RU2816322C1 - Method of forming dust flow for mechanical interaction with orbital space objects - Google Patents

Method of forming dust flow for mechanical interaction with orbital space objects Download PDF

Info

Publication number
RU2816322C1
RU2816322C1 RU2023120375A RU2023120375A RU2816322C1 RU 2816322 C1 RU2816322 C1 RU 2816322C1 RU 2023120375 A RU2023120375 A RU 2023120375A RU 2023120375 A RU2023120375 A RU 2023120375A RU 2816322 C1 RU2816322 C1 RU 2816322C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
orbit
dust
plume
perigee
particles
Prior art date
Application number
RU2023120375A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Разумный
Сергей Алексеевич Купреев
Владимир Юрьевич Разумный
Олег Евгеньевич Самусенко
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2816322C1 publication Critical patent/RU2816322C1/en

Links

Abstract

FIELD: cosmonautics.
SUBSTANCE: invention relates to control of space objects using finely dispersed substance, for example, lunar dust — regolith. Dust (particles sized 10–100 mcm) is removed from the region of the orbit of the Moon into a parabolic or hyperbolic transfer orbit and scattered along a certain trajectory in the vicinity of this orbit. Under the action of gravity and solar pressure, a dust flow (plume) is formed, which is oriented tangentially at perigee and transmits its pulse to a certain space object on a near-earth orbit passing through perigee. In order to increase the length of the plume, dust can be scattered in series by several initiating devices.
EFFECT: reduced undesirable scattering of fine substance plume with possibility of controlling its size and structure in perigee.
3 cl, 11 dwg

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к методам и средствам осуществления межорбитальных маневров космических объектов (КО) с использованием внешних ресурсов космической среды и, конкретно, мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита («лунной пыли»), запасы которого на поверхности Луны достаточно велики. The invention relates to methods and means for carrying out inter-orbital maneuvers of space objects (SO) using external resources of the space environment and, specifically, fine matter, for example, lunar regolith (“lunar dust”), the reserves of which on the surface of the Moon are quite large.

Ожидаемые промышленно-технологические применения реголита многообразны, и среди них можно выделить возможность его непосредственного использования в качестве рабочего тела для перемещения в космосе (см., например, [1] WO 2020155460 А1; 06.08.2020, где предложено применение мелкого реголита для создания реактивной тяги при перелетах между пунктами поверхности Луны). The expected industrial and technological applications of regolith are diverse, and among them we can highlight the possibility of its direct use as a working fluid for movement in space (see, for example, [1] WO 2020155460 A1; 08/06/2020, where the use of small regolith to create a reactive thrust during flights between points on the lunar surface).

Энергетические ресурсы «лунной пыли» могут проявиться в значительно большей мере применительно к маневрам КО в системе Земля-Луна. Это видно из того, что гравитационный потенциал -mμ/RM массы m вещества на орбите Луны, вне сферы ее влияния, больше гравитационного потенциала -mμ/Ro такой же массы на поверхности Земли (Ro ≈ 6400 км) или на околоземной орбите (Ro > 6400 км) на величину The energy resources of “moon dust” can manifest themselves to a much greater extent in relation to spacecraft maneuvers in the Earth-Moon system. This is evident from the fact that the gravitational potential -mμ/R M of mass m of matter in the orbit of the Moon, outside its sphere of influence, is greater than the gravitational potential -mμ/R o of the same mass on the Earth's surface (R o ≈ 6400 km) or in low-Earth orbit (R o > 6400 km) by the amount

, (1) , (1)

где Ro << RM (≈ 384000 км); μ - гравитационная константа Земли, RM - средний радиус орбиты Луны. Здесь и далее движение КО и лунного вещества рассматривается в рамках ограниченной задачи двух тел. where Ro <<RM(≈ 384000 km); μ - gravitational constant of the Earth, RM - the average radius of the Moon's orbit. Here and below, the motion of the spacecraft and lunar matter is considered within the framework of a limited two-body problem.

Таким образом, разность гравитационных потенциалов (1) практически равна энергии массы m на параболической орбите (со «второй космической» скоростью νе в перигее), и следовательно, при передаче этой энергии лунного вещества некоторому КО, масса которого соизмерима с m, можно получить значительное изменение орбиты КО. Thus, the difference in gravitational potentials (1) is practically equal to the energy of the mass m in a parabolic orbit (with the “second cosmic” speed ν e at perigee), and therefore, when transferring this energy of lunar matter to some SO, the mass of which is commensurate with m, one can obtain significant change in the orbit of the spacecraft.

Очевидно, что для такой передачи энергии вещество (реголит) должно быть выведено с поверхности Луны и покинуть сферу влияния Луны, перейдя на параболическую (или слабо-гиперболическую) траекторию, пересекающую орбиту КО или касающуюся ее. Для этого веществу надо сообщить скорость порядка «второй космической» для Луны, которая составляет всего 2,38 км/с и сравнительно легко достигается, например, с помощью электромагнитных ускорителей (ЭМУ). Затраты энергии при этом будут, как легко видеть, на порядок меньше (1).Obviously, for such a transfer of energy, matter (regolith) must be removed from the surface of the Moon and leave the sphere of influence of the Moon, moving onto a parabolic (or weakly hyperbolic) trajectory intersecting the orbit of the spacecraft or touching it. To do this, the substance must be given a speed of the order of the “second cosmic” for the Moon, which is only 2.38 km/s and is relatively easily achieved, for example, with the help of electromagnetic accelerators (EMA). The energy consumption in this case will, as is easy to see, be an order of magnitude less (1).

Схемы передачи КО энергии лунного вещества (при чисто механическом взаимодействии точнее говорить о количестве движения) разнообразны, но общим требованием к ним должно быть ограничение действующих на КО нагрузок при его взаимодействии с потоком вещества, ввиду чего плотность потока должна быть достаточно мала, а его размеры (в направлении движения относительно КО) соответственно велики - чтобы с КО прореагировала масса вещества, достаточная для существенного изменения скорости КО.The schemes for transferring the energy of lunar matter to a spacecraft (with a purely mechanical interaction, it is more accurate to talk about the amount of motion) are varied, but the general requirement for them should be to limit the loads acting on the spacecraft during its interaction with the flow of matter, which is why the flux density should be quite low and its dimensions (in the direction of motion relative to the KO) are correspondingly large - so that a mass of matter reacts with the KO, sufficient for a significant change in the speed of the KO.

Для восприятия набегающего на КО потока можно использовать обычный экран (в том числе жаропрочный) или более сложную систему, преобразующую поток. To perceive the flow incident on the KO, you can use a conventional screen (including a heat-resistant one) or a more complex system that converts the flow.

Предшествующий уровень техники Prior Art

Помимо [1], высказывались, и достаточно давно, другие предложения использовать измельченное внеземное вещество для изменения движения (орбит) различных КО, в том числе - лунный реголит по описанной выше схеме - см. [2] А.В. Андреев. Некоторые вопросы транспортировки лунного вещества. Труды X1X Чтений К.Э. Циолковского. Секция "Проблемы ракетной и космической техники». М., ИИЕТ АН СССР, 1986. С.87-96 (с библиографией). In addition to [1], other proposals were made, and quite a long time ago, to use crushed extraterrestrial matter to change the motion (orbits) of various EOs, including lunar regolith according to the scheme described above - see [2] A.V. Andreev. Some issues of transportation of lunar matter. Proceedings of X1X Readings by K.E. Tsiolkovsky. Section "Problems of rocket and space technology". M., Institute of Electronic Engineering of the USSR Academy of Sciences, 1986. P.87-96 (with bibliography).

В [2] предлагалось формировать на гиперболической траектории движения из области орбиты Луны, посредством давления солнечного излучения, протяженный пылевой «хвост» (по аналогии с кометным), взаимодействующий с КО в перигее, причем была показана принципиальная возможность тангенциальной ориентации в перигее «хвостов» двух типов: (I) с лидированием мелких пылевых частиц реголита (<1 мкм), дальше всего унесенных солнечным ветром от начальной точки формирования «хвоста», и (II) с лидированием крупных пылевых частиц (>100 мкм), недалеко отстоящих от начала формирования «хвоста»; первый тип дает «мягкий режим» взаимодействия КО с «хвостом», а второй - «жесткий режим» (может использоваться для ликвидации космического мусора, разрушения нежелательных объектов и т.п.). In [2], it was proposed to form on a hyperbolic trajectory of motion from the region of the Moon’s orbit, through the pressure of solar radiation, an extended dust “tail” (by analogy with a comet), interacting with the CO at perigee, and the fundamental possibility of tangential orientation at perigee of the “tails” was shown. two types: (I) with the leading of small dust particles of the regolith (<1 μm), carried farthest by the solar wind from the initial point of formation of the “tail”, and (II) with the leading of large dust particles (>100 μm), not far from the beginning formation of a “tail”; the first type provides a “soft mode” of interaction between the spacecraft and the “tail”, and the second type provides a “hard mode” (can be used to eliminate space debris, destroy unwanted objects, etc.).

Достоинством решения [2] является то, что не взаимодействовавшая с КО часть пылевого потока покидает сферу гравитационного влияния Земли, а потому не служит источником космического мусора. Оставшиеся после взаимодействия частицы либо сгорают в атмосфере, либо постепенно «выметаются» солнечным излучением. The advantage of the solution [2] is that the part of the dust flow that did not interact with the spacecraft leaves the sphere of gravitational influence of the Earth, and therefore does not serve as a source of space debris. The particles remaining after the interaction either burn up in the atmosphere or are gradually “swept out” by solar radiation.

Принцип изменения скорости КО, в том числе - при его выведении на орбиту, основанный на утилизации энергии лунного вещества, получил развитие в [3] А.О. Майборода. Система Satpush: использование внеземных запасов потенциальной и кинетической энергий для космических запусков. Воздушно-космическая сфера / Aerospace Sphere Journal, №2(95), 2018.The principle of changing the speed of the spacecraft, including when it is launched into orbit, based on the utilization of the energy of lunar matter, was developed in [3] by A.O. Mayboroda. Satpush system: use of extraterrestrial potential and kinetic energy reserves for space launches. Aerospace sphere / Aerospace Sphere Journal, No. 2(95), 2018.

Согласно [3], на переходную траекторию, связывающую низкие окололунную и околоземную орбиты, выводится множество КА с капельными генераторами/сборниками (КГС) и запасами лунной воды и реголита, из которых приготовляется суспензия. При подлете к Земле КА выстраиваются в кортеж, сквозь который пролетает КО (выводимый на орбиту летательный аппарат), последовательно пересекая формируемые КГС струи суспензии («гидропушеры») и получая от взаимодействия со струями, посредством теплозащитного экрана, приращения скорости на траектории выведения. According to [3], many spacecraft with drop generators/collectors (DGC) and reserves of lunar water and regolith, from which a suspension is prepared, are launched onto a transition trajectory connecting low lunar and near-Earth orbits. When approaching the Earth, the spacecraft are lined up in a motorcade through which the KO (an aircraft launched into orbit) flies, sequentially crossing the suspension jets (“hydropushers”) formed by the CGS and receiving from the interaction with the jets, through the heat shield, an increase in speed along the launch trajectory.

Ранее тем же автором были предложены «активные» разновидности схемы [3], где вместо экрана применялся прямоточный реактивный двигатель (ПРД), а струи формировались в виде линейных элементов: лент, нитей, волокон и т. п. структур, на основе гелей и твердых материалов или комбинацией твердых веществ с жидкими или газообразными, образующими один или более гибких шнуров (длиной от 100 м до 300 км), в том числе топливонесущих. Эти шнуры (по одному или пучком) должны проходить сквозь канал ПРД и, увеличивая свою энтальпию (за счет кинетического нагрева или сгорания), выбрасываться из сопла ПРД с большей скоростью, создавая тягу. Данные шнуры могут изготавливаться, в частности, на Луне из местного сырья - см. [4] RU 2385275 С1; 27.03.2010.Previously, the same author proposed “active” versions of the scheme [3], where instead of a screen a ramjet engine (PRE) was used, and the jets were formed in the form of linear elements: tapes, threads, fibers, etc. structures based on gels and solid materials or a combination of solids with liquid or gaseous substances, forming one or more flexible cords (length from 100 m to 300 km), including fuel-carrying ones. These cords (one at a time or in a bundle) must pass through the PRD channel and, increasing their enthalpy (due to kinetic heating or combustion), are ejected from the PRD nozzle with greater speed, creating thrust. These cords can be made, in particular, on the Moon from local raw materials - see [4] RU 2385275 C1; 03/27/2010.

Общим недостатком известных решений [1] - [4] является недостаточный учет или недостаточное использование тех физических условий и феноменов, которые влияют на движение пылевых частиц в открытом космосе и, следовательно, на формирование их потоков, взаимодействующих с КО. A common disadvantage of the known solutions [1] - [4] is the insufficient consideration or insufficient use of those physical conditions and phenomena that affect the movement of dust particles in outer space and, consequently, the formation of their flows interacting with CO.

Основными факторами космической среды в системе Земля-Луна являются: The main factors of the space environment in the Earth-Moon system are:

-гравитация, - gravity,

- электромагнитное излучение Солнца (с солнечной постоянной ≈ 1400 Вт/м2),- electromagnetic radiation from the Sun (with solar constant ≈ 1400 W/ m2 ),

- солнечный ветер (в основном протонно-электронная плазма с температурой ≈105K, концентрацией в среднем 7*106 м-3 и плотностью потока частиц ≈1012м-2с-1), - solar wind (mainly proton-electron plasma with a temperature of ≈10 5 K, an average concentration of 7 * 10 6 m -3 and a particle flux density of ≈10 12 m -2 s -1 ),

- околоземная плазма (ионосферная и магнитосферная). - near-Earth plasma (ionospheric and magnetospheric).

Истинную картину формирования и эволюции пылевого потока можно получить лишь при рассмотрении совместного действия этих факторов, существенно различных в разных областях системы Земля-Луна (учитывая, наряду с прочим, наличие теневых участков орбит) и переменных по времени (вследствие колебаний уровня солнечной активности, суточных вариаций электронной концентрации в ионосфере и др.).A true picture of the formation and evolution of the dust flow can be obtained only by considering the combined action of these factors, which are significantly different in different regions of the Earth-Moon system (taking into account, among other things, the presence of shadow sections of orbits) and time variables (due to fluctuations in the level of solar activity, daily variations in electron concentration in the ionosphere, etc.).

Можно отметить и частные недостатки известных решений, такие как низкая энергетическая эффективность использования реголита в качестве реактивного рабочего тела в [1] (где частицы реголита выбрасываются из КО с помощью вращающейся крыльчатки); сложность технической реализации взаимодействия КО с потоками вещества в [3] и [4]. One can also note particular disadvantages of the known solutions, such as the low energy efficiency of using regolith as a reactive working fluid in [1] (where regolith particles are ejected from the CO using a rotating impeller); the complexity of the technical implementation of the interaction of CO with matter flows in [3] and [4].

В [3] эта сложность существенно обусловлена тем, что взаимодействие КО со струйным потоком сравнительно малопродуктивно, т.к. КО движется поперек потока, а не вдоль него - что требует большого числа КА с «гидропушерами» (согласно примеру [3], около 80).In [3], this complexity is essentially due to the fact that the interaction of the CO with the jet flow is relatively unproductive, because The spacecraft moves across the flow, and not along it - which requires a large number of spacecraft with “hydropushers” (according to example [3], about 80).

В [4] сложной проблемой является точное попадание протяженного шнура (пучка шнуров) в заборное устройство ПРД, если при этом еще учесть, что ориентация шнура вдоль орбиты гравитационно неустойчива (шнур будет стремиться перейти в вертикальную или волнообразную конфигурацию); при длине шнура ~1000 м и более может потребоваться весьма нетривиальная система его стабилизации. In [4], a difficult problem is the precise entry of an extended cord (bundle of cords) into the intake device of the PRD, if we also take into account that the orientation of the cord along the orbit is gravitationally unstable (the cord will tend to go into a vertical or wave-like configuration); with a cord length of ~1000 m or more, a very non-trivial system for its stabilization may be required.

Недостатком технического решения [2], которое принимается в качестве ближайшего аналога, является отсутствие методов и средств, уменьшающих нежелательное рассеяние формируемого пылевого потока под действием указанных факторов космической среды. The disadvantage of the technical solution [2], which is accepted as the closest analogue, is the lack of methods and means that reduce the unwanted dispersion of the generated dust flow under the influence of these factors in the space environment.

Ансамбль пылевых частиц, формирующих поток, далее будет называться шлейфом. The ensemble of dust particles forming the flow will be called a plume.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного выше недостатка прототипа [2] путем разработки способа упорядоченного формирования шлейфа мелкодисперсного вещества, уменьшающего его нежелательное рассеяние.The objective of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantage of the prototype [2] by developing a method for the orderly formation of a plume of finely dispersed substances, reducing its unwanted scattering.

Техническим результатом является уменьшение нежелательного рассеяния шлейфа мелкодисперсного вещества, с возможностью управления его размерами и структурой (распределением частиц по их размерам вдоль шлейфа).The technical result is the reduction of unwanted dispersion of a plume of finely dispersed substances, with the ability to control its size and structure (distribution of particles according to their sizes along the plume).

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается в предложенном способе формирования пылевого потока, который включает выведение мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту в плоскости эклиптики, соприкасающуюся в перигее с начальной околоземной орбитой КО, инициируют процесс формирования протяженного шлейфа указанного вещества совместным действием на пылевые частицы светового давления и гравитации, обеспечивая тангенциальную ориентацию шлейфа при прохождении им перигея, где шлейф взаимодействует с КО, причем отличием способа является то, что для формирования единичного шлейфа подбирают пылевые частицы одинакового в среднем эффективного диаметра (d) и при этом:The solution to the problem, obtaining the specified technical result, is achieved in the proposed method of forming a dust flow, which includes the removal of finely dispersed matter, for example, lunar regolith from the region of the Moon's orbit into a transition parabolic or weakly hyperbolic geocentric orbit in the ecliptic plane, in contact at perigee with the initial near-Earth orbit of the SO, initiate the process of forming an extended plume of the specified substance by the combined effect of light pressure and gravity on dust particles, ensuring the tangential orientation of the plume as it passes perigee, where the plume interacts with the SO, and the difference of the method is that to form a single plume, dust particles of the same type are selected on average effective diameter (d) and at the same time:

- задают систему координат ОХY с центром О, движущимся по указанной переходной орбите, и с неизменно направленными в инерциальном пространстве осями, причем ось ОХ параллельна тангенциальному направлению в перигее, а ось ОY параллельна радиусу-вектору перигея;- specify a coordinate system OXY with center O moving along the specified transfer orbit, and with axes invariably directed in inertial space, with the OX axis parallel to the tangential direction at perigee, and the OY axis parallel to the perigee radius vector;

- выбирают положение указанной переходной орбиты центра О относительно Солнца так, чтобы солнечный световой поток составлял с указанными осями координат заданные углы, близкие к 45°; - select the position of the specified transition orbit of the center O relative to the Sun so that the solar luminous flux makes specified angles with the specified coordinate axes, close to 45°;

- перемещают инициирующее устройство по траектории, проходящей в системе координат ОХY из заданной начальной точки (Xо, Yо) в заданную конечную точку (Xк, Yк), причем Yo>Yк>0, Хко; Xо<0 при ϑо>90° и Xо >0 при ϑо<90°, где ϑо - истинная аномалия центра О на переходной орбите в момент начала перемещения;- move the initiating device along a trajectory passing in the OXY coordinate system from a given starting point (XO, YO) to a given end point (XTo, YTo), and Yo>YTo>0, XTo>XO; XO<0 at ϑO>90° and XO >0 at ϑO<90°, where ϑO - true anomaly of the center O in the transfer orbit at the moment the movement begins;

- непрерывно или порциями высвобождают пылевое вещество из инициирующего устройства в точках указанной траектории при нулевой скорости пылевых частиц относительно системы координат ОХY, обеспечивая оптическую прозрачность ансамбля частиц, причем координаты (Х, Y) точек высвобождения отвечают начальным условиям движения, приводящего частицы на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея;- continuously or in portions release the dust substance from the initiating device at the points of the specified trajectory at zero speed of dust particles relative to the OXY coordinate system, ensuring the optical transparency of the ensemble of particles, and the coordinates (X, Y) of the release points correspond to the initial conditions of movement, bringing the particles to the OX axis for time from the moment of release until the center O reaches perigee;

- для формирования составного шлейфа используют несколько инициирующих устройств, для которых задают, как указано выше, системы координат О i Х i Y i (i = 1, 2,…n), центры которых О i распределены вдоль переходной орбиты, а пылевое вещество из инициирующего устройства высвобождают в точках траекторий, зависящих от выбираемого эффективного диаметра частиц (d i ) в i-ых системах координат. - to form a composite loop, several initiating devices are used, for which coordinate systems O i X i Y i are specified, as indicated above (i = 1, 2,…n), whose centers are O i distributed along the transfer orbit, and the dust substance is released from the initiating device at trajectory points depending on the selected effective particle diameter (d i ) in the i-th coordinate systems.

Пылевое вещество может доставляться из мест накопления и обработки либо на поверхности Луны, либо на окололунной орбите или в других точках орбиты Луны вокруг Земли, например, с помощью ЭМУ.Dust matter can be delivered from accumulation and processing sites either on the surface of the Moon, or in lunar orbit or at other points in the Moon's orbit around the Earth, for example, using EMU.

Движение инициирующего устройства (ИУ) по переходной орбите и пыли вблизи этой орбиты рассматриваются в рамках ограниченной задачи двух тел (без учета полей тяготения Луны и Солнца).The motion of the initiating device (ID) along the transfer orbit and dust near this orbit are considered within the framework of a limited two-body problem (without taking into account the gravitational fields of the Moon and the Sun).

При этом в предлагаемом способе центры О i могут быть распределены вдоль переходной орбиты так, чтобы моменты их последовательного прихода в точку этой орбиты с указанной выше истинной аномалией ϑо отстояли друг от друга на время не менее τ = L/νπ, где L и νπ - длина и скорость предыдущего (i-1)-го единичного шлейфа в перигее, при этом траекторию высвобождения пылевого вещества в k-ой системе координат получают растяжением или сжатием траектории высвобождения в i-ой системе координат с коэффициентом (d i /d k ) вдоль каждой из осей О i Х i , О i Y i , где i, k =1, 2,…n.Moreover, in the proposed method, centers O i can be distributed along the transfer orbit so that the moments of their sequential arrival at the point of this orbit with the above true anomaly ϑо are separated from each other by a time of at least τ = L/ν π , where L and ν π are the length and speed of the previous (i -1)-th single plume at perigee, while the trajectory of release of dust matter in the k-th coordinate system is obtained by stretching or compressing the release trajectory in the i-th coordinate system with a coefficient (d i / d k ) along each of the O i X axes i , О i Y i , where i, k =1, 2,…n.

Желательно, чтобы пылевой поток формировался в области космической плазмы, где радиус (длина) Дебая окружающей плазмы существенно меньше поперечных размеров шлейфа, чтобы уменьшить электростатическое рассеяние пылевых частиц при их фотоэмиссионной и иной электризации. It is desirable that the dust flow be formed in the region of cosmic plasma, where the Debye radius (length) of the surrounding plasma is significantly smaller than the transverse dimensions of the plume, in order to reduce the electrostatic scattering of dust particles during their photoemission and other electrification.

Перечень фигур List of figures

Существо предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим детальным описанием примеров его осуществления с прилагаемыми чертежами, на которых проиллюстрированы:The essence of the proposed invention is illustrated by the following detailed description of examples of its implementation with the accompanying drawings, which illustrate:

Фиг. 1 - принципиальная схема формирования шлейфа, согласно изобретению.Fig. 1 is a schematic diagram of the formation of a loop, according to the invention.

Фиг. 2-4 - подход к оценке характера движения частиц шлейфа. Fig. 2-4 - approach to assessing the nature of the movement of plume particles.

Фиг. 5, 6 - траектории начальных условий формирования шлейфа.Fig. 5, 6 - trajectories of the initial conditions for the formation of the plume.

Фиг. 7 - оценка параметров шлейфа в перигее.Fig. 7 - estimation of plume parameters at perigee.

Фиг. 8, 9 - примеры конструкции ИУ для выброса пылевого вещества.Fig. 8, 9 - examples of the design of the control unit for the emission of dust.

Фиг. 10 - скорости расширения шлейфа при выбросе пылевого веществаFig. 10 - rate of expansion of the plume during the emission of dusty substances

Фиг. 11 - схемы взаимодействия шлейфа с КО в перигее переходной орбиты. Fig. 11 - diagrams of the interaction of the plume with the spacecraft at the perigee of the transfer orbit.

Раскрытие и примеры осуществления изобретенияDisclosure and examples of implementation of the invention

Предположим, что взаимодействующий со шлейфом КО (не показан) находится на некоторой начальной орбите вокруг Земли 1, которая соприкасается с переходной орбитой 2 в перигее. Взаимодействие происходит в области, обозначенной поз.I, где могут быть сформированы шлейфы различной структуры: а) - однородный (единичный) шлейф из частиц одного эффективного диаметра d (далее - просто диаметра); б) - составной из отдельных, с интервалами, единичных шлейфов с одним или разными диаметрами частиц; в) - сплошной переменной структуры (например, I типа).Let us assume that the SO interacting with the plume (not shown) is in some initial orbit around Earth 1, which is in contact with transfer orbit 2 at perigee. The interaction occurs in the area indicated by position I, where plumes of various structures can be formed: a) - a homogeneous (single) plume of particles of the same effective diameter d (hereinafter referred to as simply diameter); b) - a composite of individual, at intervals, single plumes with the same or different particle diameters; c) - continuous variable structure (for example, type I).

Как показано на фиг.1, в окрестности переходной орбиты 2 формируется исходный шлейф 3, подверженный действию притяжения Земли 1 и давлению солнечного излучения 4. Шлейф начинает формироваться высвобождением из ИУ 5 пыли (с одинаковым в среднем диаметром di частиц) в некоторой начальной точке с координатами (Xi=с, Yi= b) в одной из i-x систем координат (например, в той же самой OXY, которая показана в других точках переходной орбиты). As shown in Fig. 1, in the vicinity of the transfer orbit 2, an initial plume 3 is formed, subject to the gravity of the Earth 1 and the pressure of solar radiation 4. The plume begins to form by releasing dust from the PS 5 (with the same average particle diameter d i ) at a certain initial point with coordinates (X i =с, Y i = b) in one of ix coordinate systems (for example, in the same OXY, which is shown at other points of the transfer orbit).

Координаты (с, b) точки высвобождения каждой элементарной («мгновенной») порции частиц отвечают начальным условиям движения этих частиц, приводящего их на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея (области поз.I на фиг.1). Поскольку центр О движется по орбите 2 к перигею, указанное время (как и истинная аномалия ϑ) уменьшаются, поэтому указанные координаты точек высвобождения зависят от времени и задают траекторию высвобождения (кривую начальных условий): х*= c(t), y* = b(t). По этой траектории движется ИУ 5, высвобождая частицы непрерывно или конечными порциями. The coordinates (c, b) of the point of release of each elementary (“instantaneous”) portion of particles correspond to the initial conditions of movement of these particles, bringing them to the OX axis during the time from the moment of release until the center O reaches perigee (region position I in Fig. 1). Since the center O moves along orbit 2 towards perigee, the indicated time (as well as the true anomaly ϑ) decreases, therefore the indicated coordinates of the release points depend on time and set the release trajectory (initial conditions curve): x*= c(t), y* = b(t). IU 5 moves along this trajectory, releasing particles continuously or in finite portions.

Высвобождаемые ансамбли частиц должны быть оптически прозрачными, чтобы частицы не затеняли друг друга от потока света 4. Следует здесь обратить внимание на обеспечение одинакового в среднем эффективного диаметра частиц в единичном шлейфе. Этот диаметр выбирается таким, чтобы частицы с массой m = ρπd 3/6 и миделем σ = πd 2/4 испытывали одно и то же ускорение Sη от силы fη давления солнечного света, которое можно оценить как:The released ensembles of particles must be optically transparent so that the particles do not obscure each other from the light stream 4. Here attention should be paid to ensuring that the effective diameter of the particles in a single plume is the same on average. This diameter is chosen so that particles with mass m = ρπd 3 /6 and midsection σ = πd 2 /4 experience the same acceleration S η from the force f η of sunlight pressure, which can be estimated as:

где k =1…2 - коэффициент отражения (рассеяния) света (с учетом спектральной зависимости k); qs ≈ 1400 Вт/м2 - солнечная постоянная; c - скорость света; ρ - плотность реголита (для примера принята равной 3100 кг/м3). Указанные в (1) параметры идеализированы (не отражают несовершенство формы, неоднородность состава частицы и др.). Наилучший отбор требуемых частиц был бы в случае заблаговременного процесса их сепарации под действием того же давления солнечного света (например, в окололунном пространстве) и сбора частиц, достигших через определенное время одного и того же удаления (в рамках узкого допуска) от места их высвобождения устройством, аналогичным ИУ. Такие частицы и следовало бы считать обладающими одинаковым «эффективным диаметром».where k =1…2 is the coefficient of reflection (scattering) of light (taking into account the spectral dependence of k); q s ≈ 1400 W/m 2 - solar constant; c is the speed of light; ρ is the density of regolith (for example, taken equal to 3100 kg/m 3 ). The parameters indicated in (1) are idealized (they do not reflect the imperfection of the shape, heterogeneity of the particle composition, etc.). The best selection of the required particles would be in the case of an advance process of their separation under the influence of the same pressure of sunlight (for example, in cislunar space) and collection of particles that, after a certain time, have reached the same distance (within a narrow tolerance) from the point of their release by the device , similar to the IS. Such particles should be considered to have the same “effective diameter”.

Каждая частица после высвобождения получает ускорение (1) от светового давления и гравитационное ускорение, которое относительно выбранной системы координат OXY, ввиду относительно короткого шлейфа (~100 …1000 м) и небольшого удаления от центра О (того же порядка) можно рассматривать в линейном приближении. В этом приближении на частицу шлейфа 3 с координатами (х, у) действует вдоль радиуса-вектора ускорение градиентного типа g’ = [2g(R) + ω2R] Δ/R, где g(R) - ускорение от силы притяжения планеты на расстоянии R от ее центра; ω = νn/R - местная угловая орбитальная скорость (νn -трансверсальная компонента орбитальной скорости); Δ = x sin ϑ - y cos ϑ -смещение частицы вдоль радиуса-вектора R центра О на переходной орбите 2 (см. фиг.1).Each particle, after release, receives acceleration (1) from light pressure and gravitational acceleration, which relative to the selected coordinate system OXY, due to the relatively short trail (~100 ... 1000 m) and the small distance from the center O (of the same order), can be considered in a linear approximation . In this approximation, a particle of plume 3 with coordinates (x, y) is affected along the radius vector by a gradient-type acceleration g' = [2g(R) + ω 2 R] Δ/R, where g(R) is the acceleration due to the gravitational force of the planet at a distance R from its center; ω = ν n /R - local angular orbital velocity (ν n - transversal component of orbital velocity); Δ = x sin ϑ - y cos ϑ - displacement of the particle along the radius vector R of the center O in transfer orbit 2 (see Fig. 1).

Вдоль ортогонального направления действует ускорение w’ = [g(R) - ω2R] ν/R, где ортогональное смещение частицы ν = - x cos ϑ - y sin ϑ. В фокальной точке орбиты (ϑ = 90°) w’= 0, ввиду чего не слишком далеко от данной точки пренебрежем ускорением w’, чтобы получить качественную картину движения.Along the orthogonal direction there is an acceleration w' = [g(R) - ω 2 R] ν/R, where the orthogonal displacement of the particle is ν = - x cos ϑ - y sin ϑ. At the focal point of the orbit (ϑ = 90°) w'= 0, therefore, not too far from this point, we will neglect the acceleration w' in order to obtain a qualitative picture of the motion.

Из этих соображений в проекциях на оси ОХ и ОY нетрудно получить следующие приближенные уравнения движения частицы: From these considerations in projections on the OX and OY axes, it is easy to obtain the following approximate equations of particle motion:

где Sx, Sy - проекции ускорения (1) на указанные оси: Sx= Sη cosγ, Sy= Sη sinγ (γ - угол между направлением солнечных лучей 4 и осью ОХ).where S x , S y are projections of acceleration (1) onto the indicated axes: S x = S η cosγ, S y = S η sinγ (γ is the angle between the direction of the sun's rays 4 and the OX axis).

Данную (вырожденную) систему (2) можно расщепить на следующие подсистемы: This (degenerate) system (2) can be split into the following subsystems:

Простое решение: A simple solution:

достаточно хорошо удовлетворяет (2’), если использовать безразмерное время, согласно известной его связи с истинной аномалией:satisfies (2’) quite well if we use dimensionless time, according to its known connection with the true anomaly:

(см., например, [5] Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. Под ред. Г. Н. Дубошина. М. «Наука».1976, с.336). (see, for example, [5] Reference Guide to Celestial Mechanics and Astrodynamics. Edited by G. N. Duboshin. M. "Nauka". 1976, p. 336).

Начальные значения в (3) удовлетворяют условиям: The initial values in (3) satisfy the conditions:

- при τ = 0; . (5) - at τ = 0; . (5)

Последнее условие означает, что частица в конечный момент τk (т.е. в перигее) попадает на ось ОХ. Безразмерные величины обозначим как:The last condition means that the particle at the final moment τ k (i.e. at perigee) falls on the OX axis. We denote dimensionless quantities as:

b и c. (6) b and c. (6)

Выбор ориентации переходной орбиты относительно солнечных лучей, т. е. угла γ = arctg (Sу/Sx), можно оценить, исходя из наилучшей аппроксимации последнего соотношения (2’) решением (3). Соответствующие вычисления показывают, что γ ≈ 45° (Sx ≈ Sу).Choosing the orientation of the transfer orbit relative to the sun's rays, i.e., angle γ = arctan(Sat/Sx), can be estimated based on the best approximation of the last relation (2’) by solution (3). Corresponding calculations show that γ ≈ 45° (Sx≈ Sat).

На фиг. 2-4 показаны аппроксимации функции ctg ϑ функцией, полученной на основе решений (3): In fig. 2-4 show approximations of the function ctg ϑ by a function obtained based on solutions (3):

для различных значений начальной истинной аномалии ϑ0. По оси ординат отложено время Т движения частицы от точки ϑ0 (τ = 0) до перигея ϑ = 0 (T→ τk). На тех же кривых показана зависимость (4) для случая параболы (е = 1), когда интеграл (4) берется явно; используемые в предлагаемом способе гиперболы мало отличаются от параболы, т. к. оптимальные значения их эксцентриситетов е ~1,01. Отсюда видно, что решение (3) дает качественно правильную картину движения частиц шлейфа.for different values of the initial true anomaly ϑ 0 . The ordinate axis shows the time T of the particle moving from the point ϑ 0 (τ = 0) to the perigee ϑ = 0 (T→ τ k ). The same curves show dependence (4) for the case of a parabola (e = 1), when integral (4) is taken explicitly; The hyperbolas used in the proposed method differ little from the parabola, since the optimal values of their eccentricities are e ~ 1.01. It is clear from this that solution (3) gives a qualitatively correct picture of the motion of particles in the plume.

Действительное движение частиц шлейфа и соответствующие начальные условия должны уточняться на основе проводимых расчетов по более полным и точным моделям. Эти расчеты могут проводиться на борту КО и/или носителя ИУ, при обмене навигационной и иной информацией между ними. Построение системы координат OXY можно осуществить по звездным ориентирам при использовании также гироскопических средств.The actual motion of the plume particles and the corresponding initial conditions should be clarified on the basis of calculations using more complete and accurate models. These calculations can be carried out on board the spacecraft and/or the control unit carrier, during the exchange of navigation and other information between them. The construction of the OXY coordinate system can be carried out using stellar landmarks when also using gyroscopic means.

На фиг. 5 показана безразмерная кривая начальных условий в некоторой системе OXY, находящейся в точках переходной орбиты 2 в разные моменты τ (при разных значениях ϑ0). Каждая точка этой кривой суть {Х=с(τ), Y=b(τ)} или {Х=с(ϑ0), Y=b(ϑ0)}, где все величины безразмерные, согласно (4) и (6). In fig. Figure 5 shows a dimensionless curve of initial conditions in a certain system OXY located at points of transfer orbit 2 at different moments τ (at different values of ϑ 0 ). Each point of this curve is {X=c(τ), Y=b(τ)} or {X=c(ϑ 0 ), Y=b(ϑ 0 )}, where all quantities are dimensionless, according to (4) and ( 6).

Поскольку размерные координаты (6) пропорциональны Sη ~ d -1, то размерные кривые начальных условий (траектории выброса частиц) для частиц разных диаметров (d i , d k ) будут отличаться друг от друга масштабным фактором - сжатием или растяжением с коэффициентом (d i /d k ) вдоль осей координат. Такие траектории выброса показаны на фиг. 6 для частиц с размерами 20, 7 и 2 мкм, при использовании переходной орбиты с фокальным параметром р = 14000 км (высота перигея ≈ 616 км). Для этой орбиты параметр ω* = (μ/p3)1/2 ≈ 0,00038 c-1.Since the dimensional coordinates (6) are proportional to S η ~ d -1 , the dimensional curves of the initial conditions (particle emission trajectories) for particles of different diameters (d i , d k ) will differ from each other by the scale factor - compression or stretching with the coefficient (d i /d k ) along the coordinate axes. Such release trajectories are shown in Fig. 6 for particles with sizes of 20, 7 and 2 μm, using a transfer orbit with a focal parameter p = 14000 km (perigee altitude ≈ 616 km). For this orbit, the parameter ω* = (μ/p 3 ) 1/2 ≈ 0.00038 s -1 .

Как видно из фиг. 6, траектории выброса для частиц с d ≥ 20 мкм пролегают от центра О на расстояниях ~ 10 м, с d ≥ 7 мкм на расстояниях ~ 100 м, с d ≤ 2 мкм на расстояниях ~ 1000 м и более. Характерные времена отработки траекторий выброса лежат в диапазоне ΔТ = 0,2 - 0,8 (фиг.2-4), т. е. в диапазоне Δt = ΔТ/ ω*= 530 - 2100 c. Отсюда можно оценить порядок скоростей (u) перемещения ИУ в системе OXY: при выбросе наиболее крупных частиц u ~ 1- 4 см/с; средних частиц u ~ 10 - 40 см/с; мелких (~ 1 мкм) частиц u ~ 1 - 4 м/с.As can be seen from Fig. 6, the emission trajectories for particles with d ≥ 20 μm run from the center O at distances of ~ 10 m, with d ≥ 7 μm at distances of ~ 100 m, with d ≤ 2 μm at distances of ~ 1000 m or more. The characteristic processing times for ejection trajectories lie in the range ΔТ = 0.2 - 0.8 (Fig. 2-4), i.e. in the range Δt = ΔТ/ ω*= 530 - 2100 s. From here we can estimate the order of the speeds (u) of movement of the IU in the OXY system: when the largest particles are ejected, u ~ 1-4 cm/s; average particles u ~ 10 - 40 cm/s; small (~ 1 µm) particles u ~ 1 - 4 m/s.

Технически проще выбрасывать относительно крупные частицы порциями, а относительно мелкие - непрерывно, с использованием некоторого рода ускорителей.It is technically easier to eject relatively large particles in batches, and relatively small ones continuously, using some kind of accelerator.

На фиг.7 даны параметрические зависимости с (τ) и b (τ), а также Xk (τ) = Xk [с (τ)] - координаты соответствующих частиц на оси ОХ в момент достижения ими перигея (один и тот же для всех частиц, выпущенных в данной системе OXY на траектории выброса). Отмечена точка τ ≈ 0,667 - время движения до перигея из точки орбиты с ϑ0 = 90°. Разность значений ΔXk = Xk1) - Xk2) характеризует длину шлейфа (L) в перигее, сформированного за время (τ1- τ2) движения ИУ по траектории выброса.Figure 7 shows the parametric dependences c (τ) and b (τ), as well as X k (τ) = X k [c (τ)] - the coordinates of the corresponding particles on the OX axis at the moment they reach perigee (the same for all particles released in a given OXY system along the emission trajectory). The point τ ≈ 0.667 is marked - the time of movement to perigee from the orbital point with ϑ 0 = 90°. The difference in values ΔX k = X k1 ) - X k2 ) characterizes the length of the plume (L) at perigee, formed during the time (τ 1 - τ 2 ) of the movement of the control unit along the emission trajectory.

