Физики ИОА СО РАН провели эксперимент по определению светового давления на спутниковые антенны

Дата публикации: 26 августа 2020

Сотрудники Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск) совместно с коллегами из АО «“Информационные спутниковые системы” им. ак. М. Ф. Решетнёва» (Железногорск) провели эксперименты по определению светового давления на конструкционные материалы спутниковых антенн при разных углах падения света, сообщает издание «Наука в Сибири». Статья была опубликована в журнале Applied Optics. 

Ученые хотели выяснить, каково давление солнечного света на огромные, диаметром в десяток метров, сетчатые антенны на спутниках связи. «Давление на эти, хоть и большие, но сильно разреженные поверхности относительное слабое — сотые доли миллиграмма на квадратный метр», — говорит директор ИОА СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Васильевич Пташник. Однако спутник остается на орбите годами, за такой период даже от малого давления на эти антенны накапливается существенный вращательный момент, который влияет на ориентацию летательного аппарата. Чтобы компенсировать этот момент и предотвратить вращение спутника, требуется дополнительный запас топлива, но из-за большой стоимости вывода любого груза на орбиту туда лучше брать оптимальное количество горючего. Для определения нужного объема необходимо знать величину давления солнечного света на материал антенных сеток — именно эту задачу ученые решали экспериментально.

«Мы не исследовали непосредственно давление света на материал образца антенны (металлическая сетка из волокна диаметром около 20 микрометров), поскольку у нас нет соответствующего оборудования. Однако в ИОА СО РАН имеются точные приборы для измерения световых потоков в широком спектральном диапазоне, с высокой чувствительностью и спектральным разрешением. Таким образом, задача была — проверить, как сетка антенны пропускает и рассеивает свет на разных длинах волн в разных направлениях при разных углах падения луча света. Говоря научным языком, нужно было получить из измерений индикатрису рассеяния света образцом. Зная эту индикатрису, пропускание и поглощение света, а также формулы давления света при “элементарном” падении луча под заданным углом, можно уже посчитать световое давление. Прибор для измерения слабых потоков света у нас есть — это современный Фурье-спектрометр IFS-125. Тем не менее нужно было решить несколько сложных технических задач для получения конечного результата», — рассказывает об эксперименте Игорь Пташник. 

В первую очередь ученые изготовили прецизионное устройство для поворота фрагмента антенной сетки под разными углами к падающему лучу света по двум осям вращения. Для получения достаточно точной индикатрисы рассеяния исследователи провели несколько тысяч замеров: десятки углов рассеяния по обе стороны от сетки для десятков углов падения луча в разных спектральных диапазонах. Для ускорения измерительного процесса систему поворота пришлось делать автоматической. Кроме того, из-за особенностей сетки измерения для больших углов падения луча не могли быть выполнены, поэтому ученым пришлось сконструировать также численную модель сетки. Некоторые параметры этой модели определялись на основе выполненных измерений для небольших углов падения луча на образец. Далее проводились численные эксперименты для больших углов падения света. Спектр лампы в спектрометре нормировался на спектр Солнца в околоземном пространстве, и проводились окончательные расчеты светового давления на основе полученных индикатрис рассеяния.

«В итоге давление оказалось всего на уровне около 3 % от давления на сплошную, полностью отражающую поверхность. Сетка все-таки очень разреженная, и это, кстати, было дополнительной трудностью, поскольку приходилось детектировать крайне слабый рассеянный сигнал. Но мы справились со всеми трудностями, и в итоге на нашем счету теперь есть выполнение этой красивой и технически сложной задачи», — отмечает Игорь Пташник.

Результаты работ, прежде всего, окажут влияние на развитие космической индустрии. «Я думаю, что в первую очередь данное исследование все-таки ограничено спутниковой тематикой и большими антеннами, то есть областью, где давление света может быть существенным на длительных промежутках времени. В этом смысле это все-таки разовое, узконаправленное исследование. Другое практическое применение может иметь созданная в рамках работы установка для измерения индикатрисы рассеяния макроскопических объектов размером от миллиметров до десятка сантиметров. Ее можно использовать, например, для проверки модели рассеяния света кристаллами разных форм или других более сложных оптических объектов», — подводит итоги Игорь Пташник.

Поделиться: