Научно-технические
вопросы, ставящиеся перед проектом «космический телескоп»
В программных материалах, посвященных решению энергетической проблемы («Проект «гелий-3» как основа инновационной экономики») и задач выполнения космической программы («Концепция беспилотной космонавтики») говорилось, что первоочередным космическим проектом должен быть проект под условным названием «космический телескоп», в ходе которого должны быть решены ряд важных технических задач. Целью данного материала является определить технические характеристики, которые должны быть достигнуты при работе устройства.
1. Исходя из задач, ставящихся перед проектом, логическую цепь можно изложить таким образом:
(зеленым цветом отмечены составные части устройства, красным – этапы работ по созданию устройства, желтым – последовательность операций на орбите)
2. В настоящий момент работа по составлению списка проблемных вопросов находится в процессе разработки. Результатом работы станет следующая таблица:
|
Постановка вопроса |
Варианты решения |
||||||||
|
Часть |
Задача |
Направление деятельности |
Вариант технологии |
Постановка задачи |
Инновационные проекты для решения поставленной задачи |
Коммерческое применение проекта |
Информация о предприятии |
||
|
Часть 1. предприятия,
представляющие интерес с точки зрения политических задач |
|
|
|
|
Использование топлива в виде кавитационной водно-угольной суспензии (КАВУС) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Часть 2. Вопросы, требующие инновационного решения |
1. Поиск нужного объекта |
1.1. оптические системы для обзора объекта |
1.1.1. разработки для шпионских спутников |
|
Система «Карат» |
Системы дистанционного зондирования и картографирования земной поверхности |
|
||
|
Спутники «Алмаз» |
|
||||||||
|
прочее |
|
||||||||
|
1.1.2. зеркало телескопа и материалы для него |
Полимеры |
КЧХК |
Антикоррозионное полимерное покрытие для стальных деталей и конструкций |
Строительство
предприятия началось в Производство
продукции на основе фтора и хлора стало в середине пятидесятых годов базой
для новой отрасли химической промышленности: производства хладонов,
мономеров, фторопластов, фторэластомеров, фторированных смазок и жидкостей – продукции, обладающей
широким спектром уникальных свойств, без которой невозможно развитие
ракетно-космической техники, авиации, радиоэлектроники и др. отраслей
промышленности. 6
октября 2003 года завод полимеров выделился в дочернее предприятие
химкомбината. В настоящее время на ООО «Завод полимеров КЧХК» трудятся около
4 тысяч человек. На заводе выпускаются следующие виды продукции:
фторопласты, фторкаучуки, хладоны и их смеси, мономеры, кислородосодержащие фторированные соединения, фторированные
газы, смазки и жидкости, хлорорганические соединения, кислоты, щелочи и их
соединения, газы (кислород, ацетилен, азот), изделия из фторопластов и товары
народного потребления. В
период 2000 – 2004 годов комбинат был предметом ожесточенной борьбы между
различными финаносово-промышленными группировками |
|||||
|
|
Применение в радиоэлектронике и авиации |
применение в космических проектах |
|||||||
|
Нанотрубки |
|
Производство компонентов ЭВМ с высокой степенью интеграции |
исследованием
углеродных нанотрубок серьезно занимаются на
химфаке МГУ, в институтах Академии наук в Черноголовке (Институте физики твердого тела, Институте проблем
химической физики), в Тамбовском
государственном техническом университете, в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург),
в ряде московских институтов РАН, в Институте
катализа в Новосибирске. Успешно работают коллективы в Нижнем Новгороде,
Красноярске и Казани. Среди
российских компаний, занимающихся производством углеродных нанотрубок, можно назвать следующие: «НТЦ «Гранат», ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец“ им. Н.С. Артемова» NT-MDT (Molecular Devices and Tools for NanoTechnology). |
