На кварцевых весах. Исследователи на орбите взвесят космическую «пыль»

Ученые и студенты Самарского университета им. Королёва проведут в космосе эксперимент, результаты которого покажут, насколько сильно наноспутники загрязняются во время работы на орбите. Для определения степени загрязненности будет использоваться научная аппаратура с очень точными кварцевыми микровесами, на которых взвесят мельчайшие частицы особой «пыли», образующейся в космосе вокруг спутников, космических кораблей и орбитальных станций.

Эксперимент пройдет на борту российского радиолокационного наноспутника «АИСТ-СТ», разработанного совместно учеными Самарского университета им. Королёва и специалистами компании «Специальный Технологический Центр» (СТЦ) из Санкт-Петербурга. Запуск спутника запланирован на вторую половину 2024 года, сейчас ведется сборка космического аппарата. Полученные в ходе орбитального исследования данные помогут в перспективе улучшить качество работы оптической и радиолокационной аппаратуры спутников дистанционного зондирования Земли.

В числе полезной нагрузки на аппарате «АИСТ-СТ» будет установлен специальный измерительный модуль, разработанный студентами и молодыми учеными нашего университета. Этот модуль во время полета будет измерять степень загрязнения внешней поверхности корпуса наноспутника из-за воздействия так называемой собственной внешней атмосферы, которая образуется в космосе вокруг космического аппарата. Подобные эксперименты и исследования ранее уже проводились, но на более крупных объектах – например, на больших спутниках и на Международной космической станции. Наш же эксперимент впервые пройдет на борту наноспутника. В мае 2024 года на эту разработку был получен патент на изобретение в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент).

• Максим Иванушкин, руководитель Киберфизической фабрики малых космических аппаратов Самарского университета им. Королёва.

Собственная внешняя атмосфера (СВА), образующаяся в условиях микрогравитации вокруг космических аппаратов – спутников, кораблей и орбитальных станций, представляет собой небольшое облако, которое может состоять из молекул различных жидкостей и газов, а также микроскопических твердых частиц, например, отслаивающихся от внешнего покрытия корпуса. «Виноваты» в появлении такого облака процессы микрокоррозии и дегазации материалов корпуса, испарение возможного конденсата с внешней поверхности аппарата, газоотделение из негерметичных отсеков, работа бортовых систем и другие причины.

Собственная внешняя атмосфера постепенно загрязняет космические аппараты. Страдает от такого загрязнения прежде всего спутниковая оптика, ухудшается четкость изображения. Кроме того, если в собственной внешней атмосфере космического аппарата присутствуют молекулы жидкостей и газов, то они, как правило, ионизируются и начинают искажать амплитуду и фазу радиосигналов, что может приводить к ухудшению точности проводимых радиоизмерений и сбоям в приеме сигналов с Земли.

Изучать влияние собственной внешней атмосферы на космические аппараты начали еще в СССР, в начале 80-х годов прошлого века, на орбитальной станции «Салют-7». Принцип изучения с тех пор не изменился, изменились лишь размеры научной аппаратуры и ее компонентная база. Измерение загрязненности производится с помощью особо точных кварцевых микровесов: одна «чашка» весов – один кварцевый резонатор – находится внутри космического аппарата и является эталонным, изолированным от внешней среды. Второй резонатор – вторая «чашка» весов – выставляется наружу, в открытый космос, и подвергается загрязнению со стороны собственной внешней атмосферы космического аппарата. В результате масса этого второго резонатора за счет микроскопической «грязи» постепенно увеличивается, и у него изменяется рабочая частота. По разнице с частотой эталонного резонатора определяется степень загрязнения космического аппарата, и данные периодически передаются на Землю.

Наш модуль построен на базе кварцевых микровесов, то есть непосредственно в корпусе самого модуля есть два кварцевых резонатора, один из которых герметично закрыт защитным стеклом, он является «кварцем-свидетелем». Второй кварц будет «выглядывать» в космическое пространство, находясь вровень с поверхностью корпуса наноспутника. Подобные исследования очень важны для оценки влияния собственной внешней атмосферы космического аппарата на высокочувствительную бортовую аппаратуру, например, звездные датчики или оптические приборы дистанционного зондирования Земли. Поскольку мы знаем, какие материалы используются при производстве космического аппарата, мы можем по степени и темпам загрязнения делать выводы о поведении того или иного материала на орбите. Данные таких экспериментов помогают конструкторам космической техники выбирать менее «грязеобразующие» материалы, что позволяет сохранять в космосе высокие характеристики бортовой аппаратуры. Нас в ходе предстоящего эксперимента на «АИСТе-СТ» будет прежде всего интересовать, как ведут себя в космосе различные виды пластика.

• Максим Иванушкин

Несмотря на, казалось бы, микроскопичность частиц и молекул собственной внешней атмосферы, результаты ранее проведенных экспериментов по изучению СВА показывают, что загрязненность крупных космических аппаратов может достигать весьма значительных цифр. По данным из открытых источников, за время эксплуатации большого спутника весом более трех тонн его корпус выделяет в околоспутниковое пространство до 1 кг различных веществ, при этом около 100 г этих веществ осаждаются на внешней поверхности корпуса, образуя загрязняющие пленки («Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета», №2, 2009 г., стр. 24).

Справочно
Наноспутник «АИСТ-СТ» создается учеными Самарского университета им. Королёва совместно со специалистами компании «Специальный Технологический Центр» (СТЦ) из Санкт-Петербурга и должен стать первым отечественным наноспутником с радиолокационной установкой – до этого радары устанавливались в России на более крупные космические аппараты. В настоящее время идет сборка спутника и проходят испытания его инженерной модели. Запуск аппарата запланирован на вторую половину 2024 года.
Работы по созданию спутника «АИСТ-СТ» ведутся в рамках федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Планируется, что в дальнейшем конструкция спутника будет адаптирована под роботизированную сборку на опытном производстве Киберфизической фабрики малых космических аппаратов Самарского университета им. Королёва в рамках федерального проекта «Передовые инженерные школы».