УДАЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
SPACE GARBAGE REMOVAL

Уровень техники
Вокруг Земли, по орбитам, вращаются объекты, которые образованы в качестве побочных продуктов полетов в космическом пространстве и больше не служат для какой-либо полезной цели. Более крупные объекты включают использованные ступени ракеты и отработавшие свой срок спутники. Меньшие объекты, которые встречаются гораздо чаще, включают отслоившуюся краску, пыль, твердую окалину отработанного ракетного топлива, охладитель атомного котла и крепежные детали. Эти объекты называются космическим мусором.
Космический мусор представляет потенциальный риск столкновения с пилотируемым космическим летательным аппаратом и беспилотными спутниками. Даже более мелкий мусор, размер которого составляет один сантиметр или меньше, может вызывать проблемы. Например, незащищенные компоненты космического летательного аппарата подвергаются непрерывному износу посредством очень мелких частиц, размером один микрон или менее.
Существует необходимость в удалении мелкого космического мусора.
Сущность изобретения
По одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ, включающий удаление космического мусора с относительно низким баллистическим коэффициентом путем ускорения орбитального распада мусора. Неустойчивое газообразное облако создается на высоте по меньшей мере 100 км над уровнем Земли. Облако обладает достаточной плотностью для замедления мусора, чтобы мусор падал в атмосферу Земли.
-3
-8
2
Предпочтительно облако обладает размером от 50 до 500 км, массой от 1000 до 10000 кг и поверхностной плотностью от 10 до 10 кг/м.
Предпочтительно создание облака включает осуществление расширения Прандтля-Майера газа.
Предпочтительно облако является относительно неподвижным и сталкивается с орбитальным мусором и замедляет орбитальное движение мусора.
Предпочтительно облако перемещается по траектории, направленной противоположно траектории космического мусора.
Предпочтительно высота облака составляет от 100 до 400 км.
Предпочтительно целевыми являются другие зоны очистки вокруг Земли, и облако формируется в каждой зоне.
Предпочтительно облако создается с плотностью и температурой, которые обеспечивают диссипацию после создания и падение в атмосферу.
Предпочтительно облако создается с формой сферы или полусферы.
Предпочтительно создание облака включает создание газа из отбрасываемой массы, причем нужная поверхностная плотность облака достигается, отчасти, посредством управления временем выброса отбрасываемых масс.
Предпочтительно создание облака включает объединение первого и второго газогенераторов и соответствующих сопел, которые направлены под углом 180 градусов относительно друг друга.
Предпочтительно облако создается из отбрