Исследование, проведенное в Самарском университете им. Королёва (вуза-участника национального проекта "Наука и университеты"), поможет увеличить эффективность уборки космического мусора на орбите. Ученые и студенты университета математически точно рассчитали, как ведут себя вышедшие из строя спутники в условиях температурного ("солнечного") удара. В качестве образца космического мусора для расчетов и моделирования был взят типовой спутник связи Starlink компании Илона Маска SpaceX.
Данное исследование получило финансовую поддержку Российского научного фонда. По итогам исследования один из авторов научной работы, студентка Института авиационной и ракетно-космической техники Самарского университета им. Королёва Александра Николаева была удостоена медали и премии Российской академии наук.
"После окончания срока активного существования малые космические аппараты становятся неуправляемым космическим мусором, который несет опасность другим объектам на орбите из-за угрозы столкновения с ним. Разработано много способов уборки мусора, и некоторые из них предполагают буксировку спутника с орбиты с помощью различных тросовых систем, однако эти способы, как правило, не учитывают одного явления - когда спутник, двигаясь по орбите, выходит из тени Земли и попадает под лучи Солнца, с ним происходит температурный удар, из-за которого он может сорваться с тросовой системы буксировщика и его придется вновь ловить и цеплять, что потребует дополнительных затрат времени и энергии", - рассказала Александра Николаева.
Когда спутник находится в тени Земли, температура его корпуса может опускаться до весьма низких температур - например, до 150 градусов Цельсия ниже нуля. Солнечные же лучи могут нагреть спутник до 150 градусов выше нуля. Резкий скачкообразный перепад температур, так называемый температурный удар, приводит к деформации, прогибу упругих элементов конструкции космического аппарата. Из-за этой деформации возникает сила инерции, спутник получает микроускорение, как будто бы его толкнули, он начинает вращаться и срывается с "крючка" мусороуборщика. Чем больше таких упругих конструкций на спутнике и чем масштабнее они по размеру и больше по массе, тем сильнее воздействие температурного удара, тем сильнее толчок и вращение космического аппарата.
"Наиболее уязвимы к температурному удару солнечные батареи, температурные воздействия на них могут привести к недопустимо высоким микроускорениям. Например, в ходе эксперимента на МКС с перспективными панелями солнечных батарей типа ROSA температурные воздействия оказались настолько интенсивными, что не позволили свернуть панели по окончании эксперимента. Таким образом, температурный удар в космосе в ряде ситуаций является весьма значимым возмущающим фактором, что и определяет актуальность нашего исследования", - отметила Александра Николаева.
Для проведения численного моделирования авторы исследования использовали основные характеристики типового спутника Starlink массой 260 кг. У него всего лишь одна панель солнечных батарей общей массой 75 кг и размерами 9,6x3,2х0,006 м, однако, как показало моделирование, максимальное значение возмущающего момента из-за температурного удара может достигать для такого спутника примерно 50 Н·м - это примерно как если бы на край солнечной панели длиной 1 м внезапно положили бы груз массой 5 кг: "выкрутасы" спутника на орбите после этого обеспечены.
"В данной научной работе тщательно проанализировано влияние температурных деформаций панели солнечной батареи спутника Starlink на параметры вращательного движения космического аппарата. Авторы исследования рассчитали поведение спутника, подвергающегося температурному удару, были получены зависимости возмущающего момента и оценено возникающее из-за этого возмущения угловое ускорение. Такое возмущение просто необходимо учитывать при транспортировке космического мусора тросовыми системами, и результаты данного исследования безусловно пригодятся при проектировании эффективных систем уборки космического мусора", - подчеркнул научный руководитель Александры Николаевой профессор кафедры теоретической механики и кафедры космического машиностроения Андрей Седельников.
Справочно
Российская академия наук ежегодно присуждает медаль с премией за лучшие научные работы в целях выявления и поддержки талантливых молодых исследователей, содействия профессиональному росту научной молодежи, поощрения творческой активности молодых ученых России и студентов высших учебных заведений в проведении научных исследований. Размер премии победителям составляет 25 тысяч рублей для студентов и 50 тысяч рублей для молодых ученых.
Фото: Олеся Орина