γ ≈ 45° (S_x ≈ S_у).

На фиг. 2-4 показаны аппроксимации функции ctg ϑ функцией, полученной на основе решений (3):

для различных значений начальной истинной аномалии ϑ₀. По оси ординат отложено время Т движения частицы от точки ϑ₀ (τ = 0) до перигея ϑ = 0 (T→ τ_k). На тех же кривых показана зависимость (4) для случая параболы (е = 1), когда интеграл (4) берется явно; используемые в предлагаемом способе гиперболы мало отличаются от параболы, т. к. оптимальные значения их эксцентриситетов е ~1,01. Отсюда видно, что решение (3) дает качественно правильную картину движения частиц шлейфа.

Действительное движение частиц шлейфа и соответствующие начальные условия должны уточняться на основе проводимых расчетов по более полным и точным моделям. Эти расчеты могут проводиться на борту КО и/или носителя ИУ, при обмене навигационной и иной информацией между ними. Построение системы координат OXY можно осуществить по звездным ориентирам при использовании также гироскопических средств.

На фиг. 5 показана безразмерная кривая начальных условий в некоторой системе OXY, находящейся в точках переходной орбиты 2 в разные моменты τ (при разных значениях ϑ₀). Каждая точка этой кривой суть {Х=с(τ), Y=b(τ)} или {Х=с(ϑ₀), Y=b(ϑ₀)}, где все величины безразмерные, согласно (4) и (6).

Поскольку размерные координаты (6) пропорциональны S_η ~ d ^-1, то размерные кривые начальных условий (траектории выброса частиц) для частиц разных диаметров (dⁱ, d^k) будут отличаться друг от друга масштабным фактором - сжатием или растяжением с коэффициентом (dⁱ/d^k) вдоль осей координат. Такие траектории выброса показаны на фиг. 6 для частиц с размерами 20, 7 и 2 мкм, при использовании переходной орбиты с фокальным параметром р = 14000 км (высота перигея ≈ 616 км). Для этой орбиты параметр ω* = (μ/p³)^1/2 ≈ 0,00038 c^-1.

Как видно из фиг. 6, траектории выброса для частиц с d ≥ 20 мкм пролегают от центра О на расстояниях ~ 10 м, с d ≥ 7 мкм на расстояниях ~ 100 м, с d ≤ 2 мкм на расстояниях ~ 1000 м и более. Характерные времена отработки траекторий выброса лежат в диапазоне ΔТ = 0,2 - 0,8 (фиг.2-4), т. е. в диапазоне Δt = ΔТ/ ω*= 530 - 2100 c. Отсюда можно оценить порядок скоростей (u) перемещения ИУ в системе OXY: при выбросе наиболее крупных частиц u ~ 1- 4 см/с; средних частиц u ~ 10 - 40 см/с; мелких (~ 1 мкм) частиц u ~ 1 - 4 м/с.

Технически проще выбрасывать относительно крупные частицы порциями, а относительно мелкие - непрерывно, с использованием некоторого рода ускорителей.

На фиг.7 даны параметрические зависимости с (τ) и b (τ), а также X_k (τ) = X_k [с (τ)] - координаты соответствующих частиц на оси ОХ в момент достижения ими перигея (один и тот же для всех частиц, выпущенных в данной системе OXY на траектории выброса). Отмечена точка τ ≈ 0,667 - время движения до перигея из точки орбиты с ϑ₀ = 90°. Разность значений ΔX_k = X_k (τ₁) - X_k (τ₂) характеризует длину шлейфа (L) в перигее, сформированного за время (τ₁- τ₂) движения ИУ по траектории выброса.

Как видно из фиг.7, длина L=ΔX_k единичного шлейфа в перигее в несколько раз меньше его исходной длины при формировании вдоль траектории выброса. Это значит, что шлейф уплотняется по сравнению с первоначальным разреженным (оптически прозрачным) состоянием.

