СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ НА КОСМИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Изобретение относится к космической технике. Преимущественная область использования - разрушение космического мусора. Возможны и другие области применения.

Известно, принятое за аналог, изобретение "Способ изменения траектории движения кометы " (патент RU 2460675, МПК B64G 1/00, опубликован 10.09.2012 по заявке №2011114216/11 от 13.04.2011), в котором для предохранения Земли от столкновения с объектами, опасно сближающимися с Землей, в частности кометами, предлагается изменять траектории их движения. Для этого космический аппарат выбрасывает облако гранул (мелкодисперсных частиц), которые при ударе о поверхность кометы, разрушают ее поверхностный слой и изменяют альбедо кометы, вызывая нагрев ее поверхности и выброс струй газа, меняющих траекторию полета кометы. Данный способ требует точного прогнозирования траектории кометы, точного наведения, стабилизации и прицеливания систем выброса гранул космического аппарата (КА), значительного расхода выбрасываемых гранул.

Для очистки космического пространства от космического мусора в патенте «Способ очистки космоса от объектов космического мусора» (патент RU 2478062, МПК B64G 1/00, B64G 99/00, опубликован 27.03.2013 по заявке №2011113358/11 от 06.04.2011), космический аппарат выстреливает в точку встречи с объектами космического мусора облако мелкодисперсных частиц, состоящих из частиц льда окислов азота, при кинетическом воздействии которых на объекты космического мусора, происходит разрушение мусора.

Недостатки этого способа: необходимость точного вычисления траектории объекта космического мусора, высокие требования к точности наведения, стабилизации и прицеливания, большой расход частиц.

Известен, взятый за прототип, «Способ разрушения фрагментов космического мусора» (патент RU 2204508, МПК B64G 9/00, B64G 1/56, опубликован 20.05.2003 по заявке 2002110406/28 от 22.04.2002), при котором для защиты от метеоритов и фрагментов космического мусора на траектории их движения распыляется облако мелкодисперсных частиц взрывчатого вещества, при столкновении с которыми, вследствие удара и взрыва частиц, метеориты и космический мусор разрушаются и переходят на другие орбиты, сгорая в атмосфере. В патенте «Способ разрушения фрагментов космического мусора» (патент RU 2474516, МПК B64G 1/00, B64G 1/56, опубликован 10.02.2013 по заявке 2011131723/11 от 29.07.2011), для этих целей предлагается также применять облака (конической формы) из мелкодисперсных частиц взрывчатого вещества.

Недостатки этих способов: необходимость точного вычисления траектории объекта космического мусора, высокие требования к точности наведения, стабилизации и прицеливания, большой расход мелкодисперсных частиц.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в устранении недостатков прототипа.

Поставленная задача решается тем, что в способе воздействия мелкодисперсными частицами, включая их распыление, на космические объекты, воздействие осуществляют заряженными мелкодисперсными частицами, которые заряжают статическим электричеством, со знаком заряда, противоположным знаку заряда космических объектов.

В преимущественном варианте исполнения изобретения, для увеличения количества воздействующих на космические объекты мелкодисперсных частиц, скорость заряженных мелкодисперсных частиц, которыми воздействуют на объекты, имеет величину меньшую значения скорости V_OD, определяемой по формуле:

где: V_oD - скорость заряженной мелкодисперсной частицы с учетом экранирования заряда плазмой космического пространства;

r - расстояние между частицей и центром сферы, эквивалентной по электростатическому заряду объекту, на который воздействуют мелкодисперсные частицы;

q - электростатический заряд мелкодисперсной частицы;

ϕ - потенциал электростатического поля космической плазмы в месте нахождения объекта, на который воздействуют мелкодисперсные частицы;

R_sphere - радиус сферы, эквивалентной по электростатическому заряду объекту, на который воздействуют мелкодисперсные частицы;

m - масса мелкодисперсной частицы;

λ_d - величина радиуса Дебая плазмы космического пространства в месте нахождения объекта, на который воздействуют мелкодисперсные частицы.

