СПОСОБ ОЧИСТКИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ОТ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА, В ТОМ ЧИСЛЕ НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫХ
METHOD FOR CLEANING NEAR-EARTH SPACE FROM LARGE OBJECTS OF SPACE DEBRIS, INCLUDING UNSTABILIZED

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства (ОКП) от крупногабаритного космического мусора (КМ), такого как отработавшие верхние ступени ракет-носителей (РН), разгонные блоки и прекратившие функционирование космические аппараты (КА).
Опасная обстановка складывается в ОКП вследствие нарастания количества крупногабаритного космического мусора на орбитах функционирования КА [1].
Наибольший уровень засоренности ОКП - низкоорбитальная, до высот примерно 2000 км [1].
Известен способ очистки ОКП от ненужных объектов, заключающийся в стыковке с этими объектами транспортного корабля и последующем спуске с орбиты образовавшейся связки [2]. Недостатками этого способа являются необходимость систем стыковки, стыковочных узлов и систем ориентации на обоих кораблях, потеря тормозного отсека транспортного корабля и ограниченные возможности по удаляемой спускаемой массе.
Другим аналогом изобретения является способ уборки космического мусора, включающий выведение на орбиту устройства уборки КМ, при этом осуществляют процесс наблюдения за КМ, перемещают устройства уборки КМ в положение захвата. Близко подводят устройства уборки КМ к космическому мусору, выпускают гарпун в полый фрагмент КМ. Соединяют устройства уборки КМ и космический мусор, фиксируют КМ. Тормозят захваченный КМ с помощью сброса проводящего фала [3]. Недостатком этого способа является длительное время схода с орбиты КМ.
Наиболее близким аналогом изобретения, принимаемым за прототип, является способ очистки ОКП от космических объектов и мелких частиц, предложенный японским космическим агентством JAXA [4]. В предлагаемом агентством JAXA способе металлическая сеть с линейными размерами в несколько километров будет выводиться на орбиту на борту специального спутника. Там сеть разворачивается при помощи установленного на КА манипулятора. После того как сеть наберет достаточно мусора, она будет отсоединяться. Взаимодействие с магнитным полем Земли приведет к тому, что сеть вместе с собранными обломками космических аппаратов со временем войдет в плотные слои атмосферы. Во время падения сеть сгорит вместе с мусором. Недостатком прототипа является сложная система разворачивания металлической сети при помощи манипулятора и неэффективное использование способа для очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов КМ.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении эффективности очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов КМ, в том числе нестабилизированных.
Указанный технический результат достигается тем, что в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, выводят космический аппарат, проводят последовательно маневры дальнего и ближнего сближения КА с крупногабаритным объектом КМ. При этом на борту КА транспортируют в качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок, на которых в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок. При этом надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью. Кроме того, на поверхности крупноячеистых сетей из углеродных нанотрубок размещают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек. Перед выводом КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами и развертывающими надувными элементами в сдутом состоянии плотно упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичных контейнерах на борту КА, причем каждую упакованную сеть размещают в отдельном контейнере. После вывода КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, с помощью наземных средств контроля космического пространства обнаруживают крупногабаритный объект КМ, а также измеряют параметры его движения относительно КА. Измеренные параметры движения крупногабаритного объекта КМ относительно КА с наземных средств контроля космического пространства по радиолинии передают на КА. Затем с помощью приемников навигационной системы и бортовой вычислительной системы (БВС), расположенных на борту КА, определяют текущие координаты центра масс КА, углы текущей пространственной ориентации КА. С помощью БВС определяют положение центра масс КА относительно обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Потом с наземных средств контроля космического пространства по радиолинии на КА передают команды и/или программы на сближение КА с крупногабаритным объектом КМ. Осуществляют сближение КА с крупногабаритным объектом КМ. Далее при помощи БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат КА относительно текущего положения крупногабаритного объекта КМ. Затем с помощью системы ориентации КА осуществляют наведение продольной оси одного из герметичных контейнеров в направлении крупногабаритного объекта КМ. Далее по команде от БВС выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из одного из герметичных контейнеров в направлении крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей развертывание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до момента захвата или охвата КМ. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из одного из герметичных контейнеров, ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. В дальнейшем за счет аэродинамического торможения наполненных газом надувных баллонов и давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. В результате обеспечивают переход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами на более низкую орбиту и последующий вход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами в плотные слои атмосферы. Вследствие этого происходит сгорание сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ.
Кроме того, сближение КА с крупногабаритным объектом КМ осуществляют на расстояние от нескольких десятков метров до нескольких километров.
