Способ и система обеспечения межорбитального маневра КА в среде космической плазмы Российский патент 2024 года по МПК B64G1/24 

Область техники

Изобретения относятся к методам и средствам осуществления межорбитальных маневров космических аппаратов (КА) с использованием внешних ресурсов космической среды и, конкретно, мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита («лунной пыли», с размерами частиц ~ 1- 100 мкм).

Такого рода маневры, использующие в основном механическую энергию внешнего вещества, далее для краткости будут называться экзо-динамическими (ЭДМ).

Запасы пыли на поверхности Луны практически безграничны: толщина слоя пыли составляет 4–5 м в области лунных морей и 10–15 м в гористых районах (см. [1] А. В. Захаров и др. Лунная пыль: свойства, потенциальная опасность. Астрономический вестник, 2020, том 54, № 6, ИКИ, М., с.487).

Потенциальная энергия любой массы (m) «лунной пыли» относительно Земли характеризуется гравитационным потенциалом –mμ/R_M, где μ - гравитационная константа Земли, R_M ≈ 384000 км – радиус орбиты Луны. Этот потенциал примерно соответствует кинетической энергии тела той же массы m на поверхности Земли или на низкой околоземной орбите, имеющего «вторую космическую» скорость V_e ≈ 11 км/с.

Ясно, что при передаче естественно запасенной энергии лунного вещества некоторому КА можно получить значительное изменение орбиты КА.

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 КА или касающуюся ее. Для этого веществу (массы m) 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 на порядок меньше указанной выше потенциальной энергии вещества.

Схемы передачи КА энергии и количества движения лунной пыли разнообразны, но общим требованием к ним должно быть ограничение действующих на КА нагрузок при его взаимодействии с потоком пыли, ввиду чего плотность потока должна быть достаточно мала, а его размеры (в направлении движения относительно КА) соответственно велики - чтобы с КА прореагировала масса вещества, достаточная для существенного изменения скорости КА.

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

Предшествующий уровень техники

Предложения использовать измельченное внеземное вещество для ЭДМ различных КА высказывались довольно давно, что отражено, например, в [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 (см. там же и библиографию).

В [2] предложено формировать в окрестности гиперболической траектории движения из области орбиты Луны протяженный пылевой «хвост» (по аналогии с кометным), взаимодействующий с КА 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 КА 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 КА 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 КА, 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 КА (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 предложены «активные» разновидности схемы [3], где вместо экрана КА снабжен прямоточным реактивным двигателем (ПРД), а струи формируются 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.

Ускорение и дистанционная передача в требуемые области пространства гранулированного вещества с помощью электромагнитного (лазерного или радио) излучения предложены в патентах [5] RU 2086883 C1; 10.08.1997 и [6] RU 2198320 C2; 10.02.2003. Манипулируя множеством лучей, исходящих из разных пунктов, можно формировать в заданной области пространства те или иные трехмерные структуры вещества (в указанных патентах - взрывчатых материалов).

Общим недостатком известных решений [2]-[6] 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 КА.

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 ≈ 10⁵К, концентрацией в среднем 7*10⁶ м^–3 и плотностью потока частиц ≈ 10¹² м^–2 с^–1),

- околоземная плазма (ионосферная и магнитосферная).

Правильную картину формирования и эволюции пылевого потока можно получить лишь при рассмотрении совместного действия этих факторов, существенно различных в разных областях системы Земля-Луна и переменных по времени.

Частными недостатками известных решений являются сложность концепций [3]- [4], которая в [3] обусловлена тем, что взаимодействие КА со струйным потоком сравнительно малопродуктивно, т. к. КА движется поперек потока, а не вдоль него – что требует большого числа КА с «гидропушерами». В [4] сложной проблемой является точное попадание протяженного шнура (пучка шнуров) в заборное устройство ПРД и обеспечение устойчивой работы ПРД.

Решения [5]- [6] требуют искусственных источников излучения высокой мощности, что может привести к разрушению гранул и их значительной фотоэмиссионной электризации.

Недостатком технического решения [2], которое принимается в качестве ближайшего аналога, является значительное рассеяние формируемого пылевого потока в поперечном направлении, в том числе за счет электризации пылевых частиц, а также за счет длительного действия на них солнечного давления, т. к. оптические характеристики частиц реголита могут иметь значительный разброс [1, с.487-489]. Это в итоге ограничивает протяженность потока и увеличивает пиковые нагрузки при его взаимодействии с КА.

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

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков прототипа путем уменьшения поперечного рассеяния пылевого потока под действием отмеченных факторов.

Техническим результатом является увеличение протяженности шлейфа для ЭДМ КА, обеспечение его оптимальных поперечных размеров и плотности, а также расширение возможностей управления ориентацией шлейфа перед взаимодействием с КА.

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается в предложенном способе обеспечения ЭДМ КА, включающем выведение мелкодисперсного вещества, например, пылевых частиц реголита из области орбиты Луны на параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, формирование протяженного шлейфа пылевых частиц указанного вещества путем их высвобождения, например, из контейнера и последующего действия на частицы гравитации, солнечного излучения и электростатических сил в среде космической плазмы, причем сформированный шлейф взаимодействует с КА, передавая ему количество своего движения относительно КА, при этом отличием способа является то, что при достижении шлейфом в процессе его формирования требуемой длины вдоль него создают с помощью проводящей линии осесимметричное радиальное электрическое поле зарядов противоположного знака зарядам частиц шлейфа, вызывая поперечное сжатие шлейфа, причем для этого выбирают эпоху и область космической плазмы с радиусом Дебая не менее, или одного порядка с исходным поперечным размером шлейфа, поддерживают непрерывно или периодически линейную плотность заряда проводящей линии для удержания частиц шлейфа вблизи этой линии, которую ориентируют в направлении орбитальной скорости КА перед взаимодействием шлейфа с КА и обнуляют радиальное электрическое поле проводящей линии.

Предпочтительно исходную орбиту КА выбирают, а электрическое поле проводящей линии обнуляют в эпоху и в области космической плазмы с радиусом Дебая не более, или одного порядка с поперечным размером шлейфа частиц, удерживаемых вблизи этой линии.

Предложенный способ реализуется системой обеспечения экзо-динамического маневра КА, включающей в себя устройство формирования протяженного шлейфа (УФШ) пылевых частиц и средство выведения УФШ с мелкодисперсным веществом, например, пылевыми частицами реголита, из области орбиты Луны на параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, причем:

- УФШ содержит инициирующее устройство (ИУ) для высвобождения пылевых частиц, например, из контейнера, с приданием этим частицам начальных условий движения, обеспечивающих их преимущественное распространение в одном направлении и минимально возможное в других направлениях, а также содержит:

- проводящую линию, снабженную средствами ее развертывания и регулируемого электропитания, а также расположенными вблизи указанной линии датчиками электрического поля и параметров плазмы, информационно связанными со средством электропитания, и средствами ориентации линии в пространстве;

- средство выведения УФШ, содержащее блоки коррекции орбиты и ориентации, навигации, телекоммуникации с КА или пунктами его сопровождения, а УФШ содержит устройство невозмущенного отделения проводящей линии от УФШ перед взаимодействием пылевого шлейфа с КА и средство уклонения остальной части УФШ от столкновения с КА.

Для запуска средства выведения УФШ из области орбиты Луны на орбиту перелета к Земле целесообразно использовать стартовое устройство в виде электромагнитного ускорителя (ЭМУ) на поверхности Луны или в окололунном пространстве.

В свою очередь, пылевое вещество может доставляться к средству выведения, также с помощью ЭМУ, из мест накопления и обработки этого вещества либо на поверхности Луны, либо на окололунной орбите или в других точках орбиты Луны вокруг Земли.

Высвобождение пылевых частиц из контейнера производится в псевдоожиженном («взвешенном») состоянии, т. е. частицы не слипаются и не оседают на стенках контейнера - это дает их более равномерную, при экспозиции, электризацию за короткие времена, причем оптически непрозрачный шлейф электризуется в основном отрицательно (электронами космической плазмы), а прозрачный - в основном положительно, в процессе фотоэмисии.

Параметры космической плазмы существенно различны в разных областях пространства (на солнечной и теневой сторонах орбиты КА, в ионосфере, магнитосфере, радиационных поясах и т. д.) и значительно меняются при переменной солнечной активности, деформации магнитосферы потоками частиц солнечного ветра, космических лучей и т. п. Ввиду этого радиус Дебая (R_D) космической плазмы на каждом этапе формирования шлейфа должен определяться в эпоху и в месте проведения данного этапа.

