способ защиты космических аппаратов от метеорных частиц и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ защиты космического аппарата (КА) от метеорных частиц, основанный на взаимодействии метеорной частицы с преградой, установленной перед корпусом КА, преобразовании кинетической энергии метеорной частицы в кинетическую энергию потоков осколков и в тепловую энергию потока плазмы при воздействии разности потенциалов между преградой и корпусом космического аппарата на поток осколков и плазмы, отличающийся тем, что образовавшиеся осколки испаряют за счет энергии электрического разряда в плазме при разности потенциалов, величину которой определяют по формуле:

U > v (m / C)^1/2,

где m - расчетная масса метеорной частицы;

v - расчетная скорость метеорной частицы;

C - электрическая емкость между преградой и корпусом КА.

2. Устройство для защиты космического аппарата от метеорных частиц, содержащее преграду, расположенную на расстоянии от корпуса КА, диэлектрический экран, расположенный на корпусе, и систему энергопитания для создания разности потенциалов, имеющую для выхода, первый из которых соединен с электропроводящим слоем на корпусе, а второй - с преградой, отличающееся тем, что преграда выполнена в виде металлического защитного экрана, который соединен с вторым выходом системы энергопитания через токоограничивающий резистор, а между первым и вторым выходами системы энергопитания подключен накопительный конденсатор, металлический защитный экран снабжен изоляционным слоем, который расположен со стороны электропроводящего слоя.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что электропроводящий слой выполнен в виде металлической сетки.

4. Аппарат по пп.2 и 3, отличающийся тем, что проволока сетки изготовлена из тугоплавкого сплава на основе вольфрама.

5. Аппарат по пп.2 - 4, отличающийся тем, что электропроводящий слой получен нанесением металлического покрытия на диэлектрический защитный экран.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованиям и освоению космического пространства и может быть использовано в космических объектах для защиты от метеорных частиц.

Известен способ защиты объектов (танков) от пробоя частицами (снарядами), заключающийся в том, что на внедряющееся в броню твердое тело оказывают дополнительное механическое воздействие обновляющимся бронематериалом /1/.

Устройство для реализации способа содержит взводный экран, заряд взрывчатого вещества (ВВ), подвижную и неподвижную бронеплиту /1/.

Попаданием снаряда в цель предварительно взводится экран, инициируется срабатывание ВВ, в результате чего подвижная бронеплита давлением пороховых газов перемещается относительно неподвижной во время внедрения твердого тела в комбинированную броню, поглощая тем самым кинетическую и взрывную энергию снаряда в большем объеме броневого материала, что снижает поражающее действие противотанкового средства.

Недостатком способа и устройства является невозможность предотвращения заброневого эффекта, уменьшающего возможности выполнения задач экипажем и танка в целом.

Известен способ защиты космического аппарата от пробоя метеорными телами, заключающийся в том, что на пути метеорной частицы создают преграду, превращают кинетическое взаимодействие преграды при встрече с метеорной частицей в тепло и полученным перепадом температур (теплом) разрушают (испаряют) метеорную частицу /2,3/.

Космический аппарат (КА), реализующий данный способ, дополнительно снабжен наружной механической оболочкой (одной или несколькими), которой полностью или фрагментарно ограждается от прямого воздействия космической пыли /3/. Для обеспечения полетного задания КА, кроме того, имеет в своем составе двигательную установку, системы астроориентации, энергопитания и управления, остронаправленную параболическую антенну, передатчик и другие технические средства.

Оболочки (экраны) могут изготавливаться из разных конструкционных материалов (алюминий, кевлар /2/) и располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Считается, что это расстояние должно быть не менее 20 диаметров, а толщина первого защитного алюминиевого экрана - не менее половины диаметра метеорной частицы. При этом первый экран обеспечивает испарение и рассеивание космической частицы, следующий за ним - поглощение и отражение продуктов ее преобразования.

Недостатком известного технического решения является неполное разрушение метеорного тела при прохождении им стенки первого экрана вследствие нехватки либо запаздывания распространения тепловой энергии из-за теплопроводности взаимодействующего конгломерата, что может приводить к отказу КА путем разрушения осколками частицы элементов его конструкции. Это возможно также за счет заброневого эффекта.

Вероятность этих событий существенно возрастает с увеличением размеров, сроков существования и удаленности космических объектов за пределы плотных слоев атмосферы Земли. Число метеорных частиц, сталкивающихся с поверхностью КА, зависит также от их массы, которая может изменяться в очень широких пределах. Частицы с меньшей массой встречаются более часто. При оценке вероятного ущерба от столкновения частицы с КА нужно принимать во внимание еще их относительную скорость и соответствующую направленность векторов.

Другой недостаток этого решения - уменьшение коэффициента весового совершенства конструкции КА из-за увеличения его массы на величину массы дополнительных оболочек.

Наиболее близким по техническому существу к предлагаемому является способ защиты космических аппаратов от метеорных частиц, реализуемый известным устройством /4/, основанный на взаимодействии метеорной частицы с преградой, установленной перед корпусом космического аппарата, и преобразовании кинетической энергии метеорной частицы в кинетическую энергию потоков осколков и в тепловую энергию потока плазмы при воздействии разности потенциалов между преградой и корпусом космического аппарата на поток осколков и плазмы.

Известное устройство для защиты содержит космический аппарат, изолированный экран из листового материала, внешнюю оболочку-преграду и другие элементы /4/.

Недостаток данного технического решения состоит в невысокой надежности электростатической защиты космических аппаратов от частиц с достаточной кинетической энергией.

Задача изобретения - увеличение надежности защиты космических аппаратов от поражения метеорными частицами.

Задача решается тем, что в способе защиты космического аппарата от метеорных частиц, принятом за прототип /4/, основанном на взаимодействии метеорной частицы с преградой, установленной перед корпусом космического аппарата, и преобразовании кинетической энергии метеорной частицы в кинетическую энергию потоков осколков и в тепловую энергию потока плазмы при воздействии разности потенциалов между преградой и корпусом космического аппарата на поток осколков и плазмы, образовавшиеся осколки испаряют за счет энергии электрического разряда в плазме при разности потенциалов, величину которой определяют по формуле

U > v(m/C)^1/2,

где m - расчетная масса метеорной частицы;

v - расчетная скорость метеорной частицы;

C - электрическая емкость между преградой и корпусом КА.

В известном устройстве для защиты космического аппарата от метеорных частиц, содержащем преграду, расположенную на расстоянии от корпуса космического аппарата, диэлектрический экран, расположенный на корпусе, и систему энергопитания для создания разности потенциалов, имеющую два выхода, первый из которых соединен с электропроводящим слоем на корпусе, а второй с преградой, задача решается тем, что преграда выполнена в виде металлического защитного экрана, который соединен с вторым выходом системы энергопитания через токоограничивающий резистор, а между первым и вторым выходами системы энергопитания подключен накопительный конденсатор, металлический защитный экран снабжен изоляционным слоем, который расположен со стороны электропроводящего слоя. Кроме того, электропроводящий слой выполнен в виде металлической сетки. Проволока сетки изготовлена из тугоплавкого сплава на основе вольфрама. Вместе с тем, электропроводящий слой получен нанесением металлического покрытия на диэлектрический защитный экран.

Авторы не знакомы с аналогичными решениями указанной задачи в данной или близких областях техники. В связи с чем изложенную совокупность отличительных признаков считают существенной.

Способ и устройство поясняются схемой на чертеже.

На схеме представлены метеорная частица 1, взаимодействующая с металлическим защитным экраном 2, на который со стороны КА нанесен изоляционный слой 3, конгломерат из возникающей плазмы, осколков частицы и экрана 4, электропроводящий слой 5, помещенный между изоляционным слоем 3 и диэлектрическим защитным экраном 6, закрепленным на теплозащитной оболочке 7, накопительный конденсатор 8, подключенный первой обкладкой через токоограничительный резистор 9 к первому, второй обкладкой - непосредственно ко второму выходам системы энергопитания 10 и к электропроводящему слою 5, а непосредственно первой обкладкой - к металлическому защитному экрану 2.

Способ заключается в следующем.

На преграду (металлический защитный экран 2, изоляционный слой 3) и космический аппарат (электропроводящий слой 5, диэлектрический защитный экран 6, теплозащитная оболочка 7, остальная конструкция не показана) до встречи с метеорной частицей 1 подают электрическую разность потенциалов U, т. е. напряжение прикладывается между металлическим защитным экраном 2 и электропроводящим слоем 5.

Это может быть выполнено как при старте с Земли, так и при переходе КА с околоземной орбиты на штатную траекторию полета в дальний Космос с помощью технических средств самого корабля (система управления) или технических средств корабля и наземного управляющего комплекса (не показан). В последнем случае для подачи соответствующей команды используется радиоканал, а прием ее в КА осуществляется на остронаправленную параболическую антенну, сигнал с которой вызывает соответствующую реакцию системы управления, в свою очередь воздействующей на систему (подсистему) энергопитания или один из ее модулей, например, умножитель напряжения, подключенный к химическому источнику, солнечной батареи и т. п.

Метеорная частица 1 с достаточной кинетической энергией E_к при встрече с КА преодолевает преграду и образует конгломерат 4 из плазмы (электропроводящего газа), осколков частицы, экрана и изоляционного слоя вследствие неполного своего разрушения и испарения. При продвижении конгломерата по направлению к электропроводящему слою 5 возникает градиент напряженности и происходит пробой электрического поля в системе 2-3-4-5. Поэтому в ней возникает электрический ток. Скорость пробоя электрического поля по аналогии с искровым разрядом в атмосфере - молнией, до 100 тысяч километров в секунду.

В результате действия электрического тока безинерционно выделяется джоулево и вспомогательное тепло, т. е. помимо прямого нагрева действует широкополосное радиоизлучение, включающее инфракрасный, миллиметровый и другие диапазоны электромагнитных волн, которое передается в окружающее пространство, в т.ч. на осколки конгломерата, находящиеся между преградой и КА. Если принять скорость распространения радиоизлучения 300 тысяч километров в секунду, расчетную скорость метеорной частицы относительно КА 20000 м/с, расстояние между преградой и КА по конструктивным соображениям 0,02 м, то на дополнительное испарение, уменьшение числа и массы осколков конгломерата приходится около 1 мкс времени.

С учетом разницы в скоростях частицы и электромагнитной волны (радиоизлучения), рассинхронизация нагрева с началом времени дополнительного испарения составляет не более нескольких наносекунд, т.е. ею можно пренебречь. Кроме того, т.к. излучение состоит из волн различной длины, то практически всегда найдется волна большего размера, чем диаметр осколков частицы, что способствует (в случае диэлектрической природы частицы - предположительно около 90% случаев) равномерности нагрева по глубине и повышению скорости их испарения. Диэлектрический защитный экран играет одновременно роль взрывонепроницаемой оболочки и дополнительного теплозащитного покрытия (кевлар), что исключает повреждение внутренней конструкции самого КА при реализации предложенной технологии.

Следовательно, падает пробивная способность метеорной частицы, увеличивается живучесть и срок активного существования космического объекта, существенно растет надежность его эксплуатации.

Это можно проиллюстрировать следующим примером. Если задаться площадью преграды порядка 100 м², площадью пробоя частицей 1 мм² и условием его обязательности раз в год, то вероятность вторичного попадания метеорной частицы в одно и тоже место КА при прочих равных условиях, которую можно трактовать как ненадежность предложенной технологии, т.е. как отказ данного метода и системы противометеорной защиты (СПМЗ), ориентировочно составит 0.00000001. При этом на достижение данной вероятностью величины, равной единице потребуется затратить около 10 млн. лет, что многократно превосходит все долговременные характеристики современных КА отечественного и зарубежного производства, достигнутые на сегодня. Расчетная надежность КА с СПМЗ для вышеприведенных данных составит 1-0,00000001=0.99999999. Здесь также имеется в виду, что параметры метеорной частицы (см. ниже) находятся в пределах расчетного случая.

Величину U, определяют по формуле

U > v(m/C^1/2),

где m - расчетная масса метеорной частицы;

v - расчетная скорость метеорной частицы;

C - электрическая емкость между преградой и корпусом КА.

Формула выводится из условия равенства кинетической энергии E_к = mv²/2 метеорной частицы и электрической энергии W_к = CU²/2, запасаемой в электрической емкости для заданного расчетного случая, т. е. для частицы и КА с определенными параметрами. При этом U, как параметр системы энергопитания, берется с некоторым запасом учитывая, что коэффициент преобразования энергии из одного вида в другую не равен 1.

Определение энергии метеорной частицы по формуле для кинетической энергии, а не по формуле Эйнштейна объясняется тем, что скорость этой частицы в подавляющем большинстве случаев много меньше скорости света.

Устройство работает следующим образом.

На металлический защитный экран 2 и электропроводящий слой 5, между которыми находится изоляционный слой 3, постоянно подана электрическая разность потенциалов U с накопительного конденсатора 8. Этот конденсатор через токоограничительный резистор 9 подключен к системе энергопитания 10 с помощью кабельной сети (не показана).

Изоляционный слой 3 необходим, чтобы блокировать автоэмиссию электронов в вакууме между металлическим защитным экраном 2 и электропроводящим слоем 5 под действием электрического поля от разности потенциалов U, что обеспечивает минимальные токи утечки (расход электроэнергии) в дежурном режиме.

Необходимость в токоограничительном резисторе 9 вызвана требованием сохранения работоспособности устройства в части системы энергопитания 10 при срабатывании СПМЗ.

Многослойный сетчатый металлический защитный экран 2 с покрытием изоляционным слоем 3 способствует рассеиванию конгломерата без существенного повреждения СПМЗ, т. к. останки конгломерата 4 по своим энергетическим величинам имеют заметно меньшие показатели, чем собственно частица. Тоже касается и их геометрических размеров. Поэтому отражение продуктов преобразования за пределы защитных экранов и, соответственно, КА для расчетных условий не должно оказывать большое влияние на работоспособность конструкции устройства как в случае с целиковым металлическим защитным экраном 2. Здесь имеем дело со своеобразным нелинейным механическим фильтром, регулярная структура которого с характерным размером, сопоставимым по величине с метеорной частицей (например, наибольшим диаметром 0,1 мм), "пропускает" останки, но не "пропускает" частицы, а пробивается ими.

Для повышения долговечности защитного экрана 2 его выполняют из прочных тугоплавких материалов или покрывают соответствующим покрытием, например, на основе вольфрама. Изоляционный слой 3 может быть выполнен с использованием технологии тонких пленок, в т. ч. неметаллических, или керамики.

При пробое метеорной частицей металлического защитного экрана 2 в цепи 2-3-5-8 протекает импульсный ток разряда конденсатора, образованного электрической емкостью оболочек (экранов) и вспомогательной (конструктивной) накопительной емкостью 8. Эта емкость необходима для проектного обеспечения энергетики расчетного случая при нехватке в этих целях величины электроемкости защитных оболочек КА, которые для данной электрической схемы включения суммируются. Величина разрядного тока в основном определяется кинетическими параметрами частицы. Таким образом, возникает своеобразная автоматическая регулировка получаемой величины дополнительного тепла, что является важным преимуществом устройства и увеличивает надежность его работы, а также эксплуатации КА в целом.

После срабатывания СПМЗ конгломерат 4 дополнительно испаряется и рассеивается, а электроемкость с постоянной времени t = RC, где R - величина токоограничительного резистора 8, С - см. выше, начинает заряжаться от системы энергопитания 10. По истечении времени примерно (3-4)t СПМЗ снова готова к работе. Для C = 0,1 Ф и R = 1 кОм это составит около 300-400, для C = 0,01 Ф и R = 0,1 кОм соответственно 3-4 с, что является достаточным при выборе конструктивных параметров для защиты КА от одиночных частиц.

Останки конгломерата 4 поглощаются и отражаются диэлектрическим защитным экраном 6. Межоболочечные крепления КА и конструктивных элементов не показаны.

Под одиночными частицами подразумеваются те, время между попаданиями которых в КА превосходит постоянную времени заряда СПМЗ.

Резкого повышения быстродействия СПМЗ, например, для работы в условиях метеорного дождя или межзвездной пыли, можно достичь использованием секционированных конденсаторно-резисторных цепочек в т. ч. фрагментов защитных экранов, включенных электрически параллельно.

Предложенные способ и устройство могут обеспечить экономию общественных затрат на производство и эксплуатацию КА различного назначения: автоматические межпланетные станции и пилотируемые полеты, геодезические искусственные спутники Земли, специальные аппараты и во многих других случаях. При этом отказ от восполняющих запусков сэкономит материальные, сырьевые и энергетические ресурсы. Улучшит экологию среды обитания. Приведет к меньшему засорению космического пространства.

Источники информации

1.Сафонов Б. Повышение живучести танков. Зарубежное военное обозрение. - 1989, N 1, с 25-32.

2. Скуридин Г. А. К комете Галлея. В кн,: Будущее науки Международный ежегодник. - М.: Знание, 1984, вып. 17, с. 92-108.

3. Ковтуненко В. М. Навстречу комете Галлея - проект "Вега" В кн.: Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации 1985 г. - М.: Наука, 1986.

4. Заявка Великобритании N 2190544, H 01 T 23/00.