Как видно из фиг.7, длина L=ΔXk единичного шлейфа в перигее в несколько раз меньше его исходной длины при формировании вдоль траектории выброса. Это значит, что шлейф уплотняется по сравнению с первоначальным разреженным (оптически прозрачным) состоянием. As can be seen from Fig. 7, the length L=ΔX k of a single plume at perigee is several times less than its original length when formed along the ejection trajectory. This means that the plume becomes denser compared to the initial rarefied (optically transparent) state.

Данное уплотнение частично компенсирует рассеяние шлейфа в плоскости переходной орбиты (в том числе, из-за уменьшения его прозрачности вблизи перигея). Отклонения частиц по нормали к плоскости орбиты также значительно уменьшаются в перигее, т.к. аргумент перигея (ω) и долгота восходящего узла (Δω) при этих отклонениях не меняются. Величины нормальных скоростей νn должны быть ограничены величиной | νn | ~ 1 см/с (как это видно, например, из уравнений Ньютона [5], c.335). This compaction partially compensates for the scattering of the plume in the plane of the transfer orbit (including due to a decrease in its transparency near perigee). Deviations of particles normal to the orbital plane also decrease significantly at perigee, because the perigee argument (ω) and the longitude of the ascending node (Δω) do not change with these deviations. The values of normal speeds ν n must be limited by the value | νn | ~ 1 cm/s (as can be seen, for example, from Newton’s equations [5], p. 335).

Повторяя описанный процесс формирования единичного шлейфа множеством ИУ, следующих друг за другом по орбите 2, можно увеличить длину шлейфа в перигее и получить требуемую его структуру, как показано на фиг.1, поз.1. Для получения сплошного составного шлейфа моменты последовательного прихода центров О i в точку с истинной аномалией ϑо должны следовать друг за другом весьма быстро, очевидно - с задержкой не более Δτ = L/νπ, где L и νπ - длина и скорость предыдущего (i - 1)-го единичного шлейфа в перигее. Поскольку L ≈ 100 - 1000 м, а νπ ≈ 11 км/с, то Δτ ≈ 0,01 - 0,1 с. Вдоль орбиты 2 центры Оi-1 и Оi должны отстоять друг от друга на расстояние порядка 75 - 750 м, т. е. недалеко. При бóльших задержках шлейфы будут с промежутками (тип б) на фиг.1, поз.I).By repeating the described process of forming a single plume by a plurality of IUs following each other along orbit 2, it is possible to increase the length of the plume at perigee and obtain its desired structure, as shown in Fig. 1, item 1. To obtain a continuous composite train, the moments of sequential arrival of centers O i to the point with a true anomaly ϑ o should follow each other very quickly, obviously with a delay of no more than Δτ = L/ν π , where L and ν π are the length and speed of the previous (i - 1)-th single plume at perigee. Since L ≈ 100 - 1000 m, and ν π ≈ 11 km/s, then Δτ ≈ 0.01 - 0.1 s. Along orbit 2, the centers O i-1 and O i should be separated from each other by a distance of the order of 75 - 750 m, i.e. not far. For longer delays, the loops will be at intervals (type b) in Fig. 1, pos. I).

Для формирования нескольких единичных шлейфов (i = 1, 2,…) может применяться множество ИУ 5i, выводимых из области орбиты Луны носителем 6, запускаемым, преимущественно с помощью ЭМУ (для чего предусмотрены, например, обмотки 7). Носитель имеет на борту необходимые системы ориентации, коррекции (8), навигации, блоки моделирования (включая блоки задания систем координат О i Х i Y i ) и расчета движения ИУ по траекториям выброса. ИУ имеют минимальное аппаратурное обеспечение: в основном приемники команд от носителя и исполнительные органы для перемещения вдоль траекторий выброса: блоки 9 микрореактивных двигателей на выдвижной штанге (которая может быть связана с корпусом 10 ИУ шарнирно) и средства высвобождения частиц, интегрированные с корпусом 10. Соответствующие команды с носителя 6 передаются, например, посредством антенн типа фазированных решеток (в том числе, раскладных) 11 к ИУ, контроль и телеметрия передаются в обратном направлении с помощью антенн 11, установленных на ИУ (фиг. 8). To form several single loops (i = 1, 2,...), a plurality of IU 5 i can be used, removed from the lunar orbital region by a carrier 6, launched mainly using an EMU (for which, for example, windings 7 are provided). The carrier has on board the necessary systems for orientation, correction (8), navigation, modeling blocks (including blocks for specifying coordinate systems O i X i Y i ) and calculating the movement of the control unit along ejection trajectories. The control units have minimal hardware: mainly receivers of commands from the carrier and actuators for moving along ejection trajectories: blocks 9 of microjet engines on a retractable rod (which can be hingedly connected to the housing 10 of the control unit) and means for releasing particles integrated with the housing 10. The corresponding commands from the carrier 6 are transmitted, for example, by means of phased array antennas (including folding ones) 11 to the DUT; control and telemetry are transmitted in the opposite direction using antennas 11 installed on the DUT (Fig. 8).

Для согласования с движением КА к перигею между носителем 6 и/или ИУ 5i также устанавливается информационный обмен - непосредственно или через удаленные пункты. To coordinate with the movement of the spacecraft towards perigee, information exchange is also established between the carrier 6 and/or PS 5 i - directly or through remote points.

ИУ отделяются от носителя в точках орбиты 2 с требуемым их распределением, согласно описанной выше последовательности выброса частиц единичных шлейфов. Фиксация виртуальных точек О i и осей может производиться на базе астроориентиров (звезд, квазаров и т.д.), наблюдаемых с борта носителя, с применением при необходимости также гироскопических систем. Для облегчения навигации ИУ в точках О i могут быть помещены радио- или лазерные маяки (отражатели), а на борту ИУ установлены какие-либо простые системы контроля движения по маякам. Данные контроля могут передаваться на носитель вместе с прочими данными.The IUs are separated from the carrier at points of orbit 2 with their required distribution, according to the sequence of ejection of particles of single plumes described above. Fixation of virtual points O i and axes can be done on the basis of astronomical landmarks (stars, quasars, etc.) observed from the carrier, using, if necessary, also gyroscopic systems. To facilitate navigation of the PS, radio or laser beacons (reflectors) can be placed at points O i , and some simple beacon traffic control systems can be installed on board the PS. Monitoring data can be transferred to the media along with other data.

На фиг. 9 схематично показаны возможные средства высвобождения частиц из ИУ. Для скоростей выброса ν > 1 м/с наиболее мелких частиц может быть предложена электростатическая система по фиг. 9 а), содержащая контейнер 14 с пылевым веществом, устройство 15 псевдоожижения пыли, переводящее пылевые частицы во «взвешенное» состояние в тонком (< 2-5 см) слое 16 на дне стакана-направляющей ускоряемой пыли 17 с диэлектрическими стенками и управляющей электропроводной сеткой 18. Может быть применена одна или более корректирующих сеток 13. Внутри стакана и между сетками 13 и 18 установлены датчики 19 электрического поля, связанные с блоками 20 приема и обработки показаний датчиков, подключенными к решающему устройству 21, формирующему управляющие команды на исполнительное устройство 22, вырабатывающее напряжения, подаваемые на сетки. Потенциалы сеток 13 и 18 устанавливаются, например, относительно потенциала слоя 16 (дна стакана, «заземленного» в окружающую плазму).In fig. 9 schematically shows possible means of releasing particles from the IU. For emission velocities ν > 1 m/s of the smallest particles, an electrostatic system according to FIG. 9 a), containing a container 14 with a dust substance, a dust fluidization device 15 that transfers dust particles into a “suspended” state in a thin (< 2-5 cm) layer 16 at the bottom of the accelerating dust guide cup 17 with dielectric walls and a control electrically conductive grid 18. One or more corrective grids 13 can be applied. Electric field sensors 19 are installed inside the glass and between grids 13 and 18, connected to blocks 20 for receiving and processing sensor readings, connected to a decision device 21, which generates control commands to the actuator 22, generating voltages supplied to the grids. The potentials of grids 13 and 18 are set, for example, relative to the potential of layer 16 (the bottom of the glass, “grounded” into the surrounding plasma).

Данная система работает при условии начальной электризации частиц пыли в слое 16 - либо только за счет космической среды (околоземной плазмы и солнечного ветра), либо при дополнительном кратковременном облучении пучком заряженных частиц. Длина Дебая в областях, характерных для формирования исходного шлейфа, составляет ~ 1-10 м, так что экранирование вблизи слоя 16 невелико.This system operates under the condition of initial electrification of dust particles in layer 16 - either only due to the space environment (near-Earth plasma and solar wind), or with additional short-term irradiation with a beam of charged particles. The Debye length in areas characteristic of the formation of the initial plume is ~ 1-10 m, so shielding near layer 16 is small.

Для примера будем рассматривать цилиндрические заряженные области: ансамбли с объемной концентрацией выбрасываемых частиц реголита (ρ ≈ 3100 кг/м3):For example, we will consider cylindrical charged regions: ensembles with a volumetric concentration of ejected regolith particles (ρ ≈ 3100 kg/m 3 ):

где М - масса вещества ансамбля, R, h - радиус и высота цилиндра, d - диаметр частиц. Начальная концентрация n0 получается из (8) при R=R0 - радиусу стакана на фиг. 9 а, h=h0 - толщине слоя 16. Условие прозрачности исходного ансамбля сводится к требованию, чтобы длина свободного пробега в нем l = (σn)-1 была порядка R, где σ - миделево сечение частицы с диаметром d, откуда и из (8) имеем:where M is the mass of the ensemble substance, R, h is the radius and height of the cylinder, d is the diameter of the particles. The initial concentration n 0 is obtained from (8) at R=R 0 - the radius of the glass in Fig. 9 a, h=h 0 - layer thickness 16. The transparency condition of the initial ensemble is reduced to the requirement that the mean free path in it l = (σn) -1 be of the order of R, where σ is the midsection of a particle with diameter d, from which and from (8) we have:

(9) (9)

Например, для частиц с d = 10 мкм (10-5 м), при R = h = 5 м масса М ~ 1,6 кг. Состояние прозрачности ансамбля достигается при степени его расширения ξ ≈ h/h0 =100-200 (пренебрегая изменением R). Если исходные тонкие слои 16 ускоряемой пыли 17 формируются с частотой ν, то расход пыли будет ~ (1,6 ν) кг/с, и за время выброса ~1000 с может сформироваться исходный шлейф с массой ~ (1,6 ν) т.For example, for particles with d = 10 μm (10 -5 m), with R = h = 5 m, mass M ~ 1.6 kg. The state of transparency of the ensemble is achieved at the degree of its expansion ξ ≈ h/h 0 =100-200 (neglecting the change in R). If the initial thin layers 16 of accelerated dust 17 are formed with a frequency ν, then the dust flow rate will be ~ (1.6 ν) kg/s, and during the emission time of ~1000 s, an initial plume with a mass of ~ (1.6 ν) t can be formed.