Движение носителя и УФШ по перелетной орбите рассматривается в рамках ограниченной задачи двух тел (без учета полей тяготения Луны и Солнца).

С помощью предлагаемой системы обеспечения ЭДМ из частиц лунной пыли формируется, главным образом за счет факторов космической среды, шлейф в форме достаточно длинного (~1000 м) и узкого (~1 м) цилиндра, ориентируемого по направлению скорости сближения шлейфа с КА, чем повышается доля частиц, взаимодействующих с экраном КА и передающих ему свой импульс, т. е. возрастает эффективность ЭДМ.

Перечень фигур

Существо предлагаемых изобретений поясняется нижеследующим детальным описанием примеров их осуществления с прилагаемыми чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1 – основные этапы и орбитальная схема осуществления ЭДМ.

Фиг. 2 – некоторые детали конструкции УФШ.

Фиг. 3 – пример параметров инициирования шлейфа.

Фиг. 4 – некоторые детали конструкции ИУ.

Раскрытие и примеры осуществления изобретения

Простым примером ЭДМ является перевод некоторого КА с начальной околоземной орбиты 1 на новую орбиту 2 путем взаимодействия с пылевым потоком в перигее (область II на фиг.1). С этой целью на переходную геоцентрическую орбиту 3 выводят носитель 4 с одним или более УФШ 5, которые отделяют от носителя в достаточно удаленной от перигея области I орбиты 3, развертывая с борта УФШ проводящую линию 6.

Параболическая или слабо-гиперболическая (е = 1,01-1,1) переходная орбита 3 лежит в плоскости орбиты 1, что обеспечено начальными условиями при старте носителя 4 из района орбиты Луны и последующими коррекциями. Старт носителя целесообразно производить с помощью ЭМУ, для чего носитель снабжается необходимыми элементами, например, обмотками, переводимыми в сверхпроводящее состояние.

В области I формируется шлейф путем высвобождения ансамбля пылевых частиц из УФШ 5. Основными фазами являются: 7₁ – инициация и быстрое начальное расширение шлейфа вследствие электризации частиц; 7₂ - достижение рабочей длины и «разбухание» шлейфа при его свободном расширении; 7₃ – сжатие шлейфа в узкую область вдоль проводящей линии 6 при сообщении последней соответствующего заряда. Рабочая длина шлейфа зависит прежде всего от допустимой нагрузки на КА 8 при заданном распределении плотности пыли вдоль шлейфа, составляя величину L >1000 м.

Непосредственно перед взаимодействием с КА 8 (область II) от линии 6 с окружающим ее ансамблем частиц (7₃) отделяется и уводится отработавшая часть УФШ 5. Далее шлейф взаимодействует с экраном КА и передает ему часть своего импульса, обеспечивая переход КА с орбиты 1 на орбиту 2. Линия 6 также может участвовать во взаимодействии, т. к. ее масса невелика: например, если линия выполнена в виде нити, состоящей наполовину из алюминия и наполовину из высокопрочного волокна (Kevlar или СВМ), то при диаметре поперечного сечения 1-2 мм и длине 1 км ее масса составит 1,6-6,6 кг, т. е. всего ≈ 2-7 г/м, что пренебрежимо мало по сравнению с массой шлейфа.

Исходный ансамбль пылевых частиц 7, высвобождаемых из УФШ 5, должен иметь форму «блина» (фиг.2, 4), что диктуется требованием максимальной скорости удлинения (v_H) шлейфа вдоль его оси и минимальной скорости радиального расширения (v_R) шлейфа - под действием электростатического поля, вызванного электризацией частиц, экспонированных космической среде.

Соответственно, контейнер 9 инициирующего устройства (ИУ) должен иметь форму цилиндра (призмы) с высотой h₀ и радиусом основания R >> h₀. Для высвобождения частиц из контейнера 9 в псевдоожиженном состоянии ИУ снабжается, например, мембранными пьезоэлектрическими преобразователями.

Приближенную картину инициации и начальной фазы 7₁ образования шлейфа можно получить в допущении о близости формы шлейфа, во всех фазах его формирования, к цилиндрической, и воспользовавшись приемами решения задачи о тонких заряженных дисках (см. [7] А.Н. Паршаков. Принципы и практика решения задач по общей физике. Часть 2. Электромагнетизм. Изд. Пермского ГТУ. 2010, с.54-55), распространив эти приемы на цилиндрические заряженные области.

Можно получить, в частности, следующие формулы для напряженностей электрического поля вблизи торцов (E_H) и боковой поверхности (E_R) цилиндрических шлейфов с однородной объемной концентрацией (n) частиц:

Здесь ε_o = 8,9*10^-12 Ф/м – электрическая постоянная; q - заряд частицы диаметром d, связанный с ее потенциалом φ следующим образом:

(2)

Из (1) видно, что в начале инициации поле E_H существенно сильнее E_R, но затем E_H убывает гораздо быстрее (~ h ^-2), чем E_R (~ h ^-1), поскольку n ~ h ^-1.

Значения q и φ следует рассматривать как средние по объему шлейфа. Напряженности E_H и E_R убывают по мере погружения внутрь цилиндров, так что продольное и радиальное расширения ансамбля частиц носят регулярный характер: чем ближе к поверхности – тем быстрее, и наоборот, ввиду чего и плотность (~n) ансамбля сохраняет равномерное распределение по объему.

В цилиндрическом объеме концентрация частиц реголита (ρ ≈ 3100 кг/м³) связана с массой М их ансамбля очевидной формулой:

Начальная концентрация n₀ получается при R=R₀ –радиусу контейнера 9, h= h*< h₀ (h*- толщина слоя 7 на фиг.4). Условие оптической прозрачности ансамбля сводится к требованию, чтобы длина свободного пробега в нем l = (σn)^-1 была порядка h*, где σ- миделево сечение частицы с диаметром d. Данное условие применимо для оценки начальной электризации пылевых частиц путем фотоэмиссии.

При электризации частиц действием космической плазмы (например, солнечного ветра) проникающие в «блин» протоны и, особенно, электроны (тепловые скорости которых, соответственно, 45 км/с и 2000 км/с [8]) прежде их поглощения пылевыми частицами испытывают множество столкновений с ними (рассеивая свою энергию), так что длина их свободного пробега может быть принята в несколько раз большей: l* = vl. Отсюда и из (1) имеем:

(4)

Электроны околоземной плазмы и солнечного ветра могут заряжать микрочастицы до φ = -100 В, фотоэлектронная эмиссия повышает эту величину до φ = +2…5 В (см. [8] А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Электризация космических аппаратов. Сер. Космонавтика, астрономия, 3/85. Изд. «Знание». М. 1985, с.10-22). Скорость зарядки микрочастицы зависит от многих факторов, но для достаточно разреженного ансамбля частиц она происходит за время τ << 1 c.

На фиг. 3 представлен характерный пример процесса инициирования шлейфа, а именно нарастание фронтальных скоростей свободных продольного (v_H) и радиального (v_R) расширений исходного «блина» за время десятикратного его «утолщения»: ξ = h/h₀ = 10. В момент времени t = 0 имеется особенность: а_Н, а_R →∞ (а_Н,R = qЕ_Н,R/m – ускорения частиц массой m под действием электростатических полей). Заряд всех пылевых частиц считается одинаковым и вызванным фотоэмиссией (φ = + 5 В).

Как видно из графиков, скорости расширения v_H и v_R достаточно быстро приходят к практически постоянным значениям (v_H ≈ 11 м/с; v_R ~ 1 м/с), и шлейф продолжает расширяться «по инерции». В данном примере за время Т = 87,6 с длина шлейфа увеличится до 1000 м, а в диаметре он расширится до 100 м. Эту конфигурацию шлейфа примем за исходную для его последующего сжатия посредством заряженной линии 6.

Заметим, что скорость v_H фронта удлинения шлейфа достаточно велика, ввиду чего для ее исключения в дальнейшем может быть предусмотрена, дополнительно к линии 6, сетка 11 (фиг.2), заряжаемая до соответствующего тормозящего потенциала; эта сетка впоследствии отделяется от линии 6.

Поле E_R, вызывающее радиальное расширение шлейфа, представимо в виде:

где λ_s = λ_s(R) = qnπR² –линейная плотность заряда частиц, заключенных в цилиндрической трубке с поперечным сечением радиуса R. Такой же вид имеет электрическое поле E’_R бесконечной одномерной линии с линейной плотностью заряда λ. Данная одномерная линия является хорошим приближением к заряженной проводящей линии 6.

Таким образом, при создании в линии 6 заряда противоположного, по отношению к заряду частиц, знака с плотностью λ = -λ_s(R) поле E’_R нейтрализует расталкивание частиц шлейфа на расстоянии R от оси: E’_R = -E_R, а все внутренние области шлейфа: r < R притягиваются к его оси, т. к. | λ_s(r) | < | λ |. Для более полного и быстрого сжатия шлейфа следует создать более сильное компенсирующее поле: | E’_R | > | E_R |, т. е. зарядить линию 6 до большей, чем на поверхности шлейфа, плотности заряда λ. Практически может быть достаточно, чтобы величина | E’_R | превышала | E_R | на 10% и даже менее.

В табл.1 представлены примеры параметров, характеризующих сжатие шлейфов пылевых частиц с диаметрами d от 300 до 10 мкм и массой М от 325 до 109 кг. Для исходного шлейфа (7₂ на фиг.2) длиной 1000 м и диаметром 100 м приведены: n*-концентрация пылевых частиц; l *-длина свободного пробега, отвечающая концентрации n*; E₅₀, a*_R - значение E_R и ускорение сжатия на внешней поверхности шлейфа (при R = 50 м).

Табл. 1

d, мкм M, кг n*, м^-3 l *, м l ‘, м E₅₀, В/м E_-3, В/м a*_R, м/с² τ*, с 300 325 952 14863,3 0,17 224 1,10E+07 0,000433 161,6 100 323 25465 5000 0,5 2000 1,00E+08 0,003472 36,1 30 194 565882 2500 1 13333 6,67E+08 2,571687 6,6 10 109 8607066 1479,3 1,7 6760 3,40E+08 11,73461 1

Длина свободного пробега l‘ характеризует радиус r, до которого сжимается шлейф с сохранением своей оптической прозрачности, т. е. при r < l‘ концентрация частиц n* возрастает настолько, что шлейф становится непрозрачным в поперечном направлении. Значение E_-3 отвечает минимальному компенсирующему полю на проводящей поверхности линии 6, т. е. на расстоянии r = 10^-3 м = 1 мм от оси линии, как принято в данных примерах (это поле отвечает условию E’₅₀ = -E₅₀).

Время τ* сжатия шлейфа от R = 50 м до r = l‘ дано для E’₅₀ = -2E₅₀ (λ = -2λ_s) – за исключением случая ансамбля частиц с d = 30 мкм, где E’₅₀ = - 1,1E₅₀ , т.к. в этом случае поле E_-3 вблизи линии 6 достаточно велико, и при том не должно превышать значение ≈ 10⁹ В/м, во избежание автоэлектронной эмиссии [8].

Как видно из табл.1, все исходные ансамбли пылевых частиц прозрачны: l* >> R, а потому заряд пылевых частиц возникает вследствие фотоэмиссии под действием солнечного излучения, вызывающей зарядку до потенциала φ = +2 В …+ 5 В, см. [8]. Ввиду этого, линия 6 должна быть заряжена отрицательно.

В области оптической непрозрачности r < l‘ следует ожидать перезарядки частиц, в частности, электронами окружающей плазмы до отрицательных потенциалов, вследствие чего притяжение частиц к линии 6 сменяется отталкиванием, и сжатие шлейфа естественно прекращается, с достаточно резким отбрасыванием частиц от линии 6 и их новой перезарядкой до положительного потенциала и т.д. В результате может установиться некоторое динамическое равновесие в области вокруг линии 6 с радиусом r* ~ l‘. Регулирование заряда λ линии может обеспечить заданные характеристики переходного процесса.

При проведении описанных выше мероприятий следует учитывать так наз. дебаевское экранирование, определяющее характерный «радиус действия» электростатического поля зарядов в плазме. Для изотермической плазмы радиус Дебая

где Т, n_p –температура и концентрация плазмы; k - постоянная Больцмана; e - заряд электрона. В общем случае вместо Т следует подставить выражение: [, где T_e, T_i – электронная и ионная температуры плазмы.

Для околоземной плазмы в магнитосфере R_D ~ 100 м, а в ионосфере R_D ~ 10^-3 м. Кроме того, имеются временные колебания температуры и концентрации плазмы.

Очевидно, исходный шлейф (7₂) желательно формировать в магнитосфере, где влияние дебаевского экранирования минимально. Удержание пыли вблизи линии 6 эффективно до значений R_D < 1 м, а при R_D << 1 м значительно ослабевает (с возможным повторным, относительно слабым, расширением шлейфа). Ввиду этого ориентировать линию 6 с окружающим ее ансамблем частиц (7₃) в прогнозируемое положение в области перигея (II на фиг.1) следует заблаговременно.

Для ориентации линии 6 могут быть применены микродвигатели отделяемого блока 12 (фиг.2), в котором также может быть установлено средство регулирования заряда λ линии 6 (плазменный контактор). Остальная управляющая и навигационная аппаратура размещается в отсеке 10 УФШ, связанном с контейнером 9, где находится слой 7 пыли, подвергаемый псевдоожижению и высвобождению из УФШ, как описано выше.

На фиг.4 показан вариант, где контейнер 9 снабжен выполненным в виде его донной части коллектором 13 электронов космической плазмы. Может быть предусмотрена дополнительная (поворотная относительно ИУ) поверхность, заряжаемая положительно под действием солнечного излучения. Коллектор 13 и указанная поверхность питают эмиттер 14 заряженных частиц (электронов или ионов), например, полый катод или электронную пушку, облучающий широким лучом ансамбль 7 пылевых частиц на дне контейнера, обеспечивая его дополнительную, при необходимости, электризацию для последующего удлинения и расширения. УФШ может быть также снабжен облучателем ансамбля частиц 7₃, сформированного вблизи нити 6.

Развертывание проводящей линии 6 из компактного состояния (например, укладки на сетке 11) может производиться выталкиванием блока 12 вдоль оси контейнера 9 известными средствами. Последующая электро-зарядка линии 6 способствует ее распрямлению электростатическими силами. Вблизи указанной линии желательно разместить (на упругих «усиках») микродатчики электрического поля и параметров плазмы, информационно связанные с регулятором электропитания и средствами ориентации линии в пространстве, расположенными в отсеке 10 (фиг.2).

Взаимодействие шлейфа 7₃ с КА 8 (фиг.1) осуществляется посредством какого-либо экрана, одноразового или повторно используемого (в том числе раскладного, надувного и др.), защищающего полезную нагрузку КА от пылевого потока.

Пылевые частицы налетают на поверхность экрана с начальной скоростью V₀ и отражаются от нее с той или иной потерей скорости, либо прилипают к поверхности – это определяется соотношением упругой (U) и адгезионной (A) энергий микрочастиц, см. [9] 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.

При взаимодействии с КА на низких орбитах относительная скорость КА и шлейфа в начале взаимодействия V₀ ~ 3000 м/с. При такой скорости U<A, и соударение частиц с экраном носит неупругий характер: почти все частицы остаются на экране.

При взаимодействии с КА на высоких орбитах, или под большим углом α пылевого потока к нормали поверхности экрана – когда соударение происходит при скоростях ~1000-1500 м/с, и U ~ A, возможно отражение части или всех пылинок от экрана.

Для ЭДМ КА важными являются случаи:

а) - зеркального отражения частиц от поверхности экрана, при котором достигается изменение скорости КА:

б) - полного связывания частиц поперечно расположенным экраном, при котором:

где V₀ – начальная относительная скорость КА и шлейфа; М – прореагировавшая с КА масса шлейфа. Наиболее эффективен режим а). Например, при М = m₀ и α ≈ 0 он дает ΔV = 0,86V_o, в то время как в случае б) ΔV = 0,5V_o.

Для возврата в область орбиты Луны для повторного использования носитель 4 (с отработавшими УФШ 5) может быть снабжен ионными или СПД двигателями малой тяги. Для сближения и стыковки с носителем 4 УФШ 5 могут использовать микродвигатели, установленные, например, в отсеке 10 (фиг.2).

Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют увеличить протяженность шлейфа и, соответственно, его массу для ЭДМ КА, обеспечить оптимальные поперечные размеры шлейфа и его плотность, а также расширить возможности управления ориентацией шлейфа перед взаимодействием с КА.

Промышленная применимость

Для осуществления предлагаемых изобретений не требуется разработка принципиально новых технологий в области космической техники, здесь могут быть использованы методы и технические средства известного типа, с учетом быстрого роста их рабочих характеристик, в частности, точности и быстродействия операций, резкого увеличения потоков информации, собираемой, передаваемой и обрабатываемой с помощью компактных микро- и нано-схем, совершенствования исполнительных органов, в частности, микро-двигателей и т. д.

Изобретения относятся к методам и средствам осуществления межорбитальных маневров КА с использованием мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита («лунной пыли»). Пыль выводится из области орбиты Луны на параболическую или гиперболическую переходную орбиту, имеющую общие точки с орбитой КА, например, в перигее. В области, достаточно удаленной от перигея, посредством электризации и высвобождения пылевых частиц формируют протяженный шлейф. Вдоль оси шлейфа создают, посредством протяженной заряженной линии, радиальное электрическое поле, сжимающее шлейф до небольшого (ок. 1-2 м) диаметра. Линию вместе со шлейфом ориентируют в направлении, отвечающем направлению относительной скорости КА и шлейфа в перигее. Отделяют от линии устройство формирования шлейфа и проводят взаимодействие с КА, в результате которого КА получает от шлейфа механический импульс, достаточный для перехода КА на заданную орбиту. Техническим результатом изобретений является увеличение протяженности и массы шлейфа для маневра КА, обеспечение его оптимальных поперечных размеров и плотности, а также расширение возможностей управления ориентацией шлейфа перед взаимодействием с КА. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ обеспечения межорбитального маневра КА, включающий выведение мелкодисперсного вещества, например, пылевых частиц реголита из области орбиты Луны на параболическую или слабогиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, формирование протяженного шлейфа пылевых частиц указанного вещества путем их высвобождения, например, из контейнера и последующего действия на частицы гравитации, солнечного излучения и электростатических сил в среде космической плазмы, причем сформированный шлейф взаимодействует с КА, передавая ему количество своего движения относительно КА, отличающийся тем, что при достижении шлейфом в процессе его формирования требуемой длины вдоль него создают с помощью проводящей линии осесимметричное радиальное электрическое поле зарядов противоположного знака зарядам частиц шлейфа, вызывая поперечное сжатие шлейфа, причем для этого выбирают эпоху и область космической плазмы с радиусом Дебая не менее или одного порядка с исходным поперечным размером шлейфа, поддерживают непрерывно или периодически линейную плотность заряда проводящей линии для удержания частиц шлейфа вблизи этой линии, которую ориентируют в направлении орбитальной скорости КА перед взаимодействием шлейфа с КА и обнуляют радиальное электрическое поле проводящей линии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходную орбиту КА выбирают, а электрическое поле проводящей линии обнуляют в эпоху и в области космической плазмы с радиусом Дебая не более или одного порядка с поперечным размером шлейфа частиц, удерживаемых вблизи этой линии.

3. Система обеспечения межорбитального маневра КА, включающая в себя устройство формирования протяженного шлейфа (УФШ) пылевых частиц и средство выведения УФШ с мелкодисперсным веществом, например, пылевыми частицами реголита из области орбиты Луны на параболическую или слабогиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, причем

- УФШ содержит инициирующее устройство (ИУ) для высвобождения пылевых частиц, например, из контейнера, с приданием этим частицам начальных условий движения, обеспечивающих их преимущественное распространение в одном направлении и минимально возможное в других направлениях, а также

- содержит проводящую линию, снабженную средствами ее развертывания и регулируемого электропитания, а также расположенными вблизи указанной линии датчиками электрического поля и параметров плазмы, информационно связанными со средством электропитания, и средствами ориентации линии в пространстве;

- средство выведения УФШ содержит блоки коррекции орбиты и ориентации, навигации, телекоммуникации с КА или пунктами его сопровождения, а УФШ содержит устройство невозмущенного отделения проводящей линии от УФШ перед взаимодействием пылевого шлейфа с КА и средство уклонения остальной части УФШ от столкновения с КА.