Для воздействия на космические объекты, имеющие заряд статического электричества со знаком минус, мелкодисперсные частицы, воздействующие на эти объекты, покрывают слоем вещества из материала с низкой величиной работы выхода электронов. Низкая величина работы выхода электронов материала покрытия в процессе движения мелкодисперсных частиц к космическим объектам обеспечивает заряжение частиц положительным зарядом путем обмена электронами, протонами, ионами между ними и окружающей их плазмой космического пространства, а также воздействием солнечного и космического излучения.

В частном случае исполнения изобретения, мелкодисперсные частицы, воздействующие на космические объекты, покрывают слоем лития.

Указанная в независимом пункте формулы новая совокупность существенных признаков позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении эффективности способа за счет резкого снижения расхода воздействующих частиц; снижения требований к точности наведения, прицеливания.

Эффективность способа достигается за счет того, что в результате заряжения частицы становятся «самонаводящимися». Даже при распылении в прямо противоположном от космического объекта направлении - частицы развернутся и попадут в объект. В отличие от известного способа, все частицы (при скоростях частиц меньше V_0D, см. ниже) попадают в объект. Значительно уменьшается расход частиц (уменьшается суммарная масса частиц), задача воздействия на космические объекты (метеориты, фрагменты космического мусора) достигается меньшим суммарным запасом массы воздействующих частиц. Предлагаемый способ позволяет воздействовать частицами и на труднодоступные места объектов, например, на боковые, тыльные поверхности объектов, впадины, открытые полости, что сложно, или невозможно выполнить существующим способом, поскольку, эти поверхности находится в «тени» потока воздействующих частиц, с соответствующим повышением эффективности воздействия.

Изобретение поясняется чертежами и примером конкретного исполнения.

На фиг. 1 изображена схема воздействия мелкодисперсных частиц на космический объект.

На фиг. 2. приведена зависимость скорости V_o мелкодисперсных частиц от дальности воздействия частиц r (до 100 м) для разных размеров объекта (разных радиусов эквивалентной сферы R_sphere, равных 1, 3 и 5 метрам) и потенциала электризации космического пространства ϕ=10000 вольт

На фиг. 3 изображена зависимость коэффициента потерь частиц К_р от дальности воздействия r для разных углов θ (равных 60 и 30 градусам) и миделя объекта в виде круга с радиусом R_sphere=1 м. Коэффициент К_р показывает во сколько раз больше нужно израсходовать частиц при известном способе воздействия частиц, в отличие от предлагаемого согласно изобретению способа, для получения одинакового результата.

На фиг. 1 приведена общая (справедливая, как для прототипа, так и для патентуемого изобретения) схема воздействия мелкодисперсных частиц на космический объект.

На указанных чертежах приняты следующие обозначения:

1 - устройство, распыляющее мелкодисперсные частицы;

2 - струя распыляемых мелкодисперсных частиц;

3 - космический объект, на который воздействуют мелкодисперсные частицы (эквивалентная сфера с радиусом R_sphere);

r - расстояние от устройства распыления частиц до объекта (до геометрического центра объекта);

θ - угол при вершине конуса струи распыляемых мелкодисперсных частиц.

Пример осуществления способа воздействия мелкодисперсных частиц на космический объект, находящийся на геостационарной орбите.

Находящиеся некоторое время в космическом пространстве объекты (фрагменты космического мусора) в результате взаимодействия с плазмой космического пространства и различными излучениями, получают электростатический заряд [1, 2]. Находящиеся на геостационарной орбите (ГСО) объекты (фрагменты космического мусора) получают заряд с отрицательным знаком [1, том 2, стр. 241].

Для заряжения воздействующих на космический объект мелкодисперсных частиц положительным электростатическим зарядом, частицы покрывают слоем материала с низкой работой выхода электронов (например, слоем лития, наносимого на гексоген, из которого состоят частицы по прототипу, поверх слоя нейтральной краски).

Для осуществления способа используется устройство 1 (фиг. 1), для распыления струи 2 мелкодисперсных частиц. Вылетевшие из устройства распыления частицы двигаются в космической плазме и в течение нескольких десятых долей секунды [2, стр. 51] путем обмена электронами, протонами, ионами между мелкодисперсными частицами и окружающей их плазмой, а также воздействия солнечного и космического излучения, получают положительный (состоящий из лития внешний слой частиц заряжается положительно) заряд статического электричества. Движущиеся частицы выходят в район космического объекта 3 (фрагмента космического мусора), имеющего противоположный (отрицательный) заряд и притягиваются к нему. Причем, в отличие от прототипа, частицы попадают не только на открытые потоку частиц поверхности космического объекта, но и притягиваются к находящимся в "тени" потока частиц труднодоступным частям объекта, например, к боковым и тыльным поверхностям.

При выходе струи частиц в район космического объекта (фрагмента космического мусора), все частицы со скоростями меньшими V₀, или, с учетом экранирования заряда плазмой V_0D, попадут в объект (притянутся к нему), независимо от величины промаха мимо объекта (фрагмента космического мусора):

или

где r₀ - расстояние между частицей и центром объекта (величина "промаха" частицы);

q - заряд частицы;

ϕ - потенциал электростатического поля космической плазмы в точке нахождения объекта;

R_sphere - радиус сферы, эквивалентной по заряду объекту;

m - масса частицы;

λ_d - величина радиуса Дебая.

Вывод формул (1) и (2) приводится ниже.

При воздействии частиц на небольших дальностях (от единиц до нескольких тысяч метров), при скоростях частиц в струе меньше V_o (или V_0D с учетом экранирования заряда плазмой космического пространства) все мелкодисперсные частицы будут падать (наноситься) на объект (фрагмент космического мусора), независимо от направления и точности прицеливания. Даже, если частицы распыляются в противоположном от объекта направлении, все частицы развернутся и попадут в объект. Подобный эффект резко снижает требования к системам прицеливания, ориентации, стабилизации устройства распыления частиц, значительно снижает расход частиц и повышает эффективность способа воздействия частиц согласно изобретению.

Величины скорости V_o мелкодисперсных частиц от дальности воздействия частиц r (до 100 м) для разных размеров объекта (разных радиусов эквивалентной сферы R_sphere, равных 1, 3 и 5 метрам) и потенциала электризации космического пространства равного 10000 вольт, приведены на фиг. 2.

При воздействии частиц на поверхность объекта (фрагмент космического мусора) объект разрушается, осколки объекта (фрагмента космического мусора) переходят на другие траектории.

Потеря массы бесполезно расходуемых частиц (пролетающих мимо объекта) для обычного способа нанесения частиц, по сравнению с нанесением частиц по способу согласно изобретению, когда частицы заряжаются статическим электричеством и все (без потерь) притягиваются к цели, характеризуются коэффициентом потерь частиц К_р (вывод коэффициента К_р приведен ниже). Коэффициент потерь частиц К_р показывает во сколько раз больше нужно истратить частиц (суммарной массы частиц) при традиционном способе воздействия, по сравнению со способом, согласно изобретению. На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента потерь частиц К_р от дальности воздействия r для разных углов и миделя объекта в виде круга с радиусом R_sphere=1 метр. Из приведенного графика видно, что на расстоянии 100 метров для воздействия на объект традиционным способом (согласно аналогам и прототипу) потребуется в 3332 и 717 раз большее количество (суммарная масса) мелкодисперсных частиц при угле конуса струи =60° и =30° соответственно, по сравнению с предлагаемым, согласно изобретения, способом.

Вывод формул для определения скоростей V₀ и V_0D.

Воздействие мелкодисперсных частиц происходит в космосе, т.е. в отсутствие аэродинамических сил и сил тяготения. При наличии электростатического заряда на поверхности объекта (а он всегда имеется у тел, находящихся некоторое время в космосе, см. [1]), движение мелкодисперсных частиц, имеющих свой электростатический заряд, можно рассматривать как движение материальной точки под действием центральной силы. При этом система является консервативной, в системе действует только одна сила, зависящая от положения точки. Силовое поле потенциально и стационарно. Такие поля называются «кулоновыми» и являются полными аналогами полей тяготения [3]. Точка с массой m будет двигаться по кругу радиусом r_o вокруг центра притягивающего заряда (тяготения) с постоянным центростремительным ускорением под действием центральной силы

т.е

Отсюда скорость кругового движения V_o:

где ускорение:

V_o - это круговая граничная скорость воздействующей мелкодисперсной частицы, при скоростях частиц меньше которой, все частицы падают (притягиваются) на объект.

Будем считать, что объект, на который воздействуют мелкодисперсные частицы, представляет собой некую, эквивалентную реальному объекту по электростатическому заряду, сферу с радиусом R_sphere и потенциалом поля электростатического заряда ϕ.

Для сферы:

где Q - электростатический заряд сферы,

ε₀ - электрическая постоянная.

Напряженность электростатического поля сферы с зарядом Q:

где r - дальность.

Из (5) и (6) получаем:

Сила действующая на частицу:

где q-заряд частицы.

Получаем:

С учетом экранирования заряда плазмой космического пространства:

где λ_d - дебаевский радиус.

Скорость V_oD, рассчитываемая с учетом экранирования заряда плазмой:

Для рассматриваемых в примере данных, разница между величинами V₀ и V_0D до дальности воздействия частиц порядка 100 м несущественна.

Вычисление значения коэффициента потери частиц K_p.

Воздействующие незаряженные (как в прототипе) мелкодисперсные частицы, вылетают из устройства распыления 1 (фиг. 1) в направлении объекта 3. Их распыляют струей 2 в виде конуса с углом у основания струи. На некотором расстоянии r ширина струи (площадь поперечного сечения струи) превышает размер объекта (площадь поперечного сечения объекта) и часть частиц струи проходит мимо объекта и расходуется бесполезно, поскольку угол конуса струи распыления постоянен для разных дальностей распыления r и выбирается достаточно большим, чтобы компенсировать погрешности прицеливания, которые всегда существуют.

Если частицы зарядить статическим электричеством с зарядом противоположным по знаку заряду объекта (фрагменту космического мусора), то они будут притягиваться к этому объекту. В способе по изобретению все наносимые частицы притягиваются и попадают на объект, бесполезно расходуемые частицы отсутствуют.

Оценим потери при бесполезном расходовании частиц для традиционного способа нанесения по сравнению с предлагаемым, согласно изобретению, способом, при котором все частицы падают на объект. Введем коэффициент потерь частиц К_р равный отношению площади сечения струи частиц S_струи на дальности r минус площадь поперечного сечения объекта (миделя) S_цели к площади поперечного сечения объекта.

Радиус круга сечения струи на дальности r:

Применение предлагаемого способа имеет ограничения, накладываемые параметрами внешней среды, необходимостью наличия ненулевых значений потенциала электростатического поля плазмы космического пространства на траекториях полета космического объекта (фрагмента космического мусора). Значения потенциала электростатического поля плазмы космического пространства прогнозируются службами наблюдения геомагнитной обстановки и определяются системой датчиков потенциала электростатического поля плазмы расположенных на космических аппаратах [1, 2]. Анализ имеющихся данных показывает, что примерно 30% времени в течение года потенциал электростатического поля плазмы космического пространства на геостационарной орбите имеет значения от нескольких сотен вольт до единиц киловольт, а, примерно 1% времени в году, величина потенциала электростатического поля плазмы составляет десятки киловольт.

Использованная литература

1. Модель космоса, под редакцией проф. М.И. Панасюка и проф. Л.С. Новикова, МГУ Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцина, Москва, 2007, Книжный дом Университет (КДУ), в 2-х томах.

2. Л.С. Новиков, Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой, МГУ Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцина, Москва, 2006, Университетская книга.

3. М.А. Айзерман, Классическая механика, Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1980, второе издание.