Концентрации частиц в данном примере: n = 2,6*109 м-3 и no= (2,6 - 5,2)*1011 м-3. Particle concentrations in this example: n = 2.6 * 10 9 m -3 and n o = (2.6 - 5.2) * 10 11 m -3 .

Для оценки электростатического поля (EH), создаваемого описанным ансамблем заряженных пылевых частиц и вызывающего расширение ансамбля в продольном направлении, воспользуемся подходом к решению задачи о тонких заряженных дисках (см. [6] А.Н. Паршаков. Принципы и практика решения задач по общей физике. Часть 2. Электромагнетизм. Изд. Пермского ГТУ. 2010, с.54-55), распространив этот подход на цилиндрические заряженные области. To estimate the electrostatic field ( EH ) created by the described ensemble of charged dust particles and causing expansion of the ensemble in the longitudinal direction, we will use the approach to solving the problem of thin charged disks (see [6] A.N. Parshakov. Principles and practice of solving problems on General Physics, Part 2. Electromagnetism, Perm State Technical University, 2010, pp. 54-55), extending this approach to cylindrical charged regions.

Оценку поля (ER), создаваемого описанным ансамблем в поперечном направлении и вызывающего радиальное его расширение, легко получить из теоремы Гаусса [6, с.26], рассматривая поток поля ER через цилиндрическую поверхность. An estimate of the field ( ER ) created by the described ensemble in the transverse direction and causing its radial expansion can be easily obtained from the Gauss theorem [6, p. 26], considering the flow of the field E R through a cylindrical surface.

В результате можно получить следующие формулы для напряженностей электрического поля вблизи торцов (EH) и боковой поверхности (ER) цилиндров:As a result, we can obtain the following formulas for the electric field strengths near the ends ( EH ) and side surface ( ER ) of the cylinders:

Для промежуточных значений h выражения EH и ER более сложные. Здесь εo = 8,9*10-12 Ф/м - электрическая постоянная; q - заряд одной частицы, связанный с ее потенциалом ϕ следующим образом:For intermediate values of h, the expressions E H and E R are more complex. Here ε o = 8.9*10 -12 F/m - electrical constant; q is the charge of one particle related to its potential ϕ as follows:

(11) (eleven)

Значения q и ϕ следует рассматривать как средние. Напряженности EH и ER убывают по мере погружения внутрь цилиндров, так что продольное и радиальное расширение ансамбля частиц носит регулярный характер (чем ближе к поверхности - тем быстрее, и наоборот). The values of q and ϕ should be considered as averages. The tensions E H and E R decrease as they are immersed inside the cylinders, so that the longitudinal and radial expansion of the ensemble of particles is regular (the closer to the surface, the faster, and vice versa).

Электроны околоземной плазмы и солнечного ветра могут заряжать микрочастицы до ϕ = -100 В, фотоэлектронная эмиссия (существенная только для разреженного ансамбля выброшенных частиц) повышает эту величину до ϕ = +2…5 В (см. [7] А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Электризация космических аппаратов. Сер. Космонавтика, астрономия, 3/85. Изд. «Знание». М. 1985, с.10-22). Однако слой 16 на дне стакана, по крайней мере, частично защищен от действия среды и поэтому электризуется медленнее, чем снаружи стакана.Electrons from near-Earth plasma and solar wind can charge microparticles up to ϕ = -100 V, photoelectron emission (significant only for a rarefied ensemble of ejected particles) increases this value to ϕ = +2...5 V (see [7] A.I. Akishin, L. S. Novikov, Electrification of spacecraft, Ser. Cosmonautics, Astronomy, 3/85. Publishing house "Znanie". M. 1985, pp. 10-22). However, layer 16 at the bottom of the glass is at least partially protected from the action of the environment and is therefore electrified more slowly than on the outside of the glass.

Для рассматриваемого примера поле слоя 16 (при h0=0,025 м): EH ≈ 107ϕ, ER ≈ 2*105ϕ (В/м), а соответствующие ускорения частиц: аН = qEH /m ≈ 1,7*103ϕ2, аR = qER /m ≈ 70 ϕ2 (м/с2), откуда видно, что даже при небольших потенциалах зарядки частиц | ϕ | ~ 1 В их ускорения будут носить взрывной характер: за время t ~ 0,2 с происходит 200-кратное удлинение слоя 16 (при изменении R всего на ~ 50 см), причем скорости удлинения (νH) и расширения (νR) ансамбля достигают значений, мало меняющихся со временем (в данном случае νH ≈ 23 м/с и νR ≈ 2 м/с). For the example under consideration, the field of layer 16 (at h0=0.025 m): EH ≈ 107ϕ, ER≈ 2*105ϕ (V/m), and the corresponding particle accelerations: aN = qEH /m ≈ 1.7*103ϕ2, AR= qER /m ≈ 70 ϕ2(m/s2), from which it can be seen that even at low particle charging potentials | ϕ | ~ 1 V their accelerations will be explosive in nature: in a time t ~ 0.2 s a 200-fold elongation of layer 16 occurs (with a change in R of only ~ 50 cm), and the elongation rate (νH) and extensions (νR) of the ensemble reach values that change little over time (in this case νH≈ 23 m/s and νR ≈ 2 m/s).

Поэтому очевидна необходимость либо сильно ограничить естественную зарядку ϕ пылевых частиц (например, облучением зарядами противоположного знака), или уменьшить EH и ER созданием встречных компенсирующих полей EH, ER, уменьшающих поля электризации в отношениях: EH - EH = η1EH, ER - ER = η2ER. Therefore, the need is obvious to either greatly limit the natural charging ϕ of dust particles (for example, by irradiation with charges of the opposite sign), or to reduce E H and E R by creating counter compensating fields E H , E R that reduce the electrification fields in the ratios: E H - E H = η 1 E H , E R - E R = η 2 E R .

Поле EH создается сеткой 18, а поле ER может создаваться центральным электродом - стержнем, поддерживающим сетку 13 (фиг. 9 а). The E H field is created by the grid 18, and the E R field can be created by the central electrode - the rod supporting the grid 13 (Fig. 9 a).

При значительных потенциалах частиц, например, ϕ = 20 В, поля EH и ER почти полностью компенсируют EH и ER: η1 =2*10-5, η2 = 10-6; далее показатели ηi растут пропорционально снижению ϕ, и только при очень малых потенциалах ϕ < 10 μВ (при EH ~ 105 В/м, ER ~ 103 В/м) ηi ≈ 1, т. е. компенсации не требуется.At significant particle potentials, for example, ϕ = 20 V, the fields E H and E R almost completely compensate for E H and E R : η 1 = 2*10 -5 , η 2 = 10 -6 ; then the indicators η i increase in proportion to the decrease in ϕ, and only at very low potentials ϕ < 10 μV (at E H ~ 10 5 V/m, E R ~ 10 3 V/m) η i ≈ 1, i.e. there is no compensation required.

Для примера ϕ = 20 В, на фиг. 10 показано нарастание скоростей свободных продольного (νH) и радиального (νR) расширений исходного слоя 16 пыли до достижения степени его удлинения ξ = 10. В начальный момент t = 0 времени (ось абсцисс) имеется особенность: аН, аR →∞. Та же картина расширения будет и для других потенциалов ϕ - при соответствующих компенсирующих полях. Так, для ϕ = 2 В будет η1 =2*10-3, η2 = 10-4 и т.д.For example, ϕ = 20 V, in Fig. Figure 10 shows the increase in the velocities of free longitudinal (ν H ) and radial (ν R ) expansions of the initial dust layer 16 until the degree of its elongation ξ = 10 is reached. At the initial moment t = 0 time (abscissa axis) there is a feature: a H , a R → ∞. The same expansion pattern will be for other potentials ϕ - with corresponding compensating fields. So, for ϕ = 2 V there will be η 1 = 2*10 -3 , η 2 = 10 -4 , etc.

Скорости νH и νR довольно быстро (по крайней мере, по достижении ξ ~100) приходят к практически постоянным значениям, из которых νR лежит в допустимых пределах (< 1 см), а νH = ν = - ν определяется скоростью ν движения ИУ по траектории выброса. Для коррекции этой скорости после сетки 18 предусмотрена сетка 13 (фиг. 8, 9).Speed νHand νR quite quickly (at least upon reaching ξ ~100) they come to almost constant values, of which νR lies within acceptable limits (< 1 cm), and νH = ν = - ν is determined by the speed ν movement of the control unit along the ejection trajectory. To correct this speed, a grid 13 is provided after the grid 18 (Fig. 8, 9).

Поскольку распределение частиц и поля внутри стакана (фиг.9 а) при формировании слоев 16 и ускорении частиц в общем случае меняется, то напряжение на сетках 18 и 13 соответственно регулируется по данным датчиков 19. Since the distribution of particles and fields inside the glass (Fig. 9a) generally changes during the formation of layers 16 and the acceleration of particles, the voltage on the grids 18 and 13 is accordingly adjusted according to the data from the sensors 19.