||||||
|
|
Жидкометаллические
технологии |
|
|
||||||
|
1.1.3. астрономические системы |
|
|
|
|
|||||
|
1.2. системы сканирования поверхности |
|
|
Технология «Навгеоком» |
|
|
||||
|
Технологии «Центра инфраструктурных проектов» |
|
См. |
|||||||
|
Технология НПО «Стрела» (Тула) |
«Фара-1» |
||||||||
|
Технология ВНИИТФ |
Лазерно-голографические
методы неразрушающего контроля и оценки качества изготовления сложных
конструкций, исследования деформаций или вибраций объектов |
|
|||||||
|
2. ускорители |
|
|
|
- ВНИИТФА (Москва) |
Системы очистки и обеззараживания воды |
|
|||
|
- ОИЯИ (Дубна) |
Производство трековых мембран |
Передовое предприятие по синтезу сверхтяжелых химических элементов. Подробнее см. http://element114.narod.ru/Projects/mkf3-2.html |
|||||||
|
- МГУ - ИЯФ МГУ - АО «Новые технологии» - НИИП (Лыткарино
Московской области) |
Ускорители для медицинских целей |
|
|||||||
|
Часть 3. Вопросы, связанные с традиционной техникой |
2.1. средства обеспечения запуска |
|
|
|
|
|
|
||
|
2.2. выведение на орбиту |
|
|
|
Платформа разработки НПО им.Лавочкина |
|
|
|||
|
2.3. гироскопы |
|
|
|
|
Системы управления для гражданской авиации |
|
|||
|
2.4. радиосвязь и наведение
сигналов |
|
|
|
|
Системы управления для гражданской авиации |
|
|||
|
2.5. оптимальная
дата запуска |
|
|
|
|
|
|
|||
3. Пояснения к таблице и исходные материалы
для ее заполнения:
Перечень проблемных вопросов:
Часть 1. вопросы, требующие инновационного решения
1. поиск нужного объекта
Вопрос.
Параметры телескопа.
Определим необходимые размеры зеркала телескопа,
чтобы рассмотреть марсоход на поверхности Марса (и,
следовательно, нужные объекты на Луне)
Если
разрешающая сила для Марса составит
1.1. оптические системы
1.1.1. разработки
для шпионских спутников
Современные
спутники-шпионы способны рассмотреть объекты размером
Исходя
из приведенных данных, размер зеркала нашего орбитального телескопа должен быть
в 2 тысячи раз больше, чем размер зрачка человеческого глаза, который является
«инструментом» для рассмотрения фотографий со спутников-шпионов. Приняв размер
зрачка за
Подробнее о
существующих российских технологиях
- система
«Карат»
- спутники
«Алмаз»
1.1.2. зеркало и
материалы для него
- разработки 2013 года
Российский институт РАН намерен удешевить космические телескопы
Физики из российского института РАН разработали уникальное зеркало-рефлектор для космических обсерваторий, которое улучшит качество и удешевит производство космических телескопов.
Разработанная новинка сможет вывести Россию в лидеры среди мировых производителей. Зеркало-рефлектор для космических обсерваторий является трудоёмкой, технологически сложной и дорогостоящей деталью, обеспечивающей деятельность космических спутниковых систем. От идеально выполненной отражающей поверхности зеркала-рефлектора зависит работа всей конструкции.
В России до нынешнего момента пригодным материалом для космических зеркал считались:
астроситалл достаточно влагостоек, имеет невысокую прочность, но высокую стоимость обработки - не менее миллиона долларов за квадратный метр;
углепластик прочнее, но боится влаги, а матрица на его основе склонна давать трещины.
Учитывая все достоинства и недостаки материалов учёные решили объединить их, нивелировав недостатки и подчеркнув достоинства: астроситалл был использован в качестве матрицы, на которой будет базироваться углепластиковая конструкция. В итоге стоимость новой зеркальной панели снизится примерно в пять раз, а время изготовления сократится с года до месяца. Найденное решение превращает Россию в эксклюзивного поставщика-монополиста космических антенн с миллиметровым диапазоном волн.
На данный момент институте запущено экспериментальное производство для отладки всех нюансов технологического процесса. Согласно планам разработчиков мерийный выпуск новых зеркальных панелей для рефлекторов будет налажен в скором будущем.
источник -
от 14 февраля 2013 года
- КЧХК
Вариант
1. В качестве несущей основы для зеркала можно использовать технологии,
применявшиеся в проекте «Солнечный парус» (толщина плёнки – 5 мкм, диаметр
зеркала –
Вместо
серебра можно использовать полимерное покрытие. СМИ сообщают:
«Космические телескопы переходят на
пластмассовую оптику
23 августа
Легкие зеркала из тонких полимерных
пленок могут прийти на смену традиционным стеклянным объективам космических
телескопов, что позволит решать с их помощью принципиально новые, но уже
назревшие задачи.
Американские ученые из национальных
лабораторий Sandia разработали пьезоэлектрическую
полимерную оптику, позволяющую создавать на ее основе огромные и легкие зеркала
для космических телескопов немыслимого сегодня диаметра. В ближайшее время
опытные образцы новых зеркал отправятся на МКС. Впервые полимерным пленкам
предстоит пройти испытания в условиях реального космоса.
Ученые разработали несколько видов
полимерных пленок на базе поливинилиден флюорида (PVDF) (наш комментарий: это русский автор так
перевел: «поливинилиден флюорида»
- на самом деле, очевидно, имеется в виду либо поливинилиденфторид,
либо поливинилфторид)– материала с высокими
пьезоэлектрическими свойствами.
Пьезоэффект открывает
возможность управления свойствами оптической поверхности – формой, кривизной
фокальным расстоянием объектива, а также позволит компенсировать возникающие
искажения поверхности.
Образцы пленок, доставленные на МКС в
начале 2007 года, будут установлены снаружи станции до конца 2007 или до 2008
года. По возвращении их на Землю ученые смогут изучить характер изменения пьезоэлектрических
свойств материала, деградацию свойств его поверхности, изменения морфологии и
комплексные повреждения.
Если предположения ученых окажутся верны
и полимер подтвердит свои качества, уже в скором будущем в космосе появятся
телескопы с объективами существенно большего, чем ныне, диаметра. Их масса
будет сравнительно небольшой, что существенно снизит стоимость всего
инструмента в целом.
Источник: CNews.ru»
В
данном случае долгое время испытаний на МКС объясняется тем, что авторы
предполагают использование такой пленки в телескопах в течение длительного
времени. В случае же ее использования в одноразовом проекте, каковым является
наш космический телескоп, таких долгих испытаний не потребуется.
Производить
этот самый PVDF теоретически может завод полимеров при КЧХК:
Строительство предприятия началось в
Производство продукции на основе фтора и хлора стало в
середине пятидесятых годов базой для новой отрасли химической промышленности:
производства хладонов, мономеров, фторопластов, фторэластомеров,
фторированных смазок и жидкостей – продукции,
обладающей широким спектром уникальных свойств, без которой невозможно развитие
ракетно-космической техники, авиации, радиоэлектроники и др. отраслей
промышленности.
6 октября 2003 года завод полимеров выделился в
дочернее предприятие химкомбината. В настоящее время на ООО «Завод полимеров
КЧХК» трудятся около 4 тысяч человек.
На заводе выпускаются следующие виды продукции:
фторопласты, фторкаучуки, хладоны и их смеси, мономеры, кислородосодержащие фторированные соединения, фторированные
газы, смазки и жидкости, хлорорганические соединения, кислоты, щелочи и их
соединения, газы (кислород, ацетилен, азот), изделия из фторопластов и товары
народного потребления.
- нанотрубки
Обоснование
для такого варианта решения проблемы имеются в материале:
«Лунные
телескопы снабдят отражателями из пыли
9 июня
Команда исследователей под руководством
Питера Чена из Центра космических полётов NASA
разработала специальный состав, из которого планируется изготовлять крупные
телескопы, предназначенные для развёртывания на Луне. В гипотетическом будущем
астрономы мечтают разместить на дальней стороне естественного спутника Луны
автоматические обсерватории с мощными оптическими телескопами, которым не будет
мешать атмосфера (за отсутствием оной у Луны). Предполагается наличие у этих
телескопов зеркал диаметром 20-
Разработанный Ченом
и его коллегами состав будет изготовляться из углеродных нанотрубок,
эпоксидной смолы и каменной крошки, полученной из лунной пыли, сообщает New Scientist.
Из этой смеси им удалось создать
30-сантиметровый диск. Затем они добавили ещё эпоксидной смолы и покрыли его в
вакууме алюминиевым напылением, получив тем самым зеркальную поверхность.
По словам Чена,
для того, чтобы создать 2,4-метровый отражатель (именно такой установлен в
космическом телескопе "Хаббл"), потребуется
Некоторые эксперты, правда, сомневаются в
том, что сооружение 30-сантиметрового диска и 20-50-метровой тарелки - задачи
равнозначные. Ведь для проведения точных измерений поверхность отражателя
телескопа должна быть совершенно плоской.
Есть также и другие проблемы. Учёным ещё
нужно определиться с тем, с помощью каких устройств будут поворачиваться
зеркала, а также где изготавливать все остальные компоненты радиотелескопов.
Доставка их с Земли - дорогая и трудоёмкая задача.
Источник: КомпьюЛента»
1.1.3.
астрономические системы
- из статьи про черные дыры»,
стр 347, там же и далее –
пределы существующих систем
Учитывая,
что разрешающая способность глаза человека составляет 2 угловых минуты,
получаем, что разрешающая способность устройства должна превышать ее в миллион
раз. Приняв размер зрачка равным
Способы
решения проблемы:
1) система телескопов в виде
оптических интерферометров (что решится путем запуска двух спутников с
относительно небольшими телескопами на большие расстояния. Вот как описывается
подобная система в статье «Оптические телескопы XXI века» ("Наука и жизнь" №9,
«Особенно
перспективно использование в телескопах нового поколения метода интерферометрии
с большой базой. Этим методом можно измерять угловые диаметры астрономических
объектов. Звездный интерферометр представляет собой два укрепленных на общей
раме зеркала, причем расстояние между ними (длину базы) можно изменять. Свет от
звезды, попадающий на оба зеркала, делится на два пучка, которые при помощи
вспомогательных зеркал и линзы сводятся вместе и образуют интерференционную
картину в виде чередующихся темных и светлых полос. Существенно, что
интерференционная картина возникает только тогда, когда разность хода пучков
близка к нулю (для белого света - не более 2-3 мкм). Ориентировка базы
перпендикулярно направлению на звезду обычно обеспечивает необходимое
уравнивание оптических путей пучков. Работа звездного интерферометра основана
на зависимости контраста (резкости, четкости) интерференционных полос от длины
базы. Изменяя длину базы до получения минимального контраста (картина полностью
размывается, полосы неразличимы), можно определить угловой диаметр звезды.
Чем
длиннее база D, тем меньший угловой диаметр q можно
измерить, то есть разрешающая способность интерферометра определяется
отношением λ/D, где λ - длина волны света. В первом звездном
интерферометре Майкельсона максимальная величина базы составляла
Свет
от звезды приходит на оба телескопа и через оптическую систему, включающую в
себя кроме главного и вспомогательного несколько плоских зеркал (так называемая
система кудэ, от французско
го coude - ломаный), направляется в общее приемное
устройство, расположенное в центральной лаборатории. При этом в одном из
телескопов свет проходит через оптическую линию задержки, длина которой
регулируется таким образом, чтобы разность хода приходящих на телескопы
световых пучков была равна нулю. При нулевой разности хода на приемном
устройстве возникает интерференционная картина. Далее измерительная процедура
аналогична используемой в звездном интерферометре Майкельсона.
Такой
принцип применен в упоминавшемся выше телескопе VLT. Этот телескоп не имеет
аналогов. Он состоит из четырех отдельных 8-метровых телескопов; сооружение
последнего, четвертого телескопа планируется завершить в следующем году. Эти
телескопы могут либо использоваться независимо, либо работать единой группой,
объединяясь с тремя подвижными вспомогательными 1,8-метровыми телескопами,
образуя уникальный оптический VLT-интерферометр (VLTI).
Поле
зрения каждого из телескопов в интерферометре VLTI составляет 2 угловые
секунды. Используя различные длины и ориентации базовых линий (расстояний между
телескопами), можно добиться углового разрешения, которое получалось бы от одного
телескопа с диаметром объектива, равным наибольшей длине базы, -
1.2. системы сканирования
поверхности
Как найти нужный объект
Вопрос:
с какой точностью мы можем определить положение марсоходов
на нужный нам момент?
- достаточно ли будет знания типа "марсоход находится в
- каким образом направить телескоп в
ту точку на Луне, где находится интересующий нас аппарат. Вариант: сканирование
этой области путем лазерной локации в наиболее благоприятном диапазоне, затем
направлять телескоп в ту точку, откуда будет отражающая вспышка
У
телескопа с большой разрешающей силой будет очень небольшой размер
осматриваемой местности. Каким образом можно найти на поверхности необходимый
объект (в первую очередь речь идет об аппаратах на луне), если рассмотреть их
можно только не иначе как с помощью самого телескопа, а для этого их нужно
сначала найти?
Возможный
вариант – лазерное сканирование района предполагаемого нахождения объекта
(металлический аппарат должен по характеру отражаемого сигнала сильно
отличаться от окружающих оксидных пород.
Системы
сканирования местности, необходимые для поиска необходимых объектов и для
направления телескопа на них – в настоящий момент подобными технологиями
занимается компания Navgeocom, имеющая необходимые разработки. Или,
например, разрабатываемый в ядерном центре ВНИИТФ в рамках "инновационной
деятельности" проект «Лазерный
голографический метод исследования деформаций и вибраций» может быть на
этом телескопе использован как система сканирования лунной поверхности для
поиска на находящихся на ней космических аппартов,
поскольку принцип действия общий - проводится сканирование достаточно большой
однородной поверхности (в изначальном варианте - трубопровод, в предлагаемом
варианте - лунная поверхность) для обнаружения на ней аномалии, размеры
которой значительно меньше по сравнению с объектом (в первоначальном варианте -
деформация на трубопроводе, в предлагаемом варианте - оставленный на лунной
поверхности космический аппарата)
2. ускорители
Параметры
ускорителя.
какова
должна быть плотность потока электронов, чтобы пробили атмосферу Марса ? (исходя из этого будем определять реактивную силу). 2
варианта расчета:
1)
какова сила тока и мощность молнии, пронзающей атмосферу и ударяющей в марсоход (с поправкой на плотность атмосферы)
На
Земле для молнии сила тока – 105 А, напряжение – 107 В,
длительность – 10-3 сек. Следовательно, мощность – 1012
Вт, переносимая энергия – 109 Дж или около 300 кВт-часов (что
согласуется с другими оценками). На Марсе - атмосферное давление в 1000 раз
меньше, чем на Земле, а средняя температура (в Кельвинах) составляет 0,75
земной, следовательно, концентрация частиц атмосферы Марса в 750 раз меньше,
чем на Земле.
Поэтому
достаточно силы тока, меньшей в 750 раз (около 150 А), во столькое
же количество раз меньшее напряжение на ускоряющих сетках (около 15 кВ).
Получаемая мощность – 1012/(750)2 = 2 МВт. При
длительности 10-3 сек выброс энергии составит 2 кДж.
При
этом перенесенный заряд составит 150 А * 10-3 сек = 0,15 Кл.
Соответствующее количество электронов – 1018. При объеме переносимой
энергии в 2 кДж кинетическая энергия каждого электрона составит 2*10-15
Дж или около 104 эВ (0,01 МэВ). По сравнению с энергией покоя
электрона в 0,511 МэВ соответствующая скорость является явно дорелятивистской и соответствует скорости примерно 20% от
световой. Напомним, это минимальный порог, в реальности нужно больше.
Подсчитаем,
какой реактивный импульс могут сообщить электроны космическому аппарату на
такой скорости. При количестве электронов 1018 их суммарная масса
составит 10-
2)
какова энергия ионизации всего столба атмосферы?
Если
взять столб атмосферы радиусом R и высотой h, то энергия, необходимая для ионизации, будет равна E=Neq, где N – количество
молекул в атмосферном столбе, q – потенциал
ионизации одной молекулы, e – заряд
электрона (если заряд электрона – в кулонах, то потенциал ионизации – в
электрон-вольтах. Пусть m – масса столба
атмосферы, а m0 – масса одной молекулы, тогда:
E = Neq = (m/m0)eq = (ρV/m0)eq = (πR2hρ/m0)eq = (πe/m0)hρq R2
Примем,
что атмосфера Марса состоит из углекислого газа, ее плотность составляет 1/1000
от земной, высота атмосферы составляет
Если
в качестве радиуса взять всю весь покрываемый объем в
Взяв
за оценку количество электронов как в предыдущем примере – 1018 –
получим, что энергия каждого из них составит соответственно 10-5 и
10-11 Дж, или, соответственно, 108 и 100 Мэв, т.е. релятивистские значения энергии (энергия покоя
электрона – 0,511 МэВ).
