Способ формирования пылевого потока для проведения межорбитального маневра КА и система для его реализации 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).

Энергетика «лунной пыли» в системе Земля-Луна весьма высока, как это видно из того, что гравитационный потенциал -mμ/R_M притяжения Землей массы m вещества на орбите Луны (на расстоянии R_M ≈ 384000 км от центра Земли) практически соответствует энергии mν _e²/2 тела той же массы m на низкой околоземной орбите, имеющего «вторую космическую» скорость ν _e ≈ 11 км/с. Здесь μ - гравитационная константа Земли.

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

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 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 примерно на порядок меньше mν _e²/2.

Схемы передачи КА энергии лунного вещества (при проведении ЭДМ точнее говорить о количестве движения) разнообразны, но общим требованием к ним должно быть ограничение действующих на КА нагрузок при его взаимодействии с потоком вещества, 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. также 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.

Похожий метод предложен в патенте [4] US 5199671 A; 06.04.1993, где кинетическая энергия для изменения орбит околоземным и лунно-земным КА передается при их столкновениях с буферным веществом в специально оборудованных спутниковых сооружениях, куда грузовые КА упрощенного типа, рассчитанные на большие перегрузки, влетают через специальные затворы. Буферное вещество формируется в пространстве вдоль продольной оси сооружения множеством окружающих ось «пушеров», подающих в это пространство измельчаемый космический мусор.

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 (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 - например, 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] используется весьма сложное и инерционное (трудно управляемое) сооружение, где требуется технологическая линия по сбору, измельчению и подаче мусора на центральную ось сооружения. Кроме того, данный метод рассчитан на принципиально большие перегрузки на КА.

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 нежелательное рассеяние формируемого пылевого потока под действием указанных выше факторов космической среды, в том числе за счет электризации пылевых частиц, а также из-за значительной неопределенности и переменности их оптических характеристик - т. к. форма и структура пылевых частиц, как правило, крайне нерегулярная [1, с.487-489].

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

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного выше недостатка прототипа путем разработки способа оперативного формирования пылевого потока для ЭДМ КА, уменьшающего интенсивность и время действия факторов, вызывающих нежелательное рассеяние шлейфа этого потока.

Техническим результатом является уменьшение нежелательного рассеяния пылевого потока для ЭДМ КА, с упрощением средств управления размерами и структурой шлейфа этого потока.

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается в предложенном способе формирования пылевого потока для проведения экзо-динамического маневра КА, включающем выведение мелкодисперсного вещества, например, пылевых частиц реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, формирование посредством инициирующего устройства (ИУ) протяженного шлейфа пылевых частиц указанного вещества, предназначенного для взаимодействия с КА и передачи ему импульса этих частиц при движении КА вдоль шлейфа, причем отличием способа является то, что частицы помещают в ИУ в виде контейнера плоской конфигурации, преимущественно цилиндрический с высотой h и радиусом R основания, причем R >> h, ориентируют ось контейнера в направлении формируемого потока и высвобождают частицы из контейнера во взвешенном и невозмущенном состоянии, с одновременной электризацией частиц зарядом одного знака.

В частности, указанные пылевые частицы изолируют от среды космической плазмы и/или излучения, а их электризацию осуществляют одновременной экспозицией всех частиц данной среде и/или излучению при их быстром высвобождении из контейнера.

Предпочтительно, высоту h цилиндрического контейнера выбирают меньшей дебаевского радиуса (R_D) космической плазмы в эпоху проведения маневра КА и в месте высвобождения частиц, а в случае слишком малой величины R_D кратковременно облучают ансамбль пылевых частиц, например, электронным пучком.

Предложенный способ реализуется системой для формирования пылевого потока и проведения ЭДМ КА, включающей в себя средство выведения одного или более ИУ в виде контейнеров плоской конфигурации с мелкодисперсным веществом, например, пылевыми частицами реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, причем:

- Средство выведения содержит блоки коррекции орбиты, навигации, ориентации и отделения контейнеров с пылевыми частицами, снабженных средствами выставки осей контейнеров вдоль требуемых направлений формирования шлейфов частиц и устройствами быстрого высвобождения пылевых частиц из контейнеров во взвешенном и невозмущенном состоянии;

- КА снабжен экраном для восприятия частиц шлейфа и выполнен из отдельных модулей, соединенных с экраном и имеющих средства для регулирования положения экрана относительно шлейфа и этих модулей.

Предпочтительно, устройства быстрого высвобождения пылевых частиц из контейнеров содержат коллекторы заряженных частиц космической плазмы, например, электронов, и генераторы потока этих заряженных частиц для кратковременного облучения ансамбля высвобождаемых пылевых частиц, а в состав КА могут быть включены средства зарядки статическим электричеством поверхности экрана для восприятия частиц шлейфа, выполненные на базе коллектора, аналогичного указанному выше.

Желательно, чтобы средство выведения содержало устройство его отвода от области взаимодействия шлейфа с КА, а также подсистему для возврата средства выведения в указанную выше область орбиты Луны, например, на базе стационарных плазменных двигателей (СПД).

Для запуска средства выведения из области орбиты Луны на переходную орбиту 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 частиц реголита из контейнера во взвешенном и невозмущенном состоянии означает, что частицы не слипаются и не оседают на стенках контейнера, а также имеют нулевые или близкие к ним относительные скорости (практически < 0,1 м/с) в момент электризации частиц (за время τ << 1 с).

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 должен определяться в эпоху и в месте проведения ЭДМ КА.

Кроме электронов, для электризации пылевых частиц могут использоваться положительные ионы (в том числе протоны), например, отбираемые от струи ионного двигателя средства выведения (носителя) ИУ.

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

Перечень фигур

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

Фиг. 1 - орбитальная схема и пример осуществления ЭДМ.

Фиг. 2 - пример конфигурации ИУ при формировании шлейфа.

Фиг. 3 - варианты принципиального исполнения ИУ.

Фиг. 4-9 - параметры инициирования шлейфа.

Фиг. 10 - схемы взаимодействия шлейфа с КА.

Фиг. 11 - возможное исполнение КА, взаимодействующего со шлейфом.

Раскрытие и примеры осуществления изобретения

Предположим, что ЭДМ КА состоит в переводе 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 орбиту 3 выводят носитель 4 с набором ИУ 5, которые отделяют от носителя в одной или более областей I на орбите 3 при подлете к перигею. 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 перигея (II) непосредственно перед взаимодействием с КА 6 формируется шлейф путем высвобождения ансамбля пылевых частиц из ИУ 5 (фаза 7₁), достаточно быстрого его расширения (фаза 7₂) и достижения рабочей длины к началу взаимодействия с КА (фаза 7₃). Рабочая длина шлейфа зависит от параметров его удлинения и расширения, допустимой нагрузки на КА 6 и других факторов, практически составляя ~100-1000 м.

При формировании сложного шлейфа 7 ИУ 5 могут размещаться в конфигурации, усиливающей (фокусирующей) действие отдельных шлейфов (фиг.2), причем несколько ИУ могут быть свободными или связанными друг с другом (например, в виде матрицы). Длину шлейфа можно увеличить последовательным размещением ИУ 5 вдоль орбиты 3.

Высвобождаемый из ИУ 5 ансамбль пылевых частиц имеет форму «блина» (т. к. R >> h, см. фиг.3), который быстро «распухает» вследствие электризации частиц электронами космической плазмы (солнечного ветра) или посредством фотоэмиссии. Причем чем тоньше «блин», тем меньше его расширение в поперечном направлении (см. ниже).

Как показано на фиг.3, пылевые частицы 7 помещены в изолирующий контейнер (лоток) плоской конфигурации, преимущественно цилиндрический (призматический) с высотой h и радиусом R >> h. Для перевода пыли в псевдоожиженное (взвешенное) состояние на дне контейнера может быть установлен вибратор в виде мембранного пьезоэлектрического преобразователя 9 (с достаточным числом мембран) с генераторами 10, питаемыми от аккумулятора или дистанционно, например, от приемников 11 СВЧ-излучения, посылаемого носителем 4. Крышка контейнера выполнена из сбрасываемых секторов 12, обеспечивающих быструю экспозицию частиц 7 действию космической среды.

ИУ могут снабжаться системами связи, микроэлектроники и микромеханики - с целью согласования положения и ориентации ИУ и момента инициации пылевого потока (фаза 7₁) - с движением КА к месту взаимодействия со шлейфом, при этом обмен данными может производиться между носителем 4 и ИУ 5, а также между самим КА и носителем 4 (и, возможно, также с ИУ). Для управления положением и ориентацией ИУ на его корпусе установлены микрореактивные (например, матричные) двигатели 13.

Дополнительно или в варианте, внешняя сторона дна 14 контейнера может служить коллектором электронов или заряжаться положительно под действием солнечного излучения. Коллектор 14 питает эмиттер 15 заряженных частиц (электронов или ионов), например, полый катод или электронную пушку, облучающий широким лучом ансамбль 16 пылевых частиц на дне контейнера, обеспечивая его достаточную электризацию и последующее удлинение и расширение.

Процесс формирования шлейфа после экспозиции ансамбля пылевых частиц космической среде оценим по упрощенной модели, считая форму шлейфа во всех фазах близкой к цилиндрической.

В цилиндрическом ансамбле объемная концентрация частиц реголита (ρ ≈ 3100 кг/м³) со средним диаметром d:

где М - масса вещества ансамбля, R = R(t), h = h (t) - текущие радиус и высота цилиндра. Начальная концентрация n₀ получается при R=R₀ - радиусу лотка, h=h₀ - толщине слоя 16 (фиг.3). Условие оптической прозрачности исходного ансамбля («блина») сводится к требованию, чтобы длина свободного пробега в нем l = (σn)^-1 была порядка h₀, где σ - миделево сечение частицы с диаметром d. Данное условие применимо для оценки 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 [7]) 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* = ν l. Отсюда и из (1) имеем:

(2)

Для оценки электростатического поля (E_H), создаваемого ансамблем заряженных пылевых частиц на торцах цилиндра и характеризующего фронт расширения ансамбля в продольном направлении (т. е. его удлинение), воспользуемся подходом к решению задачи о тонких заряженных дисках (см. [8] 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, считая n постоянной по объему ансамбля.

Оценку поля (E_R), создаваемого тем же ансамблем на его внешней цилиндрической поверхности и характеризующего фронт радиального расширения ансамбля, легко получить из теоремы Гаусса [8, с.26], рассматривая поток поля E_R через указанную 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:

(4)

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 расширения ансамбля частиц носят 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 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). Скорость зарядки микрочастицы зависит от многих факторов, но часто она отвечает временам τ << 1 c.

На фиг. 4 - 9 представлены наиболее важные характеристики процесса инициирования шлейфа, а именно нарастание фронтальных скоростей свободных продольного (ν_H) и радиального (ν_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). Заряд всех пылевых частиц считается одинаковым.

Общей закономерностью является существенное превосходство ν_H над ν_R, которое возрастает с уменьшением относительной толщины «блина» (h_о/R_о), причем скорости ν_H и ν_R, особенно ν _H - довольно быстро приходят к практически постоянным значениям.

Идеальным случаем является ν _R/ν _H → 0, и приближение к нему происходит с уменьшением размера частиц, мало завися от величины их заряда (фиг.4, 7, 8).

Относительно крупные частицы (300 мкм) допускают большие потенциалы ϕ зарядки (фиг.4, 5) при удовлетворительных скоростях ν _H и при повышенных ν _R. Наиболее мелкие частицы (10 мкм) требуют более низких потенциалов ϕ, т. к. иначе ускорения (а_Н, а_R) и скорости расширения (ν _R, ν _H) будут слишком большими (см. фиг.8, 9), и процесс расширения шлейфа будет трудно контролируемым, так что этот шлейф может «исчезнуть» (рассеяться) еще до взаимодействия с КА. При этом масса шлейфа относительно небольшая (~ 60 кг) - даже при R=10 м.

Однако мелкие частицы (~10 мкм) позволяют получать длинные шлейфы (~1000 м) за короткое время (~2 с) при приемлемой степени расширения (ΔR~20 м) - см. фиг.8.

Ближе к оптимальным являются частицы с размерами ≤ 100 мкм (фиг.7), дающие относительно малые ν _R и при этом значительные массы М пыли в шлейфе; в данном примере М ≈ 320 кг, а при длине шлейфа в 100 м его расширение составит всего ΔR ≈ 10 м.

Полезным фактором сжатия шлейфа может служить его перезарядка по выходе из изолирующего контейнера (фиг. 3), когда освещенные солнцем частицы (снаружи шлейфа) получают положительный заряд от фотоэмиссии, а внутренняя область шлейфа и его теневая сторона сохраняют некоторое время отрицательный заряд - притяжение данных частей сдерживает радиальное расширение шлейфа.

Другим фактором ограничения «разбухания» шлейфа является 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.

В частности, для солнечного ветра Т ≈ 10⁵ К, n_p ≈ 10⁷ м^-3 и R_D ~ 7 м. Для околоземной плазмы в магнитосфере R_D ~ 100 м, в ионосфере R_D ~ 10^-3 м и т. д. Кроме того, имеются временные колебания температуры и концентрации плазмы.

На фиг.4-9 приведены времена Δt_D удлинения шлейфа от начальной толщины h₀ до толщины h_D, при которой концентрация n_D пылевых частиц падает настолько, что длина свободного пробега в ансамбле частиц l = (σn_D)^-1 ~ R_D. Для примера принято R_D = 2,3 м, что характерно для высоких орбит КА (в магнитосфере). Для низких (< 1000 км) орбит R_D ≤ h₀.

Таким образом, существенное ослабление рассеивающего поля шлейфа достигается довольно быстро, при h_D < 10% конечной длины шлейфа.

Практически шлейф представляет собой смесь частиц разного диаметра d, и поэтому его структура более сложна, а размытие более значительно - в основном за счет наиболее мелких частиц (< 10 мкм), долю которых поэтому следует ограничить. Напротив, стремясь использовать отмеченное выше достоинство мелкой пыли (см. фиг.8), следует отсеять крупные частицы (чтобы исключить вызываемые ими потери активной массы шлейфа).

Сформированный шлейф 7₃ взаимодействует в перигее с некоторым КА 6, например, космическим буксиром с полезным грузом (фиг.1).

Взаимодействие осуществляется посредством какой-либо экранной поверхности, часть которой 17 схематично показана на фиг.10.

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, 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.

При взаимодействии с КА на низких орбитах относительная скорость КА и шлейфа в начале взаимодействия ν (0) ~ 3000 м/с. При такой скорости U<A, и соударение частиц с экраном 17 носит неупругий характер: скорость отскока ν ’(0) = 0.

При взаимодействии с КА на высоких орбитах, или под большим углом α (фиг.10) - когда соударение происходит при скоростях ~1000-1500 м/с, и U ~ A, возможно отражение части пылинок от экрана.

Из-за несовершенства поверхности экрана и неидеальности формы и структуры частиц пыли отражение от экрана будет, в той или иной мере, диффузным, с диаграммой 18 (фиг.10). Скорость отражения 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 17 к потоку (когда нормаль n к поверхности 17 составляет с осью потока 19 угол α) диаграмма может деформироваться, так что скорость ν ’(t) будет направлена, в общем случае, к нормали n под углом β ≠ α.

Если потребовать, чтобы действие пылевого потока было строго по нормали, то нетрудно показать, что углы должны удовлетворять условию

, (6)

где часть χ < 1 - доля соударяющихся частиц пыли, остающихся на экране.

Поскольку β(α, ν ) - в основном, характеристика поверхности 17, то (6) суть уравнение для определения угла α. 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 КА массой m в направлении -n, ввиду кратковременности взаимодействия со шлейфом, можно описать уравнением:

где - поток импульса вдоль нормали n (поток импульса вдоль касательной к экрану μ _τ = 0); = γSν - масса пыли, соударяющейся в единицу времени с экраном 17 (γ, S - плотность шлейфа и площадь миделя экрана 17 в направлении оси 19); r - функция, находимая с учетом (6) и ν ’(t) = σ ν (t).

Решение (7) будет следующим:

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

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

В важных частных случаях:

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

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.

Поскольку пиковые нагрузки на КА при взаимодействии со шлейфом достаточно велики, ввиду кратковременности (<< 1 с) взаимодействия, то желательно предусмотреть меры защиты КА от соответствующего ударного импульса.

Возможная альтернативная конструкция КА с экраном показана на фиг.11, где КА 20 защищен от потока пыли (набегающего по стрелкам) обтекателем 21, мало влияющим на поток. Основной экран выполнен из кольцевых щитков 22, связанных с КА и друг с другом амортизаторами (демпферами) 23 в виде, например, упруго-вязких тросов. Оболочки щитков могут быть подкреплены надувными (вспениваемыми) элементами 24.

При взаимодействии со шлейфом относительно легкие щитки 22 воспринимают ударный импульс потока и более мягко передают его КА в процессе деформации тросов 23.

Могут быть предусмотрены устройства подтягивания тросов и щитков после взаимодействия со шлейфом в исходную конфигурацию (она показана тонкими линиями). Многоразовость экрана может быть ограничена серией ЭДМ КА при переводе КА с начальной орбиты 1 (фиг. 1) на некоторую конечную.

Для упругого отражения пылевых частиц экраном, КА может включать средства зарядки поверхности экрана статическим электричеством до напряжений Е ~ 10⁷-10⁹ В/м с помощью устройств, выполненных на базе коллектора, аналогичного 14 (фиг.3).

Для возврата в область орбиты Луны для повторного использования носитель 4 может быть снабжен ионными или СПД двигателями малой тяги 8 (фиг. 1), например, моделей СПД-230, 200, 140 (ОКБ «Факел»). Данные двигатели имеют тяговооруженность n ≈ 0,03-0,04 м/с² и удельный импульс I_s = 2000-3000 с. Исходя из энергетики маневра возврата в область орбиты Луны, можно заключить, что расход рабочего тела (например, ксенона) и энергии будет невелик, и масса двигателей, вместе с рабочим телом, составит ~ 10% массы носителя. ИУ 5 могут быть одноразовыми, либо возвращаемыми на борт носителя 4 (с помощью микрореактивных двигателей 13) и доставляемыми к Луне для повторного применения.

Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют уменьшить нежелательное рассеяние пылевого потока, применяемого для ЭДМ КА, путем ограничения (прежде всего времени) действия факторов космической среды и собственного поля шлейфа, с упрощением средств (ИУ) формирования шлейфа требуемой структуры.

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, матричных двигателей и т. д.

Группа изобретений относится к методам и средствам осуществления межорбитальных маневров космических аппаратов (КА) с использованием мелкодисперсного вещества, например, лунной пыли – реголита. Пыль выводится из области орбиты Луны на параболическую или гиперболическую переходную орбиту, имеющую общие точки с орбитой КА, например, в области перигея. В этой области формируют посредством электризации пылевых частиц протяженный шлейф для взаимодействия с экраном КА. Частицы помещают в цилиндрический контейнер, радиус основания которого R >> h - его высоты, ориентируют ось контейнера в направлении формируемого потока. Высвобождают частицы из контейнера в псевдоожиженном состоянии с одновременной их электризацией зарядом одного знака путем экспозиции космической среде и/или облучения искусственным потоком заряженных частиц. Шлейф может формироваться несколькими контейнерами, распределенными в пространстве заданным образом. Для приближения взаимодействия пылевых частиц с экраном к упругому экран может заряжаться до достаточно высокого напряжения. Достигается уменьшение нежелательного рассеяния пылевого потока, взаимодействующего с КА, с упрощением средств управления размерами и структурой шлейфа этого потока. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ формирования пылевого потока для проведения межорбитального маневра КА, включающий выведение мелкодисперсного вещества, например, пылевых частиц реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, формирование посредством инициирующего устройства протяженного шлейфа пылевых частиц указанного вещества, предназначенного для взаимодействия с КА и передачи ему импульса этих частиц при движении КА вдоль шлейфа, отличающийся тем, что частицы помещают в инициирующее устройство в виде контейнера плоской конфигурации, преимущественно цилиндрического с высотой h и радиусом R основания, причем R >> h, ориентируют ось контейнера в направлении формируемого потока и высвобождают частицы из контейнера во взвешенном и невозмущенном состоянии, с одновременной электризацией частиц зарядом одного знака.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные пылевые частицы изолируют от среды космической плазмы и/или излучения, а их электризацию осуществляют одновременной экспозицией всех частиц данной среды и/или излучением при их быстром высвобождении из контейнера.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что высоту h цилиндрического контейнера выбирают меньшей дебаевского радиуса космической плазмы в эпоху проведения маневра КА и в месте высвобождения частиц, а в случае слишком малой величины этого радиуса кратковременно облучают ансамбль пылевых частиц, например, электронным пучком.

4. Система для формирования пылевого потока и проведения межорбитального маневра КА, включающая в себя средство выведения одного или более инициирующих устройств в виде контейнеров плоской конфигурации с мелкодисперсным веществом, например, пылевыми частицами реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, пересекающуюся или соприкасающуюся с орбитой КА, причем

- средство выведения содержит блоки коррекции орбиты, навигации, ориентации и отделения контейнеров с пылевыми частицами, снабженных средствами выставки осей контейнеров вдоль требуемых направлений формирования шлейфов частиц и устройствами быстрого высвобождения пылевых частиц из контейнеров во взвешенном и невозмущенном состоянии;

- КА снабжен экраном для восприятия частиц шлейфа и выполнен из отдельных модулей, соединенных с экраном и имеющих средства для регулирования положения экрана относительно шлейфа и этих модулей.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что устройства быстрого высвобождения пылевых частиц из контейнеров содержат коллекторы заряженных частиц космической плазмы, например, электронов, и генераторы потока этих заряженных частиц для кратковременного облучения ансамбля высвобождаемых пылевых частиц, а в состав КА включены средства зарядки статическим электричеством поверхности экрана для восприятия частиц шлейфа, выполненные на базе коллектора, аналогичного указанному выше.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что средство выведения содержит устройство его отвода от области взаимодействия шлейфа с КА, а также подсистему для возврата средства выведения в указанную область орбиты Луны, например, на базе СПД.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что средство выведения снабжено стартовым устройством в виде электромагнитного ускорителя на поверхности Луны или в окололунном пространстве.