На фиг. 9 б) схематично показан другой вариант средств высвобождения частиц из ИУ. Для скоростей выброса ν < 1 м/с более крупных частиц можно использовать механическую систему, установленную на i-ом ИУ и содержащую набор кассет 10i k, периодически загружаемых из контейнера (не показан) пылевым веществом. Кассета (типа стакана) связана с устройством 24 псевдоожижения пыли (вибратором), подобным устройству 15 на фиг.9а), которому сообщается скорость перемещения - ν относительно ИУ, движущемуся по траектории выброса со скоростью ν. Для этого может быть применен высокоточный манипулятор 23 с соответствующей системой управления и «развязки» от вибратора 24.In fig. 9 b) schematically shows another version of the means for releasing particles from the IU. For emission velocities ν < 1 m/s of larger particles, you can use a mechanical system installed on the i-th control unit and containing a set of cassettes 10 i k periodically loaded from a container (not shown) with a dust substance. The cassette (cup type) is connected to a dust fluidization device 24 (vibrator), similar to device 15 in Fig. 9a), to which the movement speed is reported - ν relative to the IU, moving along the emission path at a speed ν. For this, a high-precision manipulator 23 with an appropriate control system and “decoupling” from the vibrator 24 can be used.

Несимметричными вибрациями и обратной подачей кассеты 10i k получают требуемую картину рассеянного ансамбля 25. Пустые кассеты после их (разового или многократного) использования могут собираться и загружаться, вместе с ИУ 5i, на носитель 6, который доставляется по восходящей ветви переходной орбиты 2 к Луне. By asymmetrical vibrations and reverse feeding of the cassette 10 i k the required picture of the scattered ensemble 25 is obtained. Empty cassettes after their (one-time or repeated) use can be collected and loaded, together with the IU 5 i , onto the carrier 6, which is delivered along the ascending branch of the transfer orbit 2 k Moon.

Для возврата в область орбиты Луны для повторного использования носитель 6 снабжен ионными или СПД двигателями малой тяги 12 (фиг. 8), расход рабочего тела и энергии которых относительно невелик.To return to the lunar orbit for reuse, the carrier 6 is equipped with low-thrust ion or SPT engines 12 (Fig. 8), the consumption of the working fluid and energy of which is relatively small.

В перигее какой-либо КО, например, космический буксир с полезным грузом механически взаимодействует со шлейфом, вытянутым в основном тангенциально и имеющим требуемый характер изменения плотности и/или размера частиц вдоль шлейфа. At the perigee of any spacecraft, for example, a space tug with a payload, mechanically interacts with a plume, which is elongated mainly tangentially and has the required character of change in the density and/or size of particles along the plume.

КО взаимодействует со шлейфом посредством какой-либо экранной поверхности, схематично показанной как 26 на фиг. 11. Пылевые частицы налетают на эту поверхность с мгновенной скоростью ν(t) и отражаются от нее с той или иной потерей скорости, либо прилипают к поверхности - это определяется соотношением упругой (U) и адгезионной (A) энергий микрочастиц. Характерно, что для частиц с d = 5-10 мкм U >>A при скоростях до ν ≈ 1000 м/с; для d = 20 мкм U >>A при скоростях 500-600 м/с и U ≈ A при ν ≈ 1200 м/с; для d = 40-80 мкм U >A до ν ≈ 1200-1400 м/с (но разность U - A невелика), см. [8] С.В. Клинков, В.Ф. Косарев. Моделирование адгезионного взаимодействия частиц с преградой при газодинамическом напылении. ИТПМ СО РАН. Физическая мезомеханика, 5, 3 (2002), с.31-32. The KO interacts with the loop through any screen surface, schematically shown as 26 in Fig. 11. Dust particles fly onto this surface with an instantaneous speed ν(t) and are reflected from it with one or another loss of speed, or stick to the surface - this is determined by the ratio of the elastic (U) and adhesive (A) energies of the microparticles. It is characteristic that for particles with d = 5-10 μm U >>A at speeds up to ν ≈ 1000 m/s; for d = 20 µm U >>A at speeds of 500-600 m/s and U ≈ A at ν ≈ 1200 m/s; for d = 40-80 µm U >A to ν ≈ 1200-1400 m/s (but the difference U - A is small), see [8] S.V. Klinkov, V.F. Kosarev. Modeling of adhesive interaction of particles with a barrier during gas-dynamic spraying. ITAM SB RAS. Physical mesomechanics,5, 3 (2002), pp.31-32.

В рассматриваемом примере скорость КО на круговой орбите высотой 616 км ν 0 = 7,54 км/с, а скорость шлейфа в перигее (с той же высотой) ν п = 10,67 км/с, поэтому относительная скорость в начале взаимодействия ν(0) = 3130 м/с, так что U<A, и соударение частиц с экраном 26 носит неупругий характер: скорость отскока ν(0) = 0.In the example under consideration, the SO velocity in a circular orbit with an altitude of 616 km ν 0 = 7.54 km/s, and the speed of the plume at perigee (with the same height) ν P = 10.67 km/s, therefore the relative speed at the beginning of the interaction is ν(0) = 3130 m/s, so U<A, and the collision of particles with screen 26 is inelastic: the rebound velocity ν'(0) = 0.

Из-за несовершенства поверхности экрана и неидеальности формы и структуры частиц пыли отражение от экрана будет, в той или иной мере, диффузным, с диаграммой 27 (фиг.11). Эту диаграмму будем считать симметричной относительно оси 28 шлейфа при строго поперечном положении экрана к этой оси. Таким образом, скорость ν(t), полученная осреднением по множеству отраженных частиц, будет определяться как неупругими потерями, так и диффузным рассеянием, что будем учитывать общим коэффициентом σ < 1: ν(t) = σ ν(t). Due to the imperfection of the screen surface and the imperfect shape and structure of dust particles, the reflection from the screen will be, to one degree or another, diffuse, with diagram 27 (Fig. 11). We will consider this diagram to be symmetrical relative to the axis 28 of the loop with a strictly transverse position of the screen to this axis. Thus, the speed ν'(t), obtained by averaging over a set of reflected particles, will be determined by both inelastic losses and diffuse scattering, which will be taken into account by the general coefficient σ < 1: ν'(t) = σ ν(t).

При наклоне экрана 26 к потоку (когда нормаль n к отражающей поверхности составляет с осью потока угол α) диаграмма может деформироваться, так что осредненная скорость отражения ν(t) будет направлена, в общем случае, к нормали n под углом β ≠ α. When the screen is tilted 26 to the flow (when the normaln to the reflecting surface makes an angle α with the flow axis), the diagram can be deformed, so that the average reflection speed ν'(t) will be directed, in general, to the normaln at an angle β ≠ α.

Если естественным образом (при U ≈ A) или специально, часть (χ ≤ 1) соударяющихся частиц пыли остается на экране, то разность потоков импульса к экрану 26 и от экрана будет: If naturally (at U ≈ A) or intentionally, part (χ ≤ 1) of the colliding dust particles remains on the screen, then the difference in momentum fluxes to the screen 26 and from the screen will be:

вдоль нормали n along the normal n

по касательной, (12) tangent, (12)

где = γSν - масса пыли, соударяющейся в единицу времени с экраном 26 (γ, S - плотность шлейфа и площадь миделя экрана 26 в направлении оси 28). Where = γSν - mass of dust colliding with screen 26 per unit time (γ, S - plume density and midsection area of screen 26 in the direction of axis 28).

Чтобы действие пылевого потока было строго по нормали, углы должны удовлетворять условию =0, т. е.In order for the action of the dust flow to be strictly normal, the angles must satisfy the condition =0, i.e.

(13) (13)

Поскольку β(α, ν) - в основном, характеристика поверхности 26, то (13) суть уравнение для определения угла α ориентации экрана к потоку. Коэффициент σ зависит в общем случае от α, ν(t) и других факторов: σ = σ (α, ν, …). Since β(α, ν) is basically a characteristic of surface 26, then (13) is the equation for determining the screen orientation angle α to the flow. The coefficient σ generally depends on α, ν(t) and other factors: σ = σ (α, ν , … ).

При зеркальном отражении: χ = 0, σ = 1 (что можно осуществить электростатическим способом) имеем α = β; при неупругом ударе: χ = 1, и очевидно α = 0.With mirror reflection: χ = 0, σ = 1 (which can be done electrostatically), we have α = β; for an inelastic impact: χ = 1, and obviously α = 0.

Движение КО массой m в направлении -n, ввиду кратковременности взаимодействия со шлейфом, можно описать уравнением: The movement of a TO with mass m in the direction - n , due to the short duration of interaction with the plume, can be described by the equation:

Переходя к производным по координате (x) вдоль оси шлейфа: получимMoving on to the derivatives with respect to the coordinate (x) along the plume axis: we get

где m’= γS. Решение (15) будет следующим:where m’= γS. Solution (15) will be as follows:

где L - длина шлейфа, причем масса КО меняется по закону:where L is the length of the train, and the mass of the KO varies according to the law:

Разность Δν = νo - ν является скоростью, переданной КО. Как видно, всегда Δν < νo (если только отраженной пыли не сообщается дополнительная энергия).The difference Δν = ν o - ν is the speed transmitted by the KO. As can be seen, always Δν < ν o (unless additional energy is imparted to the reflected dust).

В важных частных случаях: а) - при зеркальном отражении пылевых частиц от поверхности экрана r (α, 1, 0) = 2cos α: In important special cases: a) - with specular reflection of dust particles from the surface of the screen r (α, 1, 0) = 2cos α:

и б) - при полном связывании частиц поперечно расположенным экраном r (0, σ, 1) = 1:and b) - with complete binding of particles by a transversely located screen r (0, σ, 1) = 1:

что просто выражает закон сохранения количества движения. Здесь М - прореагировавшая масса шлейфа. Наиболее эффективен режим а) зеркального отражения частиц - например, при М = m0 и α ≈ 0 он дает ν = 0,14νo (Δν = 0,86νo), в то время как в случае б) ν = Δν = 0,5νo.which simply expresses the law of conservation of momentum. Here M is the reacted mass of the plume. The most effective mode is a) specular reflection of particles - for example, with M = m 0 and α ≈ 0 it gives ν = 0.14ν o (Δν = 0.86ν o ), while in case b) ν = Δν = 0 ,5ν o .

Формирование шлейфа и взаимодействие пылевого потока с КО происходят в магнитосферной и ионосферной плазменной среде, где длина Дебая оценивается в пределах ~ 1-0,01 м, что достаточно мало по сравнению с диаметром шлейфа ~10 м, а потому экранирование зарядов существенно, что снижает электростатическое рассеяние пылевых частиц до допустимого уровня. The formation of the plume and the interaction of the dust flow with the CO occur in the magnetospheric and ionospheric plasma environment, where the Debye length is estimated in the range of ~ 1-0.01 m, which is quite small compared to the diameter of the plume ~ 10 m, and therefore the shielding of charges is significant, which reduces electrostatic dispersion of dust particles to an acceptable level.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Для осуществления предлагаемого изобретения не требуется разработка технологий в области космической техники, основанных на каких-либо новых физических принципах; здесь могут быть использованы методы и технические средства традиционного типа, с учетом быстрого роста их рабочих характеристик, в частности, точности и быстродействия операций, резкого увеличения потоков собираемой, передаваемой и обрабатываемой с помощью компактных микро- и наносхем информации, совершенствования исполнительных органов, в частности, микрореактивных (матричных) двигателей и т.д. The implementation of the proposed invention does not require the development of technologies in the field of space technology based on any new physical principles; here methods and technical means of the traditional type can be used, taking into account the rapid growth of their performance characteristics, in particular, the accuracy and speed of operations, the sharp increase in the flow of information collected, transmitted and processed using compact micro- and nanocircuits, the improvement of executive bodies, in particular , microjet (matrix) engines, etc.

Claims (8)

1. Способ формирования пылевого потока, включающий выведение мелкодисперсного вещества, например, лунного реголита из области орбиты Луны на переходную параболическую или слабо гиперболическую геоцентрическую орбиту в плоскости эклиптики, соприкасающуюся в перигее с начальной околоземной орбитой КО, инициируют процесс формирования протяженного шлейфа указанного вещества совместным действием на пылевые частицы светового давления и гравитации, обеспечивая тангенциальную ориентацию шлейфа при прохождении им перигея, где шлейф взаимодействует с КО, отличающийся тем, что для формирования единичного шлейфа подбирают пылевые частицы одинакового в среднем эффективного диаметра (d), при этом:1. A method for forming a dust stream, including the removal of finely dispersed matter, for example, lunar regolith, from the region of the Moon’s orbit into a transition parabolic or weakly hyperbolic geocentric orbit in the ecliptic plane, in contact at perigee with the initial near-Earth orbit of the spacecraft, which initiates the process of forming an extended plume of the specified substance by joint action on dust particles by light pressure and gravity, ensuring a tangential orientation of the plume as it passes perigee, where the plume interacts with the OC, characterized in that to form a single plume, dust particles of the same average effective diameter ( d ) are selected, while: - задают систему координат ОХY с центром О, движущимся по указанной переходной орбите, и с неизменно направленными в инерциальном пространстве осями, причем ось ОХ параллельна тангенциальному направлению в перигее, а ось ОY параллельна радиусу-вектору перигея;- specify a coordinate system OXY with center O moving along the specified transfer orbit, and with axes invariably directed in inertial space, with the OX axis parallel to the tangential direction at perigee, and the OY axis parallel to the perigee radius vector; - выбирают положение указанной переходной орбиты центра О относительно Солнца так, чтобы солнечный световой поток составлял с указанными осями координат заданные углы, близкие к 45°; - select the position of the specified transition orbit of the center O relative to the Sun so that the solar luminous flux makes specified angles with the specified coordinate axes, close to 45°; - перемещают инициирующее устройство по траектории, проходящей в системе координат ОХY из заданной начальной точки (Xо, Yо) в заданную конечную точку (Xк, Yк), причем Yo>Yк>0, Хко; Xо < 0 при ϑ о >900 и Xо >0 при ϑ о< 900, где ϑ о – истинная аномалия центра О на переходной орбите в момент начала перемещения;- move the initiating device along a trajectory passing in the OXY coordinate system from a given starting point (XO,YO) to a given end point (XTo,YTo), and Yo>YTo>0, XTo>XO; XO < 0 atϑ O >900and XO >0 atϑ O<900, Whereϑ O – true anomaly of the center O in the transfer orbit at the moment of the beginning of the movement; - непрерывно или порциями высвобождают пылевое вещество из инициирующего устройства в точках указанной траектории при нулевой скорости пылевых частиц относительно системы координат ОХY, обеспечивая оптическую прозрачность ансамбля частиц, причем координаты (Х, Y) точек высвобождения отвечают начальным условиям движения, приводящего частицы на ось ОХ за время от момента высвобождения до достижения центром О перигея;- continuously or in portions release the dust substance from the initiating device at the points of the specified trajectory at zero speed of dust particles relative to the OXY coordinate system, ensuring the optical transparency of the ensemble of particles, and the coordinates (X, Y) of the release points correspond to the initial conditions of movement, bringing the particles to the OX axis for time from the moment of release until the center O reaches perigee; - для формирования составного шлейфа используют несколько инициирующих устройств, для которых задают, как указано выше, системы координат О i Х i Y i (i = 1, 2,…n), центры которых О i распределены вдоль переходной орбиты, а пылевое вещество из инициирующего устройства высвобождают в точках траекторий, зависящих от выбираемого эффективного диаметра частиц (d i ) в i-ых системах координат. - to form a composite loop, several initiating devices are used, for which coordinate systems O i X i Y i are specified, as indicated above ( i = 1, 2,… n ), the centers of which О i are distributed along the transfer orbit, and the dust substance from the initiating device is released at trajectory points depending on the selected effective particle diameter ( d i ) in the i -th coordinate systems. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что центры О i распределены вдоль переходной орбиты так, чтобы моменты их последовательного прихода в точку этой орбиты с указанной истинной аномалией ϑ о отстояли друг от друга на время не менее τ = L/Vπ, где L и Vπ – длина и скорость предыдущего (i-1)-го единичного шлейфа в перигее, при этом траекторию высвобождения пылевого вещества в k-ой системе координат получают растяжением или сжатием траектории высвобождения в i-ой системе координат с коэффициентом (d i / d k ) вдоль каждой из осей О i Х i , О i Y i , где i, k = 1, 2,…n. 2. The method according to claim 1, characterized in that the centers O i are distributed along the transfer orbit so that the moments of their sequential arrival at the point of this orbit with the specified true anomaly ϑ o are separated from each other by a time of at least τ = L/V π , where L and V π are the length and speed of the previous ( i -1)th single plume at perigee, while the trajectory of the release of dust matter in the k -th coordinate system is obtained by stretching or compressing the release trajectory in the i -th coordinate system with the coefficient ( d i / d k ) along each of the axes O i X i , O i Y i , where i , k = 1, 2,… n . 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пылевой поток формируют в области космической плазмы, где радиус (длина) Дебая существенно меньше поперечных размеров шлейфа.3. The method according to claim 1, characterized in that the dust flow is formed in the region of space plasma, where the Debye radius (length) is significantly smaller than the transverse dimensions of the plume.
RU2023120375A 2023-08-03 Method of forming dust flow for mechanical interaction with orbital space objects RU2816322C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816322C1 true RU2816322C1 (en) 2024-03-28

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462401C1 (en) * 2011-03-30 2012-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" Method of destructing space debris fragments
US8657235B2 (en) * 2011-01-07 2014-02-25 Raytheon Bbn Technologies Corp. Space debris removal using upper atmosphere and vortex generator
RU2605799C2 (en) * 2011-03-22 2016-12-27 Зе Боинг Компани Space garbage removal
RU2702478C1 (en) * 2018-11-01 2019-10-08 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") Method of action by fine particles on space objects
US20220055775A1 (en) * 2018-12-19 2022-02-24 Geoffrey T. Sheerin Orbital artificial reentry corridor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8657235B2 (en) * 2011-01-07 2014-02-25 Raytheon Bbn Technologies Corp. Space debris removal using upper atmosphere and vortex generator
RU2605799C2 (en) * 2011-03-22 2016-12-27 Зе Боинг Компани Space garbage removal
RU2462401C1 (en) * 2011-03-30 2012-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" Method of destructing space debris fragments
RU2702478C1 (en) * 2018-11-01 2019-10-08 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") Method of action by fine particles on space objects
US20220055775A1 (en) * 2018-12-19 2022-02-24 Geoffrey T. Sheerin Orbital artificial reentry corridor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sedwick et al. Mitigation of differential perturbations in formation flying satellite clusters
Horanyi et al. The effects of electrostatic charging on the dust distribution at Halley's comet
Belbruno et al. Sun-perturbed Earth-to-Moon transfers with ballistic capture
Northrop et al. Stability of negatively charged dust grains in Saturn's ring plane
Ward Density waves in the solar nebula: planetesimal velocities
Schaub et al. Orbit boosting maneuvers for two-craft coulomb formations
RU2816322C1 (en) Method of forming dust flow for mechanical interaction with orbital space objects
De Grossi et al. Trajectory optimization for the Horyu-VI international lunar mission
Alfvén Jet streams in space
Ivashkin et al. On the prevention of a possible collision of asteroid Apophis with the Earth
Yamaguchi et al. Orbital maneuvering of electric solar wind sail based on an advanced solar wind force model
Friesen et al. Results in orbital evolution of objects in the geosynchronous region
Ulybyshev Study of optimal transfers from L2 halo-orbits to lunar surface
Formiga et al. Ground-based laser effect on space debris maneuvering
Forward A programme for interstellar exploration
LaPointe Formation flying with shepherd satellites
Fechtig The interplanetary dust environment beyond 1 AU and in the vicinity of the ringed planets (tutorial talk)
Ovchinnikov Interplanetary Small-Satellite Missions: Ballistic Problems and Their Solutions1
Zhang et al. Theory and Design Methods of Special Space Orbits
Joffre et al. Astrodynamics techniques for missions towards Earth trailing or leading heliocentric orbits
Andrews et al. Progress in magnetic sails
Bolonkin Electrostatic utilization of asteroids for space flight
MINOVITCH Gravity thrust Jupiter orbiter trajectories generated by encountering the Galilean satellites.
RU2812988C1 (en) Method for cleaning near-earth space from space debris using streams of lunar dust
Sasaki et al. Summary of interplanetary and interstellar dust observation by Mars Dust Counter on board NOZOMI