Чтобы
выбрать конкретно необходимое значение скорости электрона, для этого
необходимо, чтобы реактивный импульс отдачи для аппарата принимал значения,
которые поддаются измерению. Проведем соответствующие оценки.
Согласно
закону сохранения импульса,
mаппΔv = Мес,
mапп - масса аппарата, Δv - изменение скорости, вызываемое реактивным импульсом,
Ме - суммарная релятивистская
масса всех испускаемых электронов. Далее получим:
mаппΔv = mеη (nmкатода/μ)Nac,
где
mкатода – масса катода, испускающего электроны, μ - атомная масса металла, из которого сделан катод, n – валентность этого металла, Na -
число Авогадро, η- доля электронов металла, испускаемая в процессе
импульса.
Зная
значение реактивного импульса, который мы хотим получить, и подставляя
численные значения констант, получаем величину минимально необходимой
релятивистской массы электронов:
mе
= Δv ∙ (mапп/mкатода) ∙ (μ/n) ∙ (1/η) ∙6∙10-33
При
этом мы пока не знаем, чему равна величина η – при благоприятных условиях
она может быть близка к 1, а при неблагоприятных условиях – близка к 0. Это
тоже предстоит выяснить в ходе эксперимента.
Зная,
что масса покоя электрона m0 составляет около 10-
(mе/m0) = Δv ∙
(mапп/mкатода) ∙ (μ/n) ∙ (1/η) ∙6∙10-3
Значительная
неопределенность начальных параметров позволяет широко варьировать параметры
ускорителей электронов, для ускорения работ выбрав одну из существующих
моделей.
Примеры
ускорителей:
-
импульстные ускорители, разрабатываемые в ОИЯИ
-
ускорители высокой мощности, разрабатываемые во ВНИИТФА
-
Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА, г. СанктПетербург) - разработчик ускорителей, в т.ч. для
космических программ
-
импульсный ускоритель электронов УИН-10, разрабатываемый в НИИП в Лыткарино:
Ток
пучка электронов - 70 - 100 кА
Энергия
электронов - 6 - 10 МэВ
Длительность
импульса - от 100 нс до 2 мкс
-
там же - линейный резонансный ускоритель электронов "Электроника
У-003" (энергия электронов от 4 до 8 МэВ, частота следования импульсов от
10 до 300 Гц и однократно, импульсный ток пучка до 0,5 А);
-
еще один пример ускорительной техники - ускорители, разрабатываемые в ИЯФ МГУ.
Правда, мощность конкретного предлагаемого ими коммерческого
варианта ускорителя недостаточная для решения данной задачи, но эти
наработки могут найти применение в ходе следующего этапа работ - создание
(после отработки на телескопе) нового поколения ускорителей для ядерного
синтеза. ускорители высокой
мощности, разрабатываемые во ВНИИТФА
Следующим
этапом в разработке техники ускорителей по итогам проект должна быть разработка
мощных ускорителей и электронно-импульсных двигателей с виртуальными
сетками. Приводимые там параметры получаемых потоков (токи до 1 МА и ионные
пучки мощностью до 1 ТВт) удовлетворяют выдвигаемым требованиям.
Часть 2. Вопросы, связанные с традиционной техникой
1. средства обеспечения
запуска
2. выведение на орбиту
3. гироскопы
4. радиосвязь и наведение
сигналов
- ряд упомянутых технических вопросов см. в
работе под соавторством Н.Н.Севастьянова «Задачи управления
ориентацией малого космического аппарата дистанционного зондирования Земли»
- каким образом можно отслеживать марсоходы в режиме реального времени? (есть ли информация
на сайте НАСА или надо перехватывать сигналы?)