Как не словить солнечный удар в космосе?
Вы когда-нибудь задумывались, что спутники и другие аппараты могут получить солнечный удар, пока находятся в космосе? Подобное явление даже может доставить некоторые проблемы как при использовании спутников, так и при уборке мусора.
В Самарском университете учёные придумали, как рассчитать опасность температурного («солнечного») удара для малых космических аппаратов. Исследование уже опубликовано в Microgravity Science and Technology.
В чём же вообще проблема?
Благодаря этому методу, можно упростить работу с малыми спутниками (весом до 1 тонны), а также корректировать модель движения по орбите.
Но если существует такая опасность, почему бы не использовать спутники побольше? Дело в том, что малые космические аппараты обладают значительными преимуществами.
В отличие от средних классов и орбитальных станций, они доступнее в производстве, их можно сделать очень много за короткое время. А ещё они банально легче, и следовательно на орбиту их можно больше отправить больше за один пуск ракеты.
© SpaceXТем не менее, чтобы их можно было эффективно использовать, необходимы дополнительные исследования. Температурный удар как раз и является той проблемой, которой до сих пор не уделяли должного внимания.
Температурный удар возникает, когда космический аппарат входит в тень Земли или выходит из неё: в тени спутник сильно охлаждается, а когда на него светит Солнце — сильно нагревается. Перепады температур могут быть от -150 °C до +150 °C.
© Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваИ вот такой перепад приводит к деформации упругих элементов аппарата. И даже может возникнуть сила инерции.
Ранее его вообще не принимали во внимание, мол, воздействие незначительно. Но эксперименты с ультратонкими солнечными батареями ROSA на Международной космической станции в 2017 году показали, что температурный удар приводит к значительным колебаниям.
Что теперь?
Новый метод, который разработали в Самарском университете, даёт конструкторам возможность оценить необходимость учёта последствий от теплового удара на движение малых спутников.
© Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваТаким образом, появится возможность вносить изменения в модель движения по орбите. Новые коррективы избавят от необходимости отвлекаться на побочные угрозы и повысят эффективность решения основных задач. Например, улучшать качество изображений при дистанционном зондировании Земли из космоса.
Численное моделирование было проведено для анализа микроускорений от теплового удара в одномерной модели теплопроводности.
Похожие наработки, разумеется, есть и у других научных коллективов. Однако представленный в нашей работе метод является попыткой комплексного подхода при принятии решения об учёте температурного удара, интегрирующего в себе основные особенности малого космического аппаратандрей Валерьевич Седельников профессор кафедр теоретической механики и космического машиностроения
К слову, учёные при этом говорят, что не всегда нужно запариваться над математическими описаниями. Но в определённых случаях это необходимо, а результаты исследований будут востребованы при производстве малых спутников.
Эту работу выполнили в рамках государственного задания Министерства науки и образования РФ. В дальнейшем учёные планируют предоставить более точное описание процесса температурного удара и что вообще с этим делать.
И снова о космическом мусоре
Помимо этого, в том же Самарском университете разработали инновационный метод, который повышает эффективность уборки космического мусора на орбите. Как раз при его создании использовалась модель поведения спутника, который испытывает на себе солнечный удар.
При массовом производстве малых спутников, на орбиту их выводят тоже массово. И также массово они будут со временем выходить из строя, отрабатывая своё.
Есть пробитие: чем опасен мусор в космосе и сколько времени осталось у человечества до катастрофы
И если отработавшие своё спутники не свести с орбиты, чтобы они благополучно погибли в атмосфере, то они могут превратиться в неуправляемые обломки, которые по этой самой орбите несутся с большой скоростью.
Во избежание таких вот последствий и нужно проводить уборку на орбите. Один из возможных методов космического «клининга» — буксировка с использованием тросовых систем.
И вот тут как раз появляется загвоздка с температурным ударом, который до этого не учитывали.
Напомним, когда спутник выходит из тени Земли и попадает под солнечные лучи, происходит резкое изменение температуры корпуса. И если у спутника есть какие-нибудь упругие элементы, то их деформирует.
А у спутников они есть, взять хотя бы солнечные панели. И вот, когда эти панели деформируются от солнечного удара, это создаёт инерцию и вызывает микроускорение спутника.
© Wikimedia CommonsСпутник начинает вращаться, отрывается от троса мусоросборщика, улетает прочь и его приходится ловить снова. В итоге это только увеличивает затрачиваемое на саму уборку время и энергию, что, конечно же, не хорошо.
Чем больше таких упругих конструкций на спутнике и чем они больше и тяжелее, тем сильнее солнечный удар, сильнее инерция и вращение аппарата.
Студентка института авиационной и ракетно-космической техники, Александра Николаева, отмечает, что солнечные панели особенно уязвимы к температурным воздействиям, что может вызвать значительные микроускорения.
Для расчётов в качестве образца взяли спутник связи Starlink от SpaceX. Он весит 260 кг, и у него есть одна панель солнечных батарей массой 75 кг и размерами 9,6х3,2х0,006 м.
© SpaceXРезультаты исследования показали, что при воздействии температурного удара спутнику гарантированы нештатные вращательные движения на орбите.
Авторы исследования рассчитали поведение спутника, подвергающегося температурному удару. Были получены зависимости возмущающего момента и оценено возникающее из-за него угловое ускорение. Такое возмущение просто необходимо учитывать при транспортировке космического мусора тросовыми системами. Результаты исследования, безусловно, пригодятся при проектировании эффективных систем уборки космического мусора Андрей Валерьевич Седельников профессор кафедр теоретической механики и космического машиностроения
В общем, выяснилось, что максимальное значение возмущающего момента, вызванного температурным ударом, может достигать приблизительно 50 Н·м для такого спутника.
Представьте, что на край солнечной панели, имеющей длину 1 метр, внезапно положили бы груз массой 5 килограмм. Понятно, как его там закрутит.
Кстати, это исследование было поддержано Российским научным фондом, а участницу работы, студентку Александру Николаеву, наградили медалью и премией Российской академии наук.
Размер премии победителям составляет 50000 рублей для молодых учёных и 25000 рублей для студентов.
Такие дела.