Колесников Евгений Константинович
Основные направления научных исследований:
Задачи механики, связанные с проблемами экологии ближнего космоса
Известно, что необходимость решения проблем, связанных с созданием ракетно-космической техники и началом освоения человеком околоземного космического пространства дала в середине прошлого столетия мощный импульс развитию механики, который во многом предопределил и современное состояние этой области знания. Однако, последующая техногенная деятельность в ближнем космосе, наряду с успешным решением целого комплекса важнейших фундаментальных и прикладных задач, привела к появлению и ряда отрицательных последствий, основным из которых является все возрастающее загрязнение ближнего космоса продуктами антропогенной деятельности. К настоящему времени в окрестности Земли из указанных продуктов образовалось облако пассивных орбитальных объектов (т.н. “космического мусора”(КМ)) с размерами от долей микрона до метра, общая масса которого оценивается в несколько тысяч тонн. Отмеченные факты столкновений космических аппаратов с техногенными частицами указывают на реальную опасность, которую представляет космический мусор для орбитальных аппаратов. Необходимость разработки эффективных мер предотвращения дальнейшего антропогенного загрязнения околоземного космического пространства (ОКП), которое уже в недалеком будущем может сделать ближний космос недоступным для человека, а также потенциальная угроза для Земли, которую таят в себе некоторые особо опасные объекты КМ, теперь, спустя полвека с начала космической эры, ставят перед современной механикой целый ряд принципиально новых задач, уникальных по масштабу и сложности.

Соответственно потребностям времени решению задач механики, связанных с проблемами экологии ближнего космоса, в исследованиях Е.К.Колесникова, его учеников и сотрудников уделяется в настоящее время основное внимание. Указанные исследования проводятся по трем направлениям:

  • исследование динамики в околоземном космическом пространстве техногенных нано- и микрочастиц;
  • исследование динамики в магнитном и электрическом полях околоземного космического пространства техногенных заряженных частиц высокой энергии;
  • исследования, направленные на разработку экологически безопасных космических систем, а также космических средств, обеспечивающих реализацию экологически безопасных концепций освоения ближнего космоса.

Работы по исследованию динамики техногенных нано- и микрочастиц в околоземном космическом пространстве проводятся Е.К.Колесниковым с начала 90-х годов. Актуальность этих исследований связана с тем, что существенную часть продуктов анропогенного загрязнения ближнего космоса составляют микрообъекты техногенного происхождения с размерами от единиц нанометра до сотен микрон, основными источниками которых являются мелкодисперсные частицы, возникающие в результате деградации материала поверхности КА и крупных фрагментов космического мусора; вторичные частицы, выбрасываемые в ОКП при высокоскоростном ударе по поверхности КА более крупных частиц, а также мелкодисперсные продукты выбросов твердотопливных ракетных двигателей (ТТРД) разгонных блоков КА.

Задача динамики в ОКП техногенных частиц (ТЧ) значительно сложнее традиционных для небесной механики задач баллистики в ОКП крупномасштабных пассивных орбитальных объектов (таких как, последние ступени ракет-носителей, выработавшие свой ресурс ИСЗ и др.), для которых основной возмущающий эффект создается аэродинамическими силами ( на низких орбитах ) и гравитационными возмущениями. Как показывают оценки, в задачах динамики ТЧ соизмеримый с указанными силами, а в некоторых случаях и определяющий вклад в полную возмущающую силу, может давать сила солнечного давления, а для техногенных частиц субмикронных размеров – и электродинамические силы, обусловленные взаимодействием наводимого на ТЧ электрического заряда с магнитным и электрическим полями околоземного космического пространства. Особенно серьезной проблемой является необходимость учета возмущающего воздействия электродинамических сил. Это связано в первую очередь с трудностью определения электрического заряда частицы, который формируется в результате процесса коллективного взаимодействия ТЧ с падающеми на ее поверхность потоками заряженных частиц из фоновой космической плазмы и потоками вторичных заряженных частиц, эмиттируемых поверхностью ТЧ. Вследствие пространственной неоднородности параметров околоземной плазмы и условий освещенности ТЧ в ОКП, электрический заряд техногенной частицы меняется вдоль ее траектории, причем значение заряда в данный момент времени в связи с конечностью характерного времени зарядки ТЧ зависит от физических условий в точках околоземного пространства, соответствующих как текущему, так и предшествующим положениям частицы на траектории.

Полученные к настоящему времени результаты исследований по рассматриваемому направлению состоят в следующем. Разработана и реализована в расчетной программе для ЭВМ динамическая модель, описывающая движение техногенных частиц из проводящего материала в различных структурных областях плазменной оболочки Земли (ионосфере, плазмосфере, плазменном слое), при различных уровнях солнечной и геомагнитной активности. Модель учитывает воздействие на ТЧ : центрального гравитационного поля Земли и его возмущения, обусловленного полярным сжатием Земли; силы солнечного давления, рассчитываемой с использованием методов теории Ми; электродинамических сил, определяемых с учетом изменения заряда МЧ в процессе ее орбитального движения в ОКП и силы сопротивления нейтральной компоненты фонового газа [1]. В результате проведения соответствующих численных экспериментов установлен ряд важных качественных особенностей движения техногенных частиц в околоземном космическом пространстве. В частности, показано, что ТЧ с размерами порядка десятков нанометров, а также ТЧ с размерами порядка единиц нанометров при определенных условиях в результате воздействия на их движение магнитного поля Земли способны длительное время удерживаться в околоземном пространстве и могут оказаться, таким образом, важным фактором антропогенного загрязнения ближнего космоса [2, 3]. Определены времена орбитального существования техногенных частиц, инжектируемых в ОКП на низких и высоких околоземных орбитах [4, 5]. Проведены расчеты максимальных температур аэродинамического нагрева техногенных микрочастиц при входе в атмосферу [4, 5]. Результаты расчетов показывают, что для ТЧ из алюминия с радиусами меньшими 10 мкм значения максимальных температур нагрева ТЧ, инжектируемых как на низких, так и на высоких околоземных орбитах, оказываются существенно меньшими температуры плавления алюминия, то есть ТЧ при торможении в атмосфере не разрушаются, а после схода с орбиты оседают на поверхность Земли. Полученные неожиданно низкие значения температур аэродинамического нагрева указывают, в частности, на принципиальную возможность сохранения жизнеспособности попадающих в атмосферу Земли микроорганизмов внеземного происхождения, а также земных микроорганизмов, выносимых в околоземное пространство космическими аппаратами. Исследовано влияние на времена орбитального существования техногенных частиц, движущихся в ионосфере по орбитам с большими углами наклона к плоскости экватора, эффектов сильной электризации ТЧ в потоках авроральных электронов [6]. На основе траекторных расчетов установлено, что электризация в авроральном потоке может оказывать существенное возмущающее воздействие на орбитальную динамику техногенных частиц радиусом порядка 1 мкм, , которое при зарядке в северном овале полярных сияний должно сопровождаться увеличением времени орбитального существования ТЧ в околоземном пространстве. В условиях множественного характера явлений сильной электростатической зарядки ТЧ указанные явления могут приводить к длительному удержанию ТЧ в окололоземном пространстве и являются, таким образом, возможным природным механизмом, способствующим загрязнению низких близких к полярным околоземных орбит техногенными частицами.

Наряду с разработкой методов прямого численного моделирования движения техногенных частиц в ОКП, разрабатываются и другие подходы к решению задач динамики ТЧ в околоземном пространстве. Один из таких подходов применяется для описания движения в ОКП наиболее мелких из техногенных частиц с размером порядка единиц нанометров, прямое численное моделирование динамики которых на основе точных уравнений движения связано с существенными трудностями из-за сильной закрутки траектории ТЧ магнитным полем Земли. В этом случае для численного и аналитического исследования особенностей движения ТЧ в ОКП используется динамическая модель, основанная на решении т.н. "дрейфовых уравнений движения", описывающих движение ("дрейф") ведущего центра ТЧ, вращающейся в магнитном поле Земли. Используемые уравнения дрейфа ТЧ, впервые сформулированные нами в работе [7], представляют собой обобщение известных дрейфовых уравнений движения заряженной частицы в магнитном поле на случай частицы с переменным зарядом. Наконец, третий подход к исследованию особенностей динамики техногенных частиц в ОКП основан на использовании методов качественной теории гамильтоновых систем, развитой в работах А.Н. Колмогорова, В.И. Арнольда и Ю.Мозера (так называемой КАМ-теории). В рамках работ по этому направлению сформулированы общие условия, при которых уравнения движения в электромагнитном поле частицы с переменным зарядом могут быть записаны в форме уравнений Гамильтона [7]. С использованием указанных условий показана корректность канонической формулировки задачи об орбитальном движении субмикронных техногенных частиц в реальных физических условиях плазмосферы Земли [8].

Вторым направлением работ Е.К.Колесникова, связанных с решением проблем экологии ближнего космоса, является исследование динамики в магнитном поле околоземного космического пространства техногенных заряженных частиц высокой энергии. Работы эти начались еще в конце 60-х годов и первоначально были связаны с изучением проблемы сильного антропогенного загрязнения околоземного космического пространства продуктами ядерных взрывов в космосе в конце 50-х - начале 60-х годов. Наиболее опасными из указанных продуктов являлись высокоэнергетичные электроны с энергией порядка нескольких МэВ, возникшие в результате бета-распада осколков деления. Из этих электронов, захваченных магнитным полем Земли, в ОКП образовались искусственные радиационные пояса, которые просуществовали несколько лет, серьезно осложнив радиационную обстановку в ближнем космосе. Несмотря на то, что после принятия соответствующих международных соглашений ядерные испытания в космосе прекратились, проблема радиационного загрязнения ближнего космоса техногенными заряженными частицами высокой энергии остается актуальной. Одним из основных источников радиационного загрязнения ОКП является в настоящее время радиоактивный космический мусор, который образовался из находящихся в настоящее время в нерабочем состоянии космических аппаратов с ядерными и радиоизотопными источниками энергии, а также их возможные осколки. Всего на околоземных орбитах находится около 40 объектов, суммарная масса радиоактивных веществ на которых составляет около 1 тонны. В связи с принятыми правительствами ряда стран, и прежде всего, России и США, постановлениями о развертывании работ по созданию космических ядерных энергоустановок, можно ожидать, что в ближайшие годы загрязнение ОКП радиоактивным космическим мусором начнет быстро возрастать. Наконец, с появлением в ближнем космосе крупных объектов космической инфраструктуры (многофункциональных долговременных орбитальных станций, солнечных электростанций, стартовых орбитальных платформ и др.) важным источником антропогенного загрязнения ближнего космоса могут стать и вторичные частицы высоких энергий, испускаемые веществом массивных орбитальных объектов в результате взаимодействия с первичным космическим излучением. Потенциальными источниками высокоэнергетичных частиц являются и космические ускорители высокой энергии, концепции которых в настоящее время разрабатываются как в нашей стране, так и за рубежом. Захват техногенных заряженных частиц высокой энергии магнитным полем Земли, может привести к возникновению в околоземном пространстве радиационных поясов антропогенной природы. Основной особенностью этих поясов по сравнению с естественными радиационными поясами Земли будет являться высокая энергия образующих их частиц, которая, как показывают данные расчетов, может достигать значений порядка единиц ГэВ.

Основные результаты исследований Колесникова Е.К. в области динамики в магнитном поле околоземного пространства техногенных заряженных частиц высокой энергии состоят в следующем. С использованием известных интегралов энергии и обобщенного углового момента частицы, движущейся в поле магнитного диполя, установлен ряд важных качественных особенностей распространения заряженных частиц, инжектируемых в дипольное магнитное поле точечным источником, которые существенно дополняют классическую качественную теорию Штермера, Леметра и Валларта [9, 10]. В частности, получены аналитические выражения для областей разрешенных импульсов заряженных частиц, которые могут наблюдаться в произвольных точках дипольного поля при заданном положении инжектора. Установлено наличие характерной структуры координатного пространства в виде совокупности областей, положению исследуемой точки в каждой из которых соответствует определеный вид области разрешенных импульсов. В последние годы при проведении исследований в этой области Е.К.Колесниковым стали применяться методы численного моделирования, позволившие, в частности, обнаружить характерную структуру областей высыпания на Землю электронов высокой энергии, инжектируемых в геомагнитное поле точечным источником [11].

Наконец, третьим направлением работ, связанных с решением проблем экологии ближнего космоса, являются исследования, направленные на разработку экологически безопасных космических систем, а также космических средств, обеспечивающих реализацию экологически безопасных концепций освоения ближнего космоса.

Наиболее интересным результатом исследований, связанных с созданием экологически безопасных космических систем, является разработанная Е.К.Колесниковым концепция высоковольтного электрогенератора (ВЭГ), преобразующего в электрическую энергию кинетическую энергию частиц корпускулярных потоков: потоков частиц радиационных поясов Земли, потоков авроральных частиц и др. Принцип действия ВЭГ основан на использовании явления сильной электростатической зарядки (СЭЗ) корпускулярными потоками тела, экранированного от коротковолнового излучения Солнца и космической плазмы специальным экраном, толщина которого меньше средней длины пробега в его материале высокоэнергетичных частиц. Высокоэнергетичные частицы, затормаживаясь в веществе тела, будут заряжать его до определенного потенциала по отношению к экрану, нейтральность которого поддерживается притоком заряженных частиц из фоновой плазмы. Напряжение между телом и экраном в этом случае может достигать значений порядка E/e, где E - средняя энергия частиц корпускулярного потока, и при больших Е оказывается весьма значительным. В случае, когда высокое электрическое напряжение между внутренним телом и экраном используется для создания тока в полезной нагрузке, включенной между ними, система будет работать как электрогенератор, преобразующий в электрическую энергию кинетическую энергию частиц корпускулярного потока. В работе [12] разработана методика расчета удельной мощности ВЭГ в случае, когда корпускулярными потоками, вызывающими явление СЭЗ, являются потоки протонов и электронов естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ). Полученные расчетные данные показывают, что по весовым характеристикам рассматриваемая конструкция ВЭГ в области доминирования потока протонов ЕРПЗ, оказывается вполне конкурентоспособной по отношению к источникам энергии космических аппаратов малой мощности, работающих на традиционных принципах, особенно, в тех специальных случаях, когда источник электропитания должен обеспечивать генерацию электрической мощности при выходном напряжении в десятки и сотни киловольт. При этом рассматриваемый электрогенератор является экологически безопасным, поскольку, в отличие, например от конструкционно наиболее близких к ВЭГ радиоизотопных источников энергии, его эксплуатация не будет вызывать радиационного загрязнения ближнего космоса.

Наиболее важным результатом исследований, направленных на разработку космических средств, обеспечивающих реализацию экологически безопасных концепций освоения ближнего космоса, является обоснование возможности создания корпускулярно-пучковых систем дистанционного элементного анализа (ЭА) поверхностных пород безатмосферных небесных тел, основанных на спектрометрии характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемого в поверхностном слое грунта планеты пучком высокоэнергетичных частиц. Одним из наиболее перспективных направлений практического применения подобных систем, размещаемых на низкоорбитальных искусственных спутниках Луны, является их использование для оперативной разведки природных ресурсов ближайшего к Земле небесного тела. Важность решения указанной задачи становится все более актуальной, поскольку, как показывают результаты проведенных в последние годы исследований, предельная интенсивность грузопотока с поверхности Земли в ОКП при использовании современных космических транспортных средств существенно ограничена допустимой экологической нагрузкой на атмосферу Земли. В этих условиях развертывание в ближнем космосе крупномасштабных объектов космической инфраструктуры, таких, например, как солнечные электростанции, возможно только за счет использования внеземных, и, в первую очередь, лунных ресурсов.

В работе [13] разработана методика расчета необходимых параметров системы пучок – детектор в системе дистанционного рентгеноспектрального элементного анализа поверхностных пород Луны с орбиты ее низкого спутника, основанной на искусственном возбуждении характеристического излучения лунных пород электронным пучком. Показана техническая возможность создания основных элементов комплекса аппаратуры для дистанционного элементного анализа лунных пород (ускорителя электронов, спектрометра рентгеновского излучения, энергетической установки, системы компенсации электрического заряда, уносимого пучком) с массово-габаритными характеристиками, допускающими их размещение на борту лунного орбитального КА. Проведен анализ возможного влияния на функционирование системы ЭА различных физических факторов окололунного пространства: магнитных и электрических полей, фона естественного рентгеновского излучения. Результаты проведенных исследований указывают на техническую реальность создания электронной системы ЭА, предназначенной для глобального картирования состава лунных пород по основным породообразующим элементам, а также поиска месторождений ряда представляющих практический интерес элементов. В работах [14, 15] проведена оценка параметров пучка нейтральных атомов водорода, необходимых для рентгеноспектрального анализа по основным породообразующим элементам поверхностных пород Луны с низкой орбиты ее искусственного спутника при использовании для регистрации возбуждаемого излучения системы газовых счетчиков. Наконец, в работе [16] рассмотрена возможность реализации метода рентгеноспектрального элементного анализа поверхностных пород небесного тела, основанного на искусственном возбуждении характеристического рентгеновского излучения пород электронным пучком, инжектируемым с космичекого аппарата, работающего на поверхности планеты. Проведена оценка параметров пучка электронов, необходимых для рентгеноспектрального анализа поверхностных пород Луны на расстояниях порядка десятков метров от посадочной платформы. Рассмотрено возможное влияние приповерхностного электрического поля Луны на динамику зондирующего пучка.

Основные публикации:
  1. Колесников Е.К., Чернов С.В. Разработка методов численного моделирования динамики мелкодисперсных частиц в околоземном космическом пространстве. В кн: Модели механики сплошной среды. Обзорные доклады и лекции 17-й сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 4-10 июля 2004 года) , Казань, 2004, с. 55-83.
  2. Колесников Е.К. Особенности орбитального движения субмикронных частиц в плазмосфере Земли. Космические исследования, 2001, том 39. № 1. с.100 – 105.
  3. Колесников Е.К., Чернов С.В. О времени существования микрочастиц на низких круговых околоземных орбитах. Космические исследования, 1997, том 35. № 2. с. 221-222.
  4. Колесников Е.К., Чернов С.В. О размерах микрочастиц, захватывающихся магнитным полем Земли при различных уровнях геомагнит ной активности. Космические исследования, 2003, том 41, № 5, с.558 - 560.
  5. Колесников Е.К., Чернов С.В., Яковлев А.Б. О времени существования микрочастиц на геостационарной орбите. Космические исследования, 1999, том 37, № 4, с. 422-423.
  6. Колесников Е.К. Влияние авроральных потоков электронов на динамику техногенных микрочастиц в полярной ионосфере. Геомагнетизм и аэрономия, 2001, том 41, № 1, с. 238-242
  7. Колесников Е.К., Яковлев А.Б. Основные подходы к исследованию динамики тел с переменным электрическим зарядом в космической плазме. В кн: «Модели неоднородных сред (Физическая механика. Вып. 8)» Изд- во. СПбГУ, 2004, с.120 – 126
  8. Колесников Е.К., Чернов С.В., Яковлев А.Б. О корректности канонической формулировки задачи движения субмикронных частиц в плазмосфере Земли. Космические исследования, 2007, том 45, № 6.
  9. Колесников Е.К., Филиппов Б.В. Эволюция заряженных частиц из точечного источника в поле магнитного диполя. Вестник ЛГУ, 1970, серия 1, вып. 2, № 7, с. 88 - 120.
  10. Колесников Е.К., Филиппов Б.В. Некоторые задачи эволюции заряженных частиц в поле магнитного диполя. Изд-во ЛГУ, 1974, 72 с.
  11. Колесников Е.К. Структура областей высыпания электронов высокой энергии, инжектируемых в дипольное магнитное поле Земли точечным источником. Геомагнетизм и аэрономия, 2002, том 42, с. 624 – 630.
  12. Колесников Е.К. Оценка удельной мощности высоковольтного генератора, основанного на использовании энергетических ресурсов радиационных поясов Земли. Космические исследования, 2006, том 44, № 6. с.507-513.
  13. Колесников Е.К., Курышев А.П. Дистанционный рентгеноспектральный элементный анализ поверхностных пород Луны, основанный на искусственном возбуждении характеристического излучения электронным пучком. Вестник ЛГУ, 1982, Деп.ВИНИТИ, N 41-82.
  14. Колесников Е.К., Курышев А.П. Дистанционный рентгеноспектральный элементный анализ поверхностных пород небесных тел, основанный на искусственном возбуждении характеристического излучения пучком нейтральных частиц. В кн:"Восьмая Всесоюзная конференция по локальным рентгеноспектральным исследованиям и их применению. Черноголовка, 1982", 1982, , том 2, с. 363-364.
  15. Колесников Е.К., Курышев А.П. Дистанционный рентгеноспектральный элементный анализ поверхностных пород небесных тел, основанный на искусственном возбуждении характеристического излучения пучком нейтральных частиц. Вестник ЛГУ, 1983, Деп.ВИНИТИ, N 627-83.
  16. Колесников Е.К., Курышев А.П., Мануйлов А.С. Активный дистанционный рентгеноспектральный анализ поверхностных пород небесных тел. В кн.:"Методы рентгеноспектрального анализа". Новосибирск, 1986, Изд-во "Наука", с.85-93.