Способ создания тяги в солнечном лучистом потоке и устройство для осуществления этого способа

Изобретение относится к космонавтике и, более конкретно, к средствам и методам маневрирования космических аппаратов (КА) с помощью солнечного паруса (СП). Предлагаемый способ включает формирование световоспринимающей поверхности СП и ее ориентацию в солнечном лучистом потоке. Эту поверхность формируют в виде облака мелкодисперсных частиц, заряжаемых, например, путем солнечной фотоэлектризации. С помощью электростатической системы КА облаку придают устойчивую форму, близкую к пологой поверхности. Данная система имеет, по меньшей мере, один центральный и один концентричный ему кольцевой носители зарядов взаимно противоположных знаков. Управление формой и размерами облака может производиться путем экранирования центрального заряда или его перемещения относительно кольцевого заряда. Технический результат изобретения состоит в принципиально более простом конструктивном воплощении СП и более низких затратах ресурсов на развертывание и управление СП, при выгодном использовании условий космической среды. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к космонавтике и, более конкретно, к средствам и методам маневрирования космических аппаратов (КА) с помощью солнечного паруса (СП).

Предшествующий уровень техники

В общем аспекте, создание тяги СП осуществляется за счет силы светового давления солнечных лучей на развернутую в космосе парусную поверхность - см., например, [1].

Величина этого давления зависит от расстояния до Солнца и коэффициента отражения материала. Для абсолютно черного тела коэффициент отражения равен 0, а для тела с идеально зеркальной поверхностью - 1. В окрестности Земли, на расстоянии от Солнца R=149,6·10⁶ км световое давление составляет (см., например, [2]):

Р₀=4,64·10^-6Н/м²для μ=0;

Р₀=9,28·10^-6Н/м²для μ=1.

Из уровня техники известны различные технические решения в данной области. В частности, рассматривается [1] квадратный солнечный парус, представляющий собой большой пленочный экран, натянутый на каркас квадратной формы. Экран выполнен из материала каптон (толщина 2,5 мкм) и алюминиевого покрытия (толщины 0,1 мкм). Анализ данного технического решения в различных работах показал значительные трудности в осуществлении этого проекта и его малую надежность.

Вращающийся солнечный парус [1] позволяет решить две задачи: развертывания паруса и его удержания в раскрытом виде под действием инерционных (центробежных) сил. Эта схема в технической литературе получила название "Гелиоротор". Недостатком подобных схем являются сложные проблемы динамики и формостабилизации длинных медленно вращающихся "крыльев" устройства.

Известны способы и устройства формирования и управления СП при посредстве электростатических сил: см. патенты [3]; [4]; [5] и др. В этом случае поверхность СП (или ее части) и несущие элементы электростатической системы (ЭСС) КА заряжаются до определенных потенциалов, и полотно СП натягивается на каркасе, принимая рабочую форму. Недостатками таких систем являются уже отмеченные выше сложность и низкая надежность конструкции, особенно учитывая деструктивное воздействие факторов космоса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения может служить упомянутый в патенте [3] способ создания тяги в солнечном лучистом потоке, включающий образование при посредстве электростатического поля световоспринимающей (зеркально или диффузно отражающей, частично поглощающей) поверхности, ее ориентацию в указанном лучистом потоке для получения заданных величины и направления силы давления на эту поверхность солнечных лучей, и передачу этой силы КА.

Прототипом предлагаемого изобретения может служить также упомянутое в патенте [3] устройство для создания тяги в солнечном лучистом потоке, содержащее световоспринимающую поверхность, средства ее связи с КА (несущий каркас) и установленную на КА ЭСС для управления формой и положением указанной поверхности.

Недостатки известных, созданных в рамках традиционной схемы СП, способа и устройства, помимо уже указанных, состоят в сложности управления формой и ориентацией крупногабаритной конструкции СП для получения заданных законов изменения тяги СП.

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является преодоление отмеченных недостатков и создание таких способа и устройства нетрадиционной схемы, которые обеспечивали бы принципиально более простое конструктивное воплощение СП и требовали бы более низких массовых и энергетических затрат на развертывание и управление СП, выгодно используя уникальные возможности, предоставляемые космической средой.

Данная задача решается тем, что в известном способе [3] световоспринимающую поверхность формируют путем создания облака мелкодисперсных заряженных частиц или фрагментов специальной формы и свойств, которому с помощью распределенных в пространстве и связанных с КА зарядов разного знака придают устойчивую форму, близкую к пологой поверхности, а силу давления солнечных лучей передают от облака к КА посредством поля данных зарядов.

При этом в предпочтительном варианте реализации изобретения используют мелкодисперсные частицы с небольшой работой выхода электронов, положительно заряжаемые солнечным излучением вследствие явления фотоэффекта, а указанное поле зарядов образуют центральным отрицательным зарядом и примерно равным ему по величине положительным зарядом, распределенным вдоль концентрической кольцевой области.

В предпочтительном варианте, размеры и форму указанной световоспринимающей поверхности изменяют посредством экранирования по меньшей мере одного из распределенных зарядов.

Данная задача решается также тем, что в известном устройстве [3] световоспринимающая поверхность образована множеством мелкодисперсных заряженных частиц, а ЭСС выполнена в виде связанной с КА конструкции, способной нести на себе распределенные заряды разного знака для формирования, посредством их поля, устойчивого облака указанных частиц с формой, близкой к пологой поверхности.

При этом в предпочтительном варианте реализации изобретения в качестве мелкодисперсных частиц указанного множества используют частицы с небольшой работой выхода электронов, положительно заряжаемые солнечным излучением вследствие явления фотоэффекта.

Также, в предпочтительном варианте, конструкция ЭСС имеет, по меньшей мере, один центральный и один концентричный ему кольцевой носители зарядов взаимно противоположных знаков.

Также, в предпочтительном варианте, центральный носитель заряда снабжен электростатическим экраном, выдвигаемым и убираемым по командам системы управления полетом КА.

При этом устройство может быть снабжено средствами доставки зарядов с борта КА и их размещения на указанной конструкции ЭСС.

Так же, как один из вариантов реализации управления мелкодисперсным облаком, размеры и форму указанной световоспринимающей поверхности можно изменять посредствам изменения конфигурации зарядов на указанной конструкции ЭСС.

Следует заметить, что в космонавтике известно применение электрических полей для управления движением множества мелкодисперсных заряженных частиц, в частности - в капельных радиаторах КА (см., например, [6]), где осуществляется электризация и фокусировка потока жидких частиц (капель) перед коллектором. Однако назначение и условия функционирования подобных устройств существенно отличаются от таковых для предлагаемого изобретения.

Ввиду этого, на основании изучения предшествующего уровня техники, можно сделать вывод о том, что заявленное изобретение удовлетворяет условиям новизны и неочевидности для специалистов.

Перечень фигур

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид в рабочем состоянии системы (КА+СП), реализующей предлагаемое изобретение.

На фиг.2 показана схема основных сил, действующих на систему и частицы облака.

На фиг.3 дан пример управления тягой в процессе орбитального полета КА с СП.

На фиг.4 дана конструктивно-компоновочная схема КА с ЭСС согласно предлагаемому изобретению.

На фиг.5 дана схема, поясняющая работу предлагаемой ЭСС.

Пример наилучшего воплощения изобретения

В предпочтительном варианте, предлагаемый способ реализуется при помощи связанного с КА 1 устройства в виде ЭСС 2, формирующей и удерживающей облако 3 мелкодисперсных заряженных частиц, на которое действует давление солнечных лучей 4 (фиг.1).

На отдельную частицу 5 облака 3 (фиг.2) действует сила солнечного давления F_1С, которая уравновешивается силой электростатического поля определенной конфигурации F_1Э=F_1С. Суммарная сила солнечного давления на облако частиц F_С (тяга СП) в свою очередь уравновешивается силой электрического взаимодействия F_Э=-F_С облака 3 с ЭСС 2. Данной силой определяется ускорение системы КА-облако.

Схема на фиг.2 - упрощенная. На самом деле любая частица 5 взаимодействует с другими частицами облака и имеет результирующую нормальную (поперечную) составляющую F_n0 (показано штрих-пунктиром), отталкивающую частицу от облака. В идеальном случае, когда облако 3 близко к однородному по плотности "блину", сила F_n0 близка к нулю в центре, а на краях максимальна. Однако действие ЭСС 2 может приводить к более сложным, неидеальным конфигурациям облака, так что изменение этой силы от центра к краю будет таковым лишь в среднем.

Создаваемая ЭСС 2 противодействующая сила F_nЭ, в целом, должна компенсировать действие F_n0 - но эта компенсация, конечно, не может быть точной в каждой точке облака, ввиду чего возможны некоторые флуктуации формы и плотности облака.

Отталкивание частиц возникает и в радиальном направлении, что приводит к "утолщению" облака 3.

Электростатические силы выбираются предпочтительно существенно большими (например, на порядок) сил светового давления - с тем, чтобы обеспечить надежную управляемость (также и быстродействие) системы.

Для того чтобы обеспечить устойчивое взаимодействие ЭСС 2 с мелкодисперсным облаком заряженных частиц, необходимо прежде всего создать такое электростатическое поле, в котором положение каждой частицы 5 относительно ЭСС 2 было бы устойчивым.

В представленном здесь примере выбрана достаточно простая система зарядов, связанных с КА. Один из этих зарядов - положительный (Q⁺) расположен на кольце (или торе), а другой - отрицательный (Q^-) является центральным (по отношению к кольцу) точечным зарядом. Такая структура заряда позволяет, в принципе, обеспечить вышеупомянутую устойчивость облака положительно заряженных частиц q (фиг.5). Оба заряда могут доставляться с Земли в специальной изоляционной упаковке.

Соответственно, ЭСС 2 содержит кольцевой 6 и центральный 7 носители зарядов (фиг.4), механически соединенные с КА 1 посредством некоторой известной системы связей 8 (например, легких углепластиковых стержней). Установка зарядов на носители может производиться с борта КА 1 через устройства 9 (люки) с помощью известных средств (роботов-манипуляторов и др.). Предусмотрены соответствующие вспомогательные системы и коммуникации. В районе центрального носителя 7 может быть предусмотрен электростатический экран 10. Данный экран выполняется, например, поляризуемым, достаточно легким и снабжается приводом его уборки - установки в рабочее положение (привод условно не показан).

Работа описанного устройства в процессе реализации предлагаемого способа ниже проиллюстрирована на примере схемы орбитального маневрирования КА на сильноэллиптической геоцентрической орбите (фиг.3). В процессе маневра происходит увеличение (или уменьшение - при обратном движении) высоты орбиты КА. Рассматривается случай, когда угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце является малым.

Угловое положение СП-облака 3 по отношению к направлению солнечных лучей Р₀ выбирается из условия его максимальной эффективной площади (максимальной тяги СП). Для сильноэллиптической орбиты на участке движения I-II при неизменном угловом положении СП формируется вектор тяги с малым угловым отклонением относительно вектора скорости КА.

Для уменьшения эффективной площади СП на участке III-IV необходимо свернуть облако; эта операция производится на участке II-III.

На участке IV-I происходит повторное развертывание облака.

Процессы свертывания и повторного развертывания облака для достаточно легких частиц можно реализовать путем частичного экранирования центрального заряда Q^- (на носителе 7) при помощи вышеупомянутого экрана 10. При этом заряд Q⁺ на кольце 6 остается неизменным.

Из элементарных соображений можно грубо оценить зависимость равновесной высоты Н (фиг.5) от отношения зарядов Q^- и Q⁺. Величина H/R довольно чувствительна к этому отношению, так что, например, при экранировании Q⁺ на 15-20% высота Н снижается примерно в 3-4 раза (со 100 м до ˜35-25 м, при выбранном R=10 м).

При снижении Н, ввиду ослабления эффекта взаимного экранирования разнесенных зарядов Q^- и Q⁺, взаимодействие облака с ЭСС усиливается в большей степени, чем ˜1/H². Вследствие этого, во-первых, сжатие облака в поперечном направлении должно происходить сильнее, чем из одного лишь геометрического подобия. Действительно, если бы при указанном снижении высоты "диаметр" облака также уменьшился в 3-4 раза, то на его краях отталкивающие частицу 5 силы Е_n0 возросли бы в 10-16 раз, что парировалось бы "естественным" (˜1/H²) возрастанием во столько же раз сил F_nЭ (фиг.2, 5). Однако силы F_nЭ, достаточно близко от ЭСС 2, растут гораздо быстрее, чем ˜1/Н², а потому и сжатие облака существенно сильнее.

Во-вторых, при снижении Н следует ожидать более сильного искажения формы облака, с его утолщением, "складыванием" и т.п. Должна быть тщательно исследована устойчивость такого облака, которая, вероятно, налагает предел на степень его свертывания.

Таким образом, принципиально просто можно изменять эффективную площадь СП в 20 и более раз (до ≤5% от максимальной), чего достаточно для управления тягой СП согласно схеме фиг.3. Возможны и другие методы управления в рамках заявленного изобретения (например, поворотом, вместе с ЭСС 2, облака 3 "ребром" к Солнцу).

Для реально достижимых параметров системы операции свертывания и развертывания облака могут быть реализованы, по оценкам, за время порядка нескольких минут, хотя такая высокая оперативность может и не потребоваться. Например, облако может "пульсировать" в квазистатическом режиме, увеличиваясь на участке I-II и уменьшаясь на участке III-IV и т.п.

Предлагаемые технические решения обладают определенными преимуществами по сравнению с пленочными и другими конструкциями СП, обеспечивая принципиально более простое конструктивное воплощение СП и более низкие затраты на развертывание и управление СП, при этом выгодно используются условия космической среды, такие как высокий вакуум, солнечная фотоэлектризация частиц и др.

Промышленная применимость

Проведенный теоретический анализ и численные оценки подтвердили возможность реализации устойчивой и управляемой системы КА - облако частиц. Предлагаемые способ и устройство основаны на известных физических принципах и могут быть воплощены с помощью известных конструктивных средств. Сказанное свидетельствует о соответствии изобретения условию промышленной применимости.

Источники информации

1. Е.Н.Поляхова. Космический полет с солнечным парусом. М.: Наука, 1986.

2. В.И.Левантовский. Механика космического полета в элементарном изложении. М.: Наука, 1980.

3. US 4614319 A (Drexler K.E.); 30.09.1986.

4. RU 2188145 С2 (Владимиров П.С.); 27.08.2002.

5. RU 2183890 С2 (Алиев А.С.); 20.06.2002.

6. US 4572285 A (Botts Т.Е. et al); 25.02.1986.

1. Способ создания тяги в солнечном лучистом потоке, включающий образование при посредстве электростатического поля световоспринимающей поверхности, ее ориентацию в указанном лучистом потоке для получения заданных величины и направления силы давления на эту поверхность солнечных лучей и передачу этой силы космическому аппарату (КА), отличающийся тем, что указанную поверхность формируют путем создания облака мелкодисперсных заряженных частиц, которому с помощью распределенных в пространстве и связанных с КА зарядов разного знака придают устойчивую форму, близкую к пологой поверхности, а силу давления солнечных лучей передают от облака к КА посредством поля данных зарядов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют мелкодисперсные частицы с небольшой работой выхода электронов, положительно заряжаемые солнечным излучением вследствие явления фотоэффекта, а указанное поле зарядов образуют центральным положительным зарядом и примерно равным ему по величине отрицательным зарядом, распределенным вдоль концентрической кольцевой области.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что размеры и форму указанной световоспринимающей поверхности изменяют посредством экранирования по меньшей мере одного из распределенных зарядов.

4. Устройство для создания тяги в солнечном лучистом потоке, содержащее световоспринимающую поверхность, средства ее связи с КА и установленную на КА электростатическую систему для управления формой и положением указанной поверхности, отличающееся тем, что указанная световоспринимающая поверхность образована множеством мелкодисперсных заряженных частиц, а электростатическая система выполнена в виде связанной с КА конструкции, способной нести на себе распределенные заряды разного знака для формирования посредством их поля устойчивого облака указанных частиц с формой, близкой к пологой поверхности.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве мелкодисперсных частиц указанного множества используют частицы с небольшой работой выхода электронов, положительно заряжаемые солнечным излучением вследствие явления фотоэффекта.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что указанная конструкция электростатической системы имеет, по меньшей мере, один центральный и один концентричный ему кольцевой носители зарядов взаимно противоположных знаков.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что центральный носитель заряда снабжен электростатическим экраном, выдвигаемым и убираемым по командам системы управления полетом КА.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что центральный носитель заряда снабжен средствами перемещения относительно кольцевого заряда, связанными с системой управления КА.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что снабжено средствами доставки зарядов с борта КА и их размещения на указанной конструкции электростатической системы.