CC BY
8УДК 629.7
ИСКУССТВЕННОЕ ПЛАЗМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА В ПЛОТНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
А. Н. Устинов1, В. А. Бабук2, А. А. Низяев2, В. Д. Атамасов2, А. А. Кудинов2
1 ОАО «МЗ «Арсенал», Санкт-Петербург, Российская Федерация
2 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация. Рассматриваются способы утилизации космического мусора с помощью искусственного плазменного образования как с использованием космических аппаратов утилизации, так и для самоутилизации космических аппаратов. Для торможения объектов космического мусора, окруженных искусственным плазменным образованием, предлагается использовать аэродинамическое торможение о следы атмосферы Земли. Благодаря заполнению пустот между фрагментами газопылевой средой значительно увеличиваются силы аэродинамического торможения, что сокращает срок существования космического мусора на околоземной орбите. Подвергаясь ионизации под воздействием радиации космического пространства или лазерного облучения, производимого с космическим аппаратом утилизации, плазменное образование «сращивает» газопылевое окружение с элементами мусора электростатическими кулоновскими силами. В газопылевом облаке между элементами твердого корпуса и газопылевой средой возникают кулоновские силы. Облако мелкодисперсных образований еще до встречи с космическим мусором будет подвергаться ионизации за счет радиационных излучений, поступающих из космического пространства, либо вследствие его дополнительного сканирования лазерным лучом достаточной мощности. Чтобы получить более высокую концентрацию ионизованной среды мелкодисперсных образований, необходимо в его состав ввести легко ионизирующиеся щелочные и щелочноземельные вещества, имеющие низкий потенциал ионизации. При этом электростатические кулоновские притяжения начинают преодолевать рассеивающие усилия аэродинамического воздействия следов атмосферы Земли, т. е. сохранять искусственное плазменное образование вплоть до достижения космическим мусором, окруженным искусственным плазменным образованием, плотных слоев атмосферы Земли, в которых осуществляется термическая утилизация космического мусора. Особенностью космического аппарата, спроектированного с учетом последующей самоутилизации, является наличие видоизменяющейся конструкции. Данные конструкции заложены на стадии проектирования для увеличения общего миделевого сечения после срабатывания команды на утилизацию космического аппарата. Элементы конструкции распределяются в большом объеме конструктивной формы твердого космического мусора. На основе новой конструкции космического мусора создается искусственное плазменное образование, которое состоит из легкоионизирующейся газопылевой среды, формирующейся за счет специального генератора, заложенного на стадии проектирования космического аппарата, и твердого космического мусора. Полученное искусственное плазменное образование приводится во вращательное движение с целью сохранения максимального общего миделевого сечения в пространстве и времени для форсирования аэродинамического торможения о следы атмосферы Земли. За счет этого сокращается время существования космического мусора на орбите.
Ключевые слова: искусственное плазменное образование, космический аппарат, околоземное космическое пространство, сложная техническая система, собственная внешняя атмосфера, мелкодисперсное образование.
© Устинов А. Н., Бабук В. А., Низяев А. А., Атамасов В. Д., Кудинов А. А., 2023
Для цитирования: Устинов А. Н., Бабук В. А., Низяев А. А., Атамасов В. Д., Кудинов А. А. Искусственное плазменное образование для утилизации космического мусора в плотных слоях атмосферы Земли // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 2. С. 145-157.
ARTIFICIAL PLASMA FORMATION FOR THE DISPOSAL OF SPACE DEBRIS IN THE DENSE LAYERS OF THE EARTHS ATMOSPHERE
A. N. Ustinov1, V. A Babuk2, A. A. Nizyaev2, V. D. Atamasov2, A. A. Kudinov2
1 Arsenal Machine-Building Plant JSC, Saint Petersburg, Russian Federation
2 Baltic State Technical University "VOENMEH", Saint Petersburg, Russian Federation
Abstract. Methods for the disposal of orbital debris by artificial plasma formation (APF) are discussed, which can be carried out both with the help of a special-purpose disposal spacecraft and by means of spacecraft self-disposal functions. It is proposed to use the aerodynamic drag of atmospheric traces to decelerate an artificially created plasma formation surrounding fragments of space debris. An increase in the aerodynamic drag of the disposed space debris created by gas-dust filling of voids between solid fragments of the debris cluster reduces the space debris existence time. Being subjected to ionization under the influence of cosmic radiation or laser irradiation produced from the CAU, the plasma formation "splices" the gas-dust environment with debris elements by electrostatic Coulomb forces. In the case of using a gas-dust cloud enveloping solid fragments of debris, physical processes are formed that lead to the creation of Coulomb interaction forces. The cloud of fine-dispersed formations (FDF), even before the meeting with the debris, will be subjected to ionization due to radiation emanating from outer space, or due to its additional scanning with a laser beam of sufficient power. In order to obtain a higher concentration of the FDF ionized medium, it is necessary to introduce easily ionized alkaline and alkaline-earth substances with a low ionization potential into its composition. At the same time, electrostatic Coulomb attractions become able to overcome the dissipating forces of the aerodynamic effects of traces of the Earth's atmosphere, that is, to preserve the APF until its dense layers are reached, in which the thermal utilization of space debris is carried out. The features of a self-disposing spacecraft are the presence of transforming structures of hull elements. The transforming structures were developed at the design stage in order to significantly increase the total spacecraft midsection after the command for its disposal is activated. The spacecraft elements are then dispersed in a larger volume of the structural form of solid space debris. On the basis of the resulting pattern of space debris, an artificial plasma formation is formed, consisting of an easily ionized gas-dust medium injected by a special-purpose generator provided for at the design stage of the spacecraft, and solid space debris. In order to preserve in space and in time the maximum area of the total midsection of such an artificial formation in order to force aerodynamic drag of Earth's atmospheric traces, the APF is put into rotational motion. This reduces the time of existence of orbital debris.
Keywords: artificial plasma formation, spacecraft, near-Earth outer space, complex technical system, own external atmosphere, fine-dispersed formation.
For citation: Ustinov A. N., Babuk V. A., Nizyaev A. A., Atamasov V. D., Kudinov A. A. Artificial plasma formation for the disposal of space debris in the dense layers of the earth's atmosphere. Aerospace Engineering and Technology. 2023. Vol. 1. No. 2, pp. 145-157.
Введение
Космический мусор (КМ) с каждым годом становится все более актуальной проблемой для мировой космонавтики. Проблема техногенного засорения космического пространства влечет за собой дополнительные проблемы при разработке новых космических аппаратов (КА), так как столкновение даже с маленьким фрагментом КМ может привести к поломке или полному уничтожению ракеты-носителя или КА [1, 2]. Под КМ понимают: объекты искусственного происхождения; полезная нагрузка ракет-носителей, которая выработала свой ресурс или вышла из строя; фрагменты ракет космического назначения.
Рассматривается способ увода КМ с орбиты для последующей утилизации (сгорания) в плотных слоях атмосферы, который реализуется за счет использования плазменного образования, искусственно создаваемого вокруг облака осколков КМ с помощью космического аппарата утилизации (КАУ). После окружения КМ мелкодисперсным образованием (МДО), полученным с помощью запускаемого с КАУ генератора газопылевой среды, твердые элементы конструкции КМ начинают получать отрицательный заряд, а газопылевая среда - положительный. Получение твердыми осколками КМ отрицательного заряда обусловлен намного большей скоростью теплового движения в плазменной среде электронов по сравнению со скоростью других, более тяжелых частиц плазмы (ионов и пылевых частиц). Таким образом, в объеме газопылевой плазмы из-за потери вследствие перераспределения электронной компоненты появится положительный пространственный заряд. Взаимодействие отрицательно заряженных элементов КМ с газопылевой средой за счет кулоновских сил приведет к остановке интегрального перемещения компонентов искусственного плазменного образования (ИПО) относительно друг друга. Таким образом, у КМ формируется облако собственной внешней атмосферы (СВА) с повышенной плотностью, по сравнению с плотностью среды, окружавшей КМ до срабатывания генератора МДО.
Кулоновские силы электронного взаимодействия порождают дальнейший неразрывный орбитальный полет сформированного объекта (ИПО), состоящего из газопылевой атмосферы и твердых фрагментов КМ. Размеры и форма ИПО зависят от напряженности электростатического поля в объеме атмосферы, что является функцией степени ионизации плазмы, окружающей КМ. Изменяя степень ионизации, можно управлять массогабаритными параметрами ИПО, площадь миделевого сечения которого превосходит сумму площадей миделевых сечений осколков КМ. Вследствие чего значительно увеличивается сила аэродинамического сопротивления о следы атмосферы Земли. Рост сил аэродинамического сопротивления КМ в составе ИПО приводит к ускоренному уменьшению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, где произойдет его полная утилизация за счет сгорания в атмосфере [3].
Формирование ИПО вокруг КМ увеличивает площадь миделевого сечения, что повышает силу аэродинамического сопротивления полученного объекта о следы атмосферы Земли.
Известно, что плазма - это неструктурированная квазинейтральная среда, состоящая из большого числа заряженных частиц с коллективной динамикой. Главным отличием плазмы от нейтрального газа является свойство амбиполяр-ной диффузии, т. е. наличие постоянной электромагнитной связи частиц, обладающих зарядом. В результате изменения под внешним воздействием структуры плазмы возникнут противодействующие силы, что приведет к изменению динамики всего облака плазмы. Поэтому плазму считают четвертой фазой вещества, обладающей новыми свойствами. Для неионизованного газа характерны тепловые движения нейтральных частиц (атомов, молекул, кластеров, пылеобразных частиц вещества и т. д.), представляющие совокупность прямых отрезков (броуновское движение). Для движения заряженных частиц плазмы присущи законы электромагнитного взаимодействия, в результате чего возникают силы, которые искривляют траектории частиц [4].
Степень ионизации плазмы - это отношение общего числа положительно заряженных ионов к первоначальному числу атомов, которое варьируется в зависимости от показателей, определяющих плазменную среду (процесс ионизации, температура), и скорости ее перераспределения (воссоединение противоположно заряженных частиц и образование нейтральных атомов). Полностью ионизированная плазма, состоящая только из свободных атомных ядер и электронов, -редкое явление, так как в реальных условиях в ней находятся нейтральные частицы. В плазме, имеющейся в ионосфере Земли, заряженные частицы составляют малую долю. Для стабилизации плазменной среды, которая обволакивает элементы КМ, при полете в условиях соударения со следами земной атмосферы необходимо обеспечить высокую напряженность электростатического поля разноименных зарядов: отрицательного - на поверхностях твердых тел, положительного - в объеме плазмы, окружающей эти тела [5].
С этой целью используются физические процессы, протекающие в газоплазменной среде при наличии в ней частиц пыли, которая создает явления увеличенного силового взаимодействия твердых, отрицательно заряженных пылевых частиц с газоплазменной средой. Увеличение сил взаимного притяжения разно-заряженных частиц газопылевой среды (за счет кулоновских сил) связано с образованием высоких электрических потенциалов на поверхности пылинок в сравнении с элементарными частицами газоплазменного образования. Скопление электронной компоненты плазмы приводит к заряжению пылинок величиной, равной нескольким тысячам зарядов электронов. Такое распределение обусловлено преимущественной конденсацией на поверхностях твердой пыли легкой, а значит быстро перемещающихся электронной компоненты плазмы, по сравнению с потоком тяжелых, т. е. медленных положительных ионов.
Структурирование плазмы при добавлении в ее состав пыли
При инжекции в плазму СВА пылеобразного ингредиента электроны конденсируются на поверхности каждой пылинки в большем количестве, чем количество конденсирующихся ионов, заряжая ее возросшим в ~1000 раз коллективным отрицательным зарядом. В дальнейшем поле отрицательного заряда пылинок начинает препятствовать приближению к ним электронов вплоть до полного прекращения их конденсации. Это означает, что со временем наступает предельное насыщение в процессе отрицательного заряжения пылинок. Далее к окрестности притягиваются пылинки тяжелых положительно заряженных ионов, образующих положительные многозарядные области («положительные шубы»). Начинают активизироваться процессы, обратные конденсации электронов - процессы вылета электронов с поверхности твердых тел (эмиссия электронов), которая приводит к уменьшению отрицательно заряда и появлению положительного заряда из-за дефицита электронной компоненты. Вылетающие с поверхностей пыли электроны запускают процесс нейтрализации положительно заряженной «шубы».
Когда значение напряженности положительного электростатического поля достигает предельного насыщения, перезарядка пылинок газоплазменного образования повторяется (отрицательное заряжение конденсирующимися электронами - образование «положительной шубы» - интенсификация эмиссии электронов с поверхности пылинок - появление положительной заряженности пылинок и т. д.). Это означает формирование колебания зяряженности ИПО. Поскольку колебания заряженности каждой пылевой частицы протекают не единовременно, то одномоментное существование положительных и отрицательно заряженных частиц газопылевой среды приводит к усилению структурирования среды, т. е. к значительному увеличению сил электростатического сцепления частиц, имеющих положительные заряды, с частицами, заряженными отрицательно. Указанное физическое явление в пылевой плазме приводит к повышению сохранения плазменного образования в космическом пространстве, вследствие существенного увеличения сил, препятствующих его рассеянию. Создание и сохранение электрически «вязкой» среды необходимо для повышения устойчивости нового искусственного образования, состоящего из «сращенной» совокупности фрагментов КМ и окружающей его генераторной газоплазменной среды (ИПО) [5].
Экспериментальные исследования показали, что упорядоченные пылевые образования наблюдались в разных типах плазмы: газоразрядной, термической, ядерно-возбуждаемой. В описанных случаях основной причиной формирования организованных пылевых структур является наличие электрического заряда. Причем заряд пылинок может быть изначально не только отрицательным, но и положительным из-за воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, которое облучает частицы, что приводит к образованию фотоэлектронной эмиссии с поверхности частиц. В термической плазме заряд пылинок может быть
положительным вследствие термоэлектронной эмиссии с поверхности частиц. В ядерно-возбуждаемой плазме поток электронов (в-излучение) может зарядить частицы отрицательно, но вторичная электронная эмиссия (эффект Шотт-ки - явление вырывания электронов из поверхностей пылинок положительным полем «шубы», или «туннельный эффект») может поменять знак зарядов на положительный [6].
Одновременно с этим будут происходить и другие процессы формирования организованной структуры плазменной пылевой среды вплоть до образования кристаллической (кулоновской) плазмы. Например, смещение электронов на удаленную часть поверхности пылинок при сближении с соседними пылинками, имеющими отрицательный заряд. Такое смещение приведет к созданию частиц-диполей, имеющих положительный и отрицательный заряд с противоположных сторон. Наличие разнозаряженных частиц приведет к их упорядоченному слипанию под воздействием электростатических сил. Описанные процессы позволяют прогнозировать образование электростатических связей между разноименными зарядами, которые приведут к нейтрализации пылинок при их слипании.
Так формируется стабильная упорядоченная структура, состоящая из пылевых частиц, т. е. структурированная плазма. В газопылевой плазме самоорганизуются процессы сращивания плазменной среды в единую материальную структуру, способную сопротивляться воздействию следов атмосферы Земли на ИПО. Это позволяет использовать ИПО, имеющие на несколько порядков большие миделевые сечения, чем у совокупности фрагментов КМ, для окутывания ими КМ с целью его термической утилизации в плотных слоях атмосферы Земли (ускоренного аэродинамического торможения до входа в плотные слои земной атмосферы) [7].
Полученное за счет ИПО миделевое сечение значительно превосходит миде-левое сечение всех отдельно взятых твердых компонентов КМ, что повышает силу, с которой следы атмосферы Земли воздействуют на облако КМ, а значит и сокращается время схода КМ.
Форсирование электрических и магнитных взаимодействий ингредиентов плазмы за счет увеличения степени ионизации ингредиентов СВА
Для повышения эффективности аэродинамического торможения о следы атмосферы Земли необходимо заполнить свободное пространство между элементами КМ. С этой целью в конструкции КА необходимо предусмотреть наличие генератора газопылевой среды. Она заполняет свободное пространство вокруг скопления КМ и увеличивает диаметр искусственного образования за счет окружения КМ снаружи. Подвергаясь ионизации под воздействием радиации космического пространства или источников излучений, находящихся в составе бортовых систем КА, плазменное образование сращивает газопылевое окружение с элементами утилизируемых конструкций вследствие генерации между
ними электростатических и магнитных взаимодействий (рис. 1). Силы удерживающих взаимодействий ингредиентов газопылевой атмосферы в окружении КМ, характеризующие устойчивость ИПО, прямо пропорционально зависят от степени ионизации газопылевой среды.
з
1
» 12 13
Рис. 1. Способ утилизации КМ с помощью ИПО 1 - группа объектов КМ (облако КМ); 2 - направленный поток газопылевой среды из генератора МДО; 3 - ИПО: фрагменты КМ + пылевое наполнение + газовая плазма; 4 - лазерная ионизация ИПО (сканирование ультрафиолетовым лазером); 5, 6 - интенсивное аэродинамическое торможение ИПО остаточной атмосферой Земли; 7 - область утилизации ИПО в плотных слоях атмосферы; 8 - орбиты движения объектов (ИПО и КАУ);
9 - лазерный луч; 10 - аэродинамическое воздействие остаточных следов атмосферы Земли; 11 - направления движений ИПО и КАУ; 12 - угловой диапазон лазерного сканирования ИПО; 13 - граница угловой области лазерного сканирования ИПО
Чтобы активировать ионизационные процессы, в состав генерируемой среды вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Известны способы эжектирования в ИПО таких элементов, как Li, Ba, №, Cs при использовании их в качестве наполнителей или компонентов термитных смесей, создающих плазменные образования в виде космических облаков, что подтверждает освоенность данной технологии. При этом использовались следующие типы генераторов: газодинамические, пиротехнические, взрывные. В газодинамических генераторах происходил выброс диспергированных частиц направленными потоками сжатого газа. Этот процесс осуществляется с относительно небольшими скоростями их разлета и с требуемым распределением концентрации. Недостатком формирования МДО указанного типа является необходимость предварительного измельчения частиц, что ограничивает возможности уменьшения их размеров менее единиц-долей микрона.
В пиротехнических генераторах создаются металлотермические реакции быстрого горения смеси без взрывов. Недостатком таких генераторов является возможность использования только химически активных реагентов. Во взрывных генераторах измельчение и ввод газоплазменной среды происходит за счет
энергии взрыва. Взрывной генератор конструктивно состоит из заряда, детонатора и вкладыша вводимого вещества специальной формы. Здесь основной проблемой является необходимость ограничения скорости вводимой среды с помощью добавления в среду инертных газов.
Для усиления электрических взаимодействий в ИПО необходимо провести инжекцию в его среду легкоионизируемых щелочных и щелочноземельных пылеобразных веществ, которые повышают степень ионизации плазмы и ведут к значительному росту значения зарядов на твердых компонентах КМ.
Чтобы увеличить электростатическое взаимодействие для компенсации увеличивающейся силы аэродинамического торможения о следы атмосферы Земли, можно использовать воздействие лазерного излучения достаточной мощности. Для дополнительной ионизации ИПО необходимо предусмотреть в составе КАУ наличие лазерной установки.
Потребности КАУ в энергии и ресурсе функционирования постоянно возрастают, что приводит к необходимости использования более мощных бортовых источников электрической энергии. Поэтому в качестве альтернативы солнечным батареям предлагается использовать ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [8, 9]. Проектируемые ЯЭУ космического базирования будут способны вырабатывать сотни киловатт и единицы мегаватт электрической энергии при сроках активного функционирования, достигающих 10 лет и более. Выполним приближенную оценку эффективности данного способа утилизации КМ. Известно, что воздействие аэродинамических сил следов атмосферы, вследствие их малости, только через ~300 лет приводит к снижению и утилизации в плотных слоях атмосферы КА, отработавших свои сроки на орбите функционирования высотой 800 км. При увеличении площади миделева сечения этого объекта КМ на два порядка, осуществленного с помощью ИПО с упрочненными куло-новскими связями частиц среды, время очистки околоземного пространства составит три года.
В невесомости динамические взаимодействия частиц в плазме могут привести к структурированию новых плазменных образований до жидкого и даже кристаллического состояния (твердого вещества).
Эксперименты в условиях микрогравитации подтвердили, что пылевая плазма по своей структуре становилась кристаллической или проявляла свойства жидкостей [5]. Вследствие большого заряда пылевых частиц потенциальная энергия их электростатического взаимодействия может превышать тепловую энергию пылинок. Тем самым появляется возможность усиления взаимодействия ближнего порядка и даже кристаллизации в системе пылевых частиц.
К эффектам самоионизации газопылевой среды под воздействием естественных причин (например, ультрафиолетовое воздействие Солнца) можно использовать искусственные источники ионизирующих излучений, (например, воздействие лазера). Описанные процессы формирования ИПО предлагается выполнять с помощью сервисного КА, снабженного лазером и ЯЭУ.
Разработан перспективный метод самоутилизации КА, но для его внедрения необходимо создать новые системы на раннем этапе проектирования КА (рис. 2).
Рис. 2. Способ самоутилизации КА с помощью ИПО с расчленением конструкции КА 1 - функционирующий КА; 2 - раскручивание КА для создания центробежной силы;
3 - расчленение КА под действием центробежной силы; 4 - образование ИПО;
5 - аэродинамическое воздействие остаточных следов атмосферы Земли;
6 - направления движений ИПО и КАУ
Необходимо разработать систему расчленения КА, отработавшего свой ресурс и превратившегося в КМ, для последующего формирования ИПО, площадь ми-делевого сечения которого ^мипо, как и в предыдущем методе, на порядки превосходит площадь миделевого сечения, утилизируемого КА ^мка- Искусственное плазменное образование формируется за счет разложения КА на отдельные элементы, которые распределяются в пространстве относительного основного элемента конструкции, после чего формируется газопылевая среда за счет генератора мелкодисперсных частиц. Новая распределенная в пространстве структура элементов КА сохраняется с помощью использования гибких, например тросовых связей между ними, и придания полученной конструкции вращательного движения. Создание вращательного момента обеспечивается системами управления КА за счет работы двигательных установок на компонентах топлива специально запасенных для самоутилизации. При необходимости для этой цели может использоваться энергия лазерных устройств наземного или космического базирования. Другими словами, при проектировании предусматривается возможность многократного увеличения площади миделевого сечения объекта ^мипо вследствие создания раскладывающейся конструкции КА под принудительным действием центробежных сил вращательного движения и устройств, приводящих к запрограммированному разрыву первоначальных крепежных механизмов и рассредоточению конструктивных элементов КА в пространстве.
Крайним случаем такой трансформации может стать расчленение конструкции аппарата на отдельные элементы, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную объемную или плоскую фигуру с большим диаметром, которая расположена с направлением максимального поперечного сечения по нормали к направлению полета. Ука-
занное расчленение конструкции КА-мусора можно осуществлять с применением пиротехнических крепежных соединений, срабатывающих по команде от системы управления.
Образовавшиеся пустоты между элементами КА (при их расчленении) необходимо заполнить с помощью газопылевого облака, инжектируемого в пространство за счет заранее установленного на КА генератора ИПО. Газопылевое облако подвергается воздействию космической радиации, осуществляется сращивание облака благодаря процессам ионизации.
Заключение
Исследования физических процессов, протекающих в сложных технических системах космического базирования, позволили обнаружить и обосновать явления силового взаимодействия фрагментов КМ с СВА, в данном способе - искусственно созданной плазменной газопылевой средой [10, 11]. Силовое куло-новское взаимодействие сопряжено с образованием разности электрических потенциалов между средой в объеме СВА и поверхностями твердых объектов КМ [12].
Специальное устройство револьверного или обоймного типа, установленное на корпусе КАУ с ЯЭУ (см. рис.1), отстреливает газодинамический генератор МДО в направлении группы объектов КМ. При подлете к скоплению фрагментов КМ генератор выпускает направленное мелкодисперсное облако, в результате чего формируется ИПО, состоящее из совокупности макроскопических и микроскопических ингредиентов, прочно связанных друг с другом кулонов-скими силами. При действии сил аэродинамического сопротивления остаточной земной атмосферы указанное плазменное образование не разделяется на отдельные фрагменты. Таким образом, слияние МДО с облаком КМ формирует ИПО, сохраняющее свою структуру, имеющую новую важную характеристику - значительный рост миделевого сечения. Это приводит к пропорциональному повышению аэродинамической силы торможения ИПО, а значит к существенному сокращению времени его баллистического полета в околоземном пространстве.
Для удержания СВА около объектов КМ при движении по орбите в условиях аэродинамического воздействия следов остаточной атмосферы Земли нужно обеспечить достаточную напряженность электростатического поля разноименных зарядов. Сохранение созданной атмосферы - необходимое условие для стабильного поддержания миделевого сечения ИПО большой площади, обеспечивающего интенсивное аэродинамическое торможение плазменного образования с его последующей утилизацией в плотных слоях земной атмосферы. Для повышения прочности сцепления составляющих ингредиентов ИПО за счет ку-лоновских сил в состав МДО вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные пылеобразные вещества, способные обеспечивать высокую степень ионизации плазмы, а значит получать повышенные величины зарядов на фраг-
ментах КМ. Известны способы диспергирования в космос Li, Ba, Na, Cs при их использовании в качестве наполнителей или компонентов термитных смесей, применяющихся для создания МДО.
Для сохранения необходимой разности потенциалов между объемом СВА и поверхностями твердых объектов КМ при увеличивающейся интенсивности аэродинамического воздействия применяется лазерное ультрафиолетовое излучение. Лазер работает в режиме сканирования облака с углом и границами конуса. Для выполнения указанных операций в составе КАУ предусмотрено необходимое оборудование: устройство наводки (прицеливания) и отстрела газодинамического генератора МДО, ультрафиолетовая лазерная установка с возможностью наведения на объект и изменения угла воздействия.
Разработан метод самоутилизации КА, позволяющей увести КА с рабочей орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием в ней элементов конструкции. Суть метода состоит в наличии на КА трансформирующихся конструкций, разработанных на стадии проектирования. Трансформирующиеся конструкции связаны с основным корпусом гибкими связями, которые удерживают разлетающиеся элементы на заданной дистанции, что дополнительно повышает миделевое сечение всего КА. В новообразованную конструкцию за счет заранее установленного генератора ИПО инжектируется легко ионизирующаяся газоплазменная среда. Для противодействия нарастающим аэродинамическим силам и сохранению миделевого сечения ИПО приводится во вращательное движение. Приведенные способы утилизации КМ могут использоваться для отчистки пространства от КМ.
Библиографический список
1. Теория проектирования сложных технических систем космического базирования / Н. А. Тестоедов, В. Д. Атамасов, В. А. Бабук [и др.]; под ред. В. Д. Атамасова, Н. А. Тесто-едова, А. П. Ковалева. - СПб.: АНО ЛА «Профессионал», 2012. - 560 с.
2. Наземные эксперименты и теоретические исследования. - URL: http://sovet.cosmos.ru/sites/default/files/cospar_r6.pdf (дата обращения: 20.03.2023).
3. Акишин А. И. Работоспособность космического оборудования при воздействии собственной внешней атмосферы аппарата // Труды VIII Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». - М.: НИИЯФ МГУ, 2007. - С. 15-19.
4. Литвинов Е. А. Курс лекций по физике плазмы. - Екатеринбург: ИЭФ УрО РАН, 2001. -77 с.
5. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках / С. К. Жданов, В. А. Курнаев, М. К. Романовский, И. В. Цветков; под ред. В. А. Курнаева. - М.: МИФИ, 2007. - 368 с.
6. Солнечное затмение по заказу // Техника - молодежи. - 1978. - № 5. - С. 21-23.
7. Янин С. Н. Лекции по основам физики плазмы. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 78 с.
8. Благовещенская Н. Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - 273 с.
9. Кравцов Ю. А. Геометрическая оптика неоднородных сред / Ю.А. Кравцов, Ю. И. Орлов. - М.: Наука, 1979. - 304 с.
10. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли / Н. Д. Филипп, В. Н. Ораевский, Н. Ш. Блаунштейн, Ю. Я. Ружин. - Кишинев: Штиинца, 1986. - 246 с.
11. Хаффнер Дж. Ядерное излучение в космосе. - М.: Атомиздат, 1971. - 320 с.
12. Ядерные орбитальные комплексы / В. Д. Атамасов, В. А. Бабук, С. А. Немыкин [и др.]. -СПб.: КБ «Арсенал» им. М. В. Фрунзе, 2016. - 800 с.
Дата поступления: 02.05.2023 Решение о публикации: 19.06.2023
Контактная информация:
УСТИНОВ Александр Николаевич - канд. техн. наук, генеральный директор (ОАО «МЗ «Арсенал», Российская Федерация, 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, д. 1-3), Ustinov_an@mzarsenal.com
БАБУК Валерий Александрович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), babuk_va@mail.ru
НИЗЯЕВ Александр Александрович - канд. техн. наук, доцент (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), nizyaev_aa@mail.ru
АТАМАСОВ Владимир Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), vldmatamasov@mail.ru
КУДИНОВ Александр Андреевич - аспирант (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), kudinov_aa@voenmeh.ru
References
1. Testoedov N. A., Atamasov V. D., Babuk V. A. [et al.] Teoriya proyektirovaniya slozhnykh tekhnicheskikh sistem kosmicheskogo bazirovaniya [Theory of designing complex technical space-based systems]; ed. by V. D. Atamasov, N. A. Testoedov, A. P. Kovalev. Saint Petersburg: ANO LA Professional, 2012, 560 p. (In Russian)
2. Nazemnyye eksperimenty i teoreticheskiye issledovaniya [Ground experiments and theoretical studies]. URL: http://sovet.cosmos.ru/sites/default/files/cospar_r6.pdf (accessed: March 20, 2023).
3. Akishin A. I. Rabotosposobnost' kosmicheskogo oborudovaniya pri vozdeystvii sobstvennoy vneshney atmosfery apparata [Operability of space equipment under the influence of the spacecraft own external atmosphere]. Trudy VIII Mezhvuzovskoy nauchnoy shkoly molodykh spetsialistov "Kontsentrirovannyye potoki energii v kosmicheskoy tekhnike, elektronike, ekologii i meditsine" [Proceedings of the 8th Interuniversity Scientific School of Young Specialists "Concentrated Energy Flows in Space Technology, Electronics, Ecology and Medicine"]. Moscow: Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of MSU, 2007, pp. 15-19. (In Russian)
4. Litvinov E. A. Kurs lektsiy po fizike plazmy [A course of lectures on plasma physics]. Yekaterinburg: IEP UB RAS, 2001, 77 p. (In Russian)
5. Zhdanov S. K., Kurnaev V. A., Romanovsky M. K., Tsvetkov I. V. Osnovy fizicheskikh pro-tsessov v plazme i plazmennykh ustanovkakh [Fundamentals of physical processes in plasma and plasma installations]; ed. by V. A. Kurnaev. Moscow: MEPhI, 2007, 368 p. (In Russian)
6. Solnechnoye zatmeniye po zakazu [Solar eclipse on request]. Technology for Youth. 1978. No. 5, pp. 21-23. (In Russian)
7. Yanin S. N. Lektsii po osnovam fiziki plazmy [Lectures on the fundamentals of plasma physics]. Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publishing House, 2012, 78 p. (In Russian)
8. Blagoveshchenskaya N. F. Geofizicheskiye effekty aktivnykh vozdeystviy v okolozemnom kos-micheskom prostranstve [Geophysical effects of active impacts in near-Earth space]. Saint Petersburg: Gidrometeoizdat, 2001, 273 p. (In Russian)
9. Kravtsov Yu. A., Orlov Yu. I. Geometricheskaya optika neodnorodnykh sred [Geometric optics of inhomogeneous media]. Moscow: Nauka, 1979, 304 p. (In Russian)
10. Filipp N. D., Orayevskiy V. N., Blaunshteyn N. Sh. , Ruzhin Yu. Ya. Evolyutsiya iskus-stvennykh plazmennykh neodnorodnostey v ionosfere Zemli [Evolution of artificial plasma inho-mogeneities in the Earth's ionosphere]. Chisinau: Stiinza, 1986, 246 p. (In Russian)
11. Haffner J. Yadernoye izlucheniye v kosmose [Nuclear Radiation in Space]. Moscow: Atom-izdat, 1971, 320 p. (In Russian)
12. Atamasov V. D., Babuk V. A., Nemykin S. A. et al. Yadernyye orbital'nyye kompleksy [Nuclear Orbital Complexes]. Saint Petersburg: FSUE KB Arsenal named after M. V. Frunze, 2016, 800 p. (In Russian)
Date of receipt: May 2, 2023 Publication decision: June 19, 2023
Contact information:
Alexander N. USTINOV - Candidate of Technical Sciences, General Director (Arsenal MachineBuilding Plant JSC, Russian Federation, 195009, Saint Petersburg, ul. Komsomola, 1-3), Ustinov_an@mzarsenal.com.
Valery A. BABUK - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department ( Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Kras-noarmeyskaya ul., 1), babuk_va@mail.ru
Alexander A. NIZYAEV - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Kras-noarmeyskaya ul., 1), nizyaev_aa@mail.ru
Vladimir D. ATAMASOV - Doctor of Technical Sciences, Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), vldmatamasov@mail.ru
Alexander A. KUDINOV - Postgraduate Student (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), kudinov_aa@voenmeh.ru