Данное уплотнение частично компенсирует рассеяние шлейфа в плоскости переходной орбиты (в том числе, из-за уменьшения его прозрачности вблизи перигея). Отклонения частиц по нормали к плоскости орбиты также значительно уменьшаются в перигее, т.к. аргумент перигея (ω) и долгота восходящего узла (Δω) при этих отклонениях не меняются. Величины нормальных скоростей ν_n должны быть ограничены величиной | ν_n | ~ 1 см/с (как это видно, например, из уравнений Ньютона [5], c.335).

Повторяя описанный процесс формирования единичного шлейфа множеством ИУ, следующих друг за другом по орбите 2, можно увеличить длину шлейфа в перигее и получить требуемую его структуру, как показано на фиг.1, поз.1. Для получения сплошного составного шлейфа моменты последовательного прихода центров Оⁱ в точку с истинной аномалией ϑ_о должны следовать друг за другом весьма быстро, очевидно - с задержкой не более Δτ = L/ν_π, где L и ν_π - длина и скорость предыдущего (i - 1)-го единичного шлейфа в перигее. Поскольку L ≈ 100 - 1000 м, а ν_π ≈ 11 км/с, то Δτ ≈ 0,01 - 0,1 с. Вдоль орбиты 2 центры О^i-1 и Оⁱ должны отстоять друг от друга на расстояние порядка 75 - 750 м, т. е. недалеко. При бóльших задержках шлейфы будут с промежутками (тип б) на фиг.1, поз.I).

Для формирования нескольких единичных шлейфов (i = 1, 2,…) может применяться множество ИУ 5ⁱ, выводимых из области орбиты Луны носителем 6, запускаемым, преимущественно с помощью ЭМУ (для чего предусмотрены, например, обмотки 7). Носитель имеет на борту необходимые системы ориентации, коррекции (8), навигации, блоки моделирования (включая блоки задания систем координат ОⁱХⁱYⁱ) и расчета движения ИУ по траекториям выброса. ИУ имеют минимальное аппаратурное обеспечение: в основном приемники команд от носителя и исполнительные органы для перемещения вдоль траекторий выброса: блоки 9 микрореактивных двигателей на выдвижной штанге (которая может быть связана с корпусом 10 ИУ шарнирно) и средства высвобождения частиц, интегрированные с корпусом 10. Соответствующие команды с носителя 6 передаются, например, посредством антенн типа фазированных решеток (в том числе, раскладных) 11 к ИУ, контроль и телеметрия передаются в обратном направлении с помощью антенн 11, установленных на ИУ (фиг. 8).

Для согласования с движением КА к перигею между носителем 6 и/или ИУ 5ⁱ также устанавливается информационный обмен - непосредственно или через удаленные пункты.

ИУ отделяются от носителя в точках орбиты 2 с требуемым их распределением, согласно описанной выше последовательности выброса частиц единичных шлейфов. Фиксация виртуальных точек Оⁱ и осей может производиться на базе астроориентиров (звезд, квазаров и т.д.), наблюдаемых с борта носителя, с применением при необходимости также гироскопических систем. Для облегчения навигации ИУ в точках Оⁱ могут быть помещены радио- или лазерные маяки (отражатели), а на борту ИУ установлены какие-либо простые системы контроля движения по маякам. Данные контроля могут передаваться на носитель вместе с прочими данными.

На фиг. 9 схематично показаны возможные средства высвобождения частиц из ИУ. Для скоростей выброса ν > 1 м/с наиболее мелких частиц может быть предложена электростатическая система по фиг. 9 а), содержащая контейнер 14 с пылевым веществом, устройство 15 псевдоожижения пыли, переводящее пылевые частицы во «взвешенное» состояние в тонком (< 2-5 см) слое 16 на дне стакана-направляющей ускоряемой пыли 17 с диэлектрическими стенками и управляющей электропроводной сеткой 18. Может быть применена одна или более корректирующих сеток 13. Внутри стакана и между сетками 13 и 18 установлены датчики 19 электрического поля, связанные с блоками 20 приема и обработки показаний датчиков, подключенными к решающему устройству 21, формирующему управляющие команды на исполнительное устройство 22, вырабатывающее напряжения, подаваемые на сетки. Потенциалы сеток 13 и 18 устанавливаются, например, относительно потенциала слоя 16 (дна стакана, «заземленного» в окружающую плазму).

Данная система работает при условии начальной электризации частиц пыли в слое 16 - либо только за счет космической среды (околоземной плазмы и солнечного ветра), либо при дополнительном кратковременном облучении пучком заряженных частиц. Длина Дебая в областях, характерных для формирования исходного шлейфа, составляет ~ 1-10 м, так что экранирование вблизи слоя 16 невелико.

Для примера будем рассматривать цилиндрические заряженные области: ансамбли с объемной концентрацией выбрасываемых частиц реголита (ρ ≈ 3100 кг/м³):

где М - масса вещества ансамбля, R, h - радиус и высота цилиндра, d - диаметр частиц. Начальная концентрация n₀ получается из (8) при R=R₀ - радиусу стакана на фиг. 9 а, h=h₀ - толщине слоя 16. Условие прозрачности исходного ансамбля сводится к требованию, чтобы длина свободного пробега в нем l = (σn)^-1 была порядка R, где σ - миделево сечение частицы с диаметром d, откуда и из (8) имеем:

(9)

Например, для частиц с d = 10 мкм (10^-5 м), при R = h = 5 м масса М ~ 1,6 кг. Состояние прозрачности ансамбля достигается при степени его расширения ξ ≈ h/h₀ =100-200 (пренебрегая изменением R). Если исходные тонкие слои 16 ускоряемой пыли 17 формируются с частотой ν, то расход пыли будет ~ (1,6 ν) кг/с, и за время выброса ~1000 с может сформироваться исходный шлейф с массой ~ (1,6 ν) т.

Концентрации частиц в данном примере: n = 2,6*10⁹ м^-3 и n_o= (2,6 - 5,2)*10¹¹ м^-3.

Для оценки электростатического поля (E_H), создаваемого описанным ансамблем заряженных пылевых частиц и вызывающего расширение ансамбля в продольном направлении, воспользуемся подходом к решению задачи о тонких заряженных дисках (см. [6] А.Н. Паршаков. Принципы и практика решения задач по общей физике. Часть 2. Электромагнетизм. Изд. Пермского ГТУ. 2010, с.54-55), распространив этот подход на цилиндрические заряженные области.

Оценку поля (E_R), создаваемого описанным ансамблем в поперечном направлении и вызывающего радиальное его расширение, легко получить из теоремы Гаусса [6, с.26], рассматривая поток поля E_R через цилиндрическую поверхность.

В результате можно получить следующие формулы для напряженностей электрического поля вблизи торцов (E_H) и боковой поверхности (E_R) цилиндров:

Для промежуточных значений h выражения E_H и E_R более сложные. Здесь ε_o = 8,9*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; q - заряд одной частицы, связанный с ее потенциалом ϕ следующим образом:

(11)

Значения q и ϕ следует рассматривать как средние. Напряженности E_H и E_R убывают по мере погружения внутрь цилиндров, так что продольное и радиальное расширение ансамбля частиц носит регулярный характер (чем ближе к поверхности - тем быстрее, и наоборот).

Электроны околоземной плазмы и солнечного ветра могут заряжать микрочастицы до ϕ = -100 В, фотоэлектронная эмиссия (существенная только для разреженного ансамбля выброшенных частиц) повышает эту величину до ϕ = +2…5 В (см. [7] А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Электризация космических аппаратов. Сер. Космонавтика, астрономия, 3/85. Изд. «Знание». М. 1985, с.10-22). Однако слой 16 на дне стакана, по крайней мере, частично защищен от действия среды и поэтому электризуется медленнее, чем снаружи стакана.

Для рассматриваемого примера поле слоя 16 (при h₀=0,025 м): E_H ≈ 10⁷ϕ, E_R ≈ 2*10⁵ϕ (В/м), а соответствующие ускорения частиц: а_Н = qE_H /m ≈ 1,7*10³ϕ², а_R = qE_R /m ≈ 70 ϕ² (м/с²), откуда видно, что даже при небольших потенциалах зарядки частиц | ϕ | ~ 1 В их ускорения будут носить взрывной характер: за время t ~ 0,2 с происходит 200-кратное удлинение слоя 16 (при изменении R всего на ~ 50 см), причем скорости удлинения (ν_H) и расширения (ν_R) ансамбля достигают значений, мало меняющихся со временем (в данном случае ν_H ≈ 23 м/с и ν_R ≈ 2 м/с).

Поэтому очевидна необходимость либо сильно ограничить естественную зарядку ϕ пылевых частиц (например, облучением зарядами противоположного знака), или уменьшить E_H и E_R созданием встречных компенсирующих полей E_H, E_R, уменьшающих поля электризации в отношениях: E_H - E_H = η₁E_H, E_R - E_R = η₂E_R.

Поле E_H создается сеткой 18, а поле E_R может создаваться центральным электродом - стержнем, поддерживающим сетку 13 (фиг. 9 а).

При значительных потенциалах частиц, например, ϕ = 20 В, поля E_H и E_R почти полностью компенсируют E_H и E_R: η₁ =2*10^-5, η₂ = 10^-6; далее показатели η_i растут пропорционально снижению ϕ, и только при очень малых потенциалах ϕ < 10 μВ (при E_H ~ 10⁵ В/м, E_R ~ 10³ В/м) η_i ≈ 1, т. е. компенсации не требуется.

Для примера ϕ = 20 В, на фиг. 10 показано нарастание скоростей свободных продольного (ν_H) и радиального (ν_R) расширений исходного слоя 16 пыли до достижения степени его удлинения ξ = 10. В начальный момент t = 0 времени (ось абсцисс) имеется особенность: а_Н, а_R →∞. Та же картина расширения будет и для других потенциалов ϕ - при соответствующих компенсирующих полях. Так, для ϕ = 2 В будет η₁ =2*10^-3, η₂ = 10^-4 и т.д.

Скорости ν_H и ν_R довольно быстро (по крайней мере, по достижении ξ ~100) приходят к практически постоянным значениям, из которых ν_R лежит в допустимых пределах (< 1 см), а ν_H = ν = - ν определяется скоростью ν движения ИУ по траектории выброса. Для коррекции этой скорости после сетки 18 предусмотрена сетка 13 (фиг. 8, 9).

Поскольку распределение частиц и поля внутри стакана (фиг.9 а) при формировании слоев 16 и ускорении частиц в общем случае меняется, то напряжение на сетках 18 и 13 соответственно регулируется по данным датчиков 19.

На фиг. 9 б) схематично показан другой вариант средств высвобождения частиц из ИУ. Для скоростей выброса ν < 1 м/с более крупных частиц можно использовать механическую систему, установленную на i-ом ИУ и содержащую набор кассет 10ⁱ_k, периодически загружаемых из контейнера (не показан) пылевым веществом. Кассета (типа стакана) связана с устройством 24 псевдоожижения пыли (вибратором), подобным устройству 15 на фиг.9а), которому сообщается скорость перемещения - ν относительно ИУ, движущемуся по траектории выброса со скоростью ν. Для этого может быть применен высокоточный манипулятор 23 с соответствующей системой управления и «развязки» от вибратора 24.

Несимметричными вибрациями и обратной подачей кассеты 10ⁱ_k получают требуемую картину рассеянного ансамбля 25. Пустые кассеты после их (разового или многократного) использования могут собираться и загружаться, вместе с ИУ 5ⁱ, на носитель 6, который доставляется по восходящей ветви переходной орбиты 2 к Луне.

Для возврата в область орбиты Луны для повторного использования носитель 6 снабжен ионными или СПД двигателями малой тяги 12 (фиг. 8), расход рабочего тела и энергии которых относительно невелик.

В перигее какой-либо КО, например, космический буксир с полезным грузом механически взаимодействует со шлейфом, вытянутым в основном тангенциально и имеющим требуемый характер изменения плотности и/или размера частиц вдоль шлейфа.

КО взаимодействует со шлейфом посредством какой-либо экранной поверхности, схематично показанной как 26 на фиг. 11. Пылевые частицы налетают на эту поверхность с мгновенной скоростью ν(t) и отражаются от нее с той или иной потерей скорости, либо прилипают к поверхности - это определяется соотношением упругой (U) и адгезионной (A) энергий микрочастиц. Характерно, что для частиц с d = 5-10 мкм U >>A при скоростях до ν ≈ 1000 м/с; для d = 20 мкм U >>A при скоростях 500-600 м/с и U ≈ A при ν ≈ 1200 м/с; для d = 40-80 мкм U >A до ν ≈ 1200-1400 м/с (но разность U - A невелика), см. [8] С.В. Клинков, В.Ф. Косарев. Моделирование адгезионного взаимодействия частиц с преградой при газодинамическом напылении. ИТПМ СО РАН. Физическая мезомеханика, 5, 3 (2002), с.31-32.

В рассматриваемом примере скорость КО на круговой орбите высотой 616 км ν₀ = 7,54 км/с, а скорость шлейфа в перигее (с той же высотой) ν_п = 10,67 км/с, поэтому относительная скорость в начале взаимодействия ν(0) = 3130 м/с, так что U<A, и соударение частиц с экраном 26 носит неупругий характер: скорость отскока ν’(0) = 0.

Из-за несовершенства поверхности экрана и неидеальности формы и структуры частиц пыли отражение от экрана будет, в той или иной мере, диффузным, с диаграммой 27 (фиг.11). Эту диаграмму будем считать симметричной относительно оси 28 шлейфа при строго поперечном положении экрана к этой оси. Таким образом, скорость ν’(t), полученная осреднением по множеству отраженных частиц, будет определяться как неупругими потерями, так и диффузным рассеянием, что будем учитывать общим коэффициентом σ < 1: ν’(t) = σ ν(t).

При наклоне экрана 26 к потоку (когда нормаль n к отражающей поверхности составляет с осью потока угол α) диаграмма может деформироваться, так что осредненная скорость отражения ν’(t) будет направлена, в общем случае, к нормали n под углом β ≠ α.

Если естественным образом (при U ≈ A) или специально, часть (χ ≤ 1) соударяющихся частиц пыли остается на экране, то разность потоков импульса к экрану 26 и от экрана будет:

вдоль нормали n

по касательной, (12)

где = γSν - масса пыли, соударяющейся в единицу времени с экраном 26 (γ, S - плотность шлейфа и площадь миделя экрана 26 в направлении оси 28).

Чтобы действие пылевого потока было строго по нормали, углы должны удовлетворять условию =0, т. е.

(13)

Поскольку β(α, ν) - в основном, характеристика поверхности 26, то (13) суть уравнение для определения угла α ориентации экрана к потоку. Коэффициент σ зависит в общем случае от α, ν(t) и других факторов: σ = σ (α, ν, …).

При зеркальном отражении: χ = 0, σ = 1 (что можно осуществить электростатическим способом) имеем α = β; при неупругом ударе: χ = 1, и очевидно α = 0.

Движение КО массой m в направлении -n, ввиду кратковременности взаимодействия со шлейфом, можно описать уравнением:

Переходя к производным по координате (x) вдоль оси шлейфа: получим

где m’= γS. Решение (15) будет следующим:

где L - длина шлейфа, причем масса КО меняется по закону:

Разность Δν = ν_o - ν является скоростью, переданной КО. Как видно, всегда Δν < ν_o (если только отраженной пыли не сообщается дополнительная энергия).

В важных частных случаях: а) - при зеркальном отражении пылевых частиц от поверхности экрана r (α, 1, 0) = 2cos α:

и б) - при полном связывании частиц поперечно расположенным экраном r (0, σ, 1) = 1:

что просто выражает закон сохранения количества движения. Здесь М - прореагировавшая масса шлейфа. Наиболее эффективен режим а) зеркального отражения частиц - например, при М = m₀ и α ≈ 0 он дает ν = 0,14ν_o (Δν = 0,86ν_o), в то время как в случае б) ν = Δν = 0,5ν_o.

Формирование шлейфа и взаимодействие пылевого потока с КО происходят в магнитосферной и ионосферной плазменной среде, где длина Дебая оценивается в пределах ~ 1-0,01 м, что достаточно мало по сравнению с диаметром шлейфа ~10 м, а потому экранирование зарядов существенно, что снижает электростатическое рассеяние пылевых частиц до допустимого уровня.

Промышленная применимость

Для осуществления предлагаемого изобретения не требуется разработка технологий в области космической техники, основанных на каких-либо новых физических принципах; здесь могут быть использованы методы и технические средства традиционного типа, с учетом быстрого роста их рабочих характеристик, в частности, точности и быстродействия операций, резкого увеличения потоков собираемой, передаваемой и обрабатываемой с помощью компактных микро- и наносхем информации, совершенствования исполнительных органов, в частности, микрореактивных (матричных) двигателей и т.д.

Изобретение относится к управлению космическими объектами с использованием мелкодисперсного вещества, например, лунной пыли – реголита. Пыль (частицы размером 10-100 мкм) выводится из области орбиты Луны на параболическую или гиперболическую переходную орбиту и рассеивается по определенной траектории в окрестности этой орбиты. Под действием гравитации и солнечного давления формируется пылевой поток (шлейф), ориентированный в перигее тангенциально и передающий свой импульс некоторому КО на околоземной орбите, проходящей через перигей. Для увеличения длины шлейфа рассеяние пыли может производиться последовательно несколькими инициирующими устройствами. Достигается уменьшение нежелательного рассеяния шлейфа мелкодисперсного вещества с возможностью управления его размерами и структурой в перигее. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ формирования пылевого потока, включающий выведение мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо гиперболическую геоцентрическую орбиту в плоскости эклиптики, соприкасающуюся в перигее с начальной околоземной орбитой КО, инициируют процесс формирования протяженного шлейфа указанного вещества совместным действием на пылевые частицы светового давления и гравитации, обеспечивая тангенциальную ориентацию шлейфа при прохождении им перигея, где шлейф взаимодействует с КО, отличающийся тем, что для формирования единичного шлейфа подбирают пылевые частицы одинакового в среднем эффективного диаметра (d), при этом:

- задают систему координат ОХY с центром О, движущимся по указанной переходной орбите, и с неизменно направленными в инерциальном пространстве осями, причем ось ОХ параллельна тангенциальному направлению в перигее, а ось ОY параллельна радиусу-вектору перигея;

- выбирают положение указанной переходной орбиты центра О относительно Солнца так, чтобы солнечный световой поток составлял с указанными осями координат заданные углы, близкие к 45°;

- перемещают инициирующее устройство по траектории, проходящей в системе координат ОХY из заданной начальной точки (X_о, Y_о) в заданную конечную точку (X_к, Y_к), причем Y_o>Y_к>0, Х_к>Х_о; X_о< 0 при ϑ_о >90⁰ и X_о >0 при ϑ_о< 90⁰, где ϑ_о – истинная аномалия центра О на переходной орбите в момент начала перемещения;

- непрерывно или порциями высвобождают пылевое вещество из инициирующего устройства в точках указанной траектории при нулевой скорости пылевых частиц относительно системы координат ОХY, обеспечивая оптическую прозрачность ансамбля частиц, причем координаты (Х, Y) точек высвобождения отвечают начальным условиям движения, приводящего частицы на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея;

- для формирования составного шлейфа используют несколько инициирующих устройств, для которых задают, как указано выше, системы координат ОⁱХⁱYⁱ (i = 1, 2,…n), центры которых Оⁱ распределены вдоль переходной орбиты, а пылевое вещество из инициирующего устройства высвобождают в точках траекторий, зависящих от выбираемого эффективного диаметра частиц (d ⁱ) в i-ых системах координат.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что центры Оⁱ распределены вдоль переходной орбиты так, чтобы моменты их последовательного прихода в точку этой орбиты с указанной истинной аномалией ϑ_о отстояли друг от друга на время не менее τ = L/V_π, где L и V_π – длина и скорость предыдущего (i-1)-го единичного шлейфа в перигее, при этом траекторию высвобождения пылевого вещества в k-ой системе координат получают растяжением или сжатием траектории высвобождения в i-ой системе координат с коэффициентом (d ⁱ/d ^k) вдоль каждой из осей ОⁱХⁱ, ОⁱYⁱ, где i, k = 1, 2,…n.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пылевой поток формируют в области космической плазмы, где радиус (длина) Дебая существенно меньше поперечных размеров шлейфа.