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GPS и/или «ГЛОНАСС».
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или «ГЛОНАСС».
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или GPS.
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или «ГЛОНАСС».
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GPS.
Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GALILEO.
Существует вариант, в котором на борту КА размещают два и более герметичных контейнеров с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором линейные размеры крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок рассчитывают до запуска КА, транспортирующего сеть, исходя из размеров крупногабаритного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты.
Существует вариант, в котором в качестве материала многослойных гермооболочек развертывающих надувных элементов используют пленку из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек размещают и закрепляют радиально, и/или продольно, и/или по периметру крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором наполнение (наддув) надувных баллонов осуществляют от малогабаритных картриджей с газом.
Существует вариант, в котором малогабаритные картриджи с газом размещают на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают два и более надувных баллона.
Существует вариант, в котором размеры и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА, исходя из высоты орбиты и массы крупногабаритного объекта КМ, а также прогнозируемого времени входа КМ в плотные слои атмосферы.
Кроме того, для аэродинамического торможения связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок применяют надувные баллоны, имеющие площадь миделевого сечения не менее чем на порядок больше площади миделевого сечения КМ.
Кроме того, существует вариант, в котором повторяют операции обнаружения следующего крупногабаритного объекта КМ и поочередного сближение КА с обнаруженным крупногабаритным объектом КМ. Затем осуществляют наведение продольной оси очередного герметичного контейнера в направлении обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. По команде от БВС выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из очередного герметичного контейнера в направлении обнаруженного крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей развертывание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до момента захвата или охвата обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из очередного герметичного контейнера ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок обнаруженного крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. Затем за счет аэродинамического торможения наполненными газом надувных баллонов и давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. В результате обеспечивают ее переход на более низкую орбиту и последующий вход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами в плотные слои атмосферы.
Предложенный способ реализуется следующим образом. В область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, выводят КА, проводят последовательно маневры дальнего и ближнего сближения КА с крупногабаритным объектом КМ. В качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ на борту КА транспортируют крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок, на которых в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок, при этом надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью. Кроме того, на поверхности крупноячеистых сетей из углеродных нанотрубок размещают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек.
Перед выводом КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами и развертывающими надувными элементами в сдутом состоянии плотно упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичных контейнерах на борту КА. При этом каждую упакованную сеть размещают в отдельном контейнере.
После вывода КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, осуществляют обнаружение с помощью наземных средств контроля космического пространства крупногабаритного объекта КМ, а также измерение параметров его движения относительно КА.
С наземных средств контроля космического пространства измеренные параметры движения крупногабаритного объекта КМ относительно КА по радиолинии передают на КА. Затем с помощью приемников навигационной системы и бортовой вычислительной системы, расположенных на борту КА, определяют текущие координаты центра масс КА, углы текущей пространственной ориентации КА. С помощью БВС определяют положение центра масс КА относительно обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Потом с наземных средств контроля космического пространства по радиолинии на КА передают команды и/или программы на сближение КА с крупногабаритным объектом КМ. Осуществляют сближение КА с крупногабаритным объектом КМ на расстояние от нескольких десятков метров до нескольких километров. Далее БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат КА относительно текущего положения крупногабаритного объекта КМ. С помощью системы ориентации КА осуществляют наведение продольной оси одного из герметичных контейнеров в направлении на крупногабаритный объект КМ. Затем по команде от БВС прицельно выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из одного из герметичных контейнеров в направлении крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей ее развертывание до момента встречи с крупногабаритным объектом КМ. При выходе крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из одного из герметичных контейнеров, ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. Сеть обволакивает КМ и таким образом создается механическая связь крупноячеистой сети с КМ.
Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. В дальнейшем за счет аэродинамического торможения наполненными газом надувных баллонов и давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. В результате обеспечивают ее переход на более низкую орбиту и последующий вход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами в плотные слои атмосферы.
В дальнейшем по команде от БВС, либо по команде или программе, передаваемой по радиолинии с наземных средств контроля космического пространства, осуществляют перенацеливание КА на следующий крупногабаритный объект КМ.
Далее повторяют операции обнаружения следующего крупногабаритного объекта КМ и сближение КА с обнаруженным крупногабаритным объектом. Осуществляют наведение продольной оси очередного герметичного контейнера в направлении обнаруженного крупногабаритного объекта КМ, затем по команде от БВС выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из очередного герметичного контейнера в направлении обнаруженного крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей развертывание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до момента захвата или охвата обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из очередного герметичного контейнера ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок вновь обнаруженного крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы вновь обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. Затем за счет аэродинамического торможения наполненными газом надувных баллонов и давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. В результате обеспечивают ее переход на более низкую орбиту и последующий вход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами в плотные слои атмосферы.
Данные операции повторяют до израсходования запаса топлива или герметичных контейнеров с крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок на борту КА.
По завершении космическим аппаратом миссии очистки ОКП от крупногабаритных объектов КМ осуществляют сход КА с орбиты и вход в плотные слои атмосферы за счет собственного аэродинамического тормоза.
Использование надувных баллонов, имеющих площадь миделевого сечения не менее чем на порядок больше площади миделевого сечения КМ, значительно увеличивает площадь миделя связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. При этом возрастают сила аэродинамического сопротивления среды, которая вызывает тормозное ускорение на низких орбитах и обеспечивает спуск крупногабаритного объекта КМ с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли.
Применение надувных баллонов, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, усиливает воздействие сил солнечного давления, действующих на связку крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.
В силу этого торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до низкоорбитальной орбиты с высотой полета выше 700 км осуществляют за счет давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны. На орбите с высотой полета ниже 700 км осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок также за счет аэродинамического торможения надувных баллонов.
Исследования показывают, что на высоте полета космического аппарата 500 км<h<700 км влияние светового давления и сопротивления атмосферы приблизительно одинаково, а для высоты полета h>700 км световое давление становится более значимым, чем сопротивление атмосферы [5] стр. 100-101.
Эффективность очистки ОКП от крупногабаритных объектов КМ, в том числе нестабилизированных, обеспечивается интегральным воздействием на крупногабаритные объекты КМ тормозного ускорения за счет:
- аэродинамического торможения крупногабаритных объектов КМ за счет надувных баллонов, имеющих площадь миделевого сечения не менее чем на порядок больше площади миделевого сечения КМ;
- давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрывают пленкой с высокой отражающей способностью.
В результате срок пребывания неиспользуемых крупногабаритных объектов КМ на орбите может быть сокращен со столетий до нескольких месяцев.
Использование развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек значительно упрощает процесс раскрытия крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок. При этом используется эффект саморазворачивания крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок в условиях открытого космоса под давлением остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек.
Применение пленки из углеродных нанотрубок для изготовления надувных баллонов и развертывающих надувных элементов обеспечивает их высокую стойкость к пробою при столкновении с мелкими частицами космического мусора. Предел прочности пленки из углеродных нанотрубок составляет 9,6 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности кевларовых волокон составляет всего 3,7 гигапаскаля [6].
Таким образом, обеспечивается сохранение свойства надувных баллонов как аэродинамического тормоза в процессе схода с орбиты связки крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ.
При этом сеть и пленка из углеродных нанотрубок обладают исключительно малой массой [7].
Хорошая эффективность упаковки в транспортном положении, низкая удельная масса волокна и пленки из углеродных нанотрубок позволяет разместить на КА несколько десятков герметичных контейнеров с упакованными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок. В результате один маневрирующий КА способен удалить с орбиты десятки крупногабаритных объектов КМ, количество которых определяется запасом топлива на борту КА и числом герметичных контейнеров с крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок, размещаемых на борту КА.
Размещение пленки с высокой отражающей способностью, например, из диоксида титана на поверхности надувных баллонов сверх того повышает оптическую заметность сходящей с орбиты связки крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ и делает ее хорошо видимой для наблюдения средствами контроля космического пространства.
Более того, предлагаемый способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора, в том числе нестабилизированных, выгоден тем, что обеспечивает механический захват или охват любого объекта, находящегося на орбите, имеющего сложное быстрое вращательное движение вокруг своего центра масс.
Источники информации.
1. Шатров Я.Т. Развитие исследований по выбору трасс пусков и районов падения отделяющихся частей ракет-носителей в целях обеспечения экологической безопасности. Космонавтика и ракетостроение. №1.2017. С. 124-125.
2. Инженерный справочник по космической технике. М.: Воениздат.1977. С. 134-140.
3. Патент РФ №2574366 «Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора».
4. Космический мусор в рыболовные сети. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. X. №7. 2011. С. 26.
5. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппаратов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. С. 50-51, с. 100-101, с. 486.
6. Углеродная нанопленка прочнее кевлара и углеродного волокна. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. XV. №5. 2016. С. 24.
7. Колмаков А.Г., Баринов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит.2013. С. 134.
8. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству. М.: ФГБУН Институт космических исследований Российской академии наук. 2013. С. 34-54, с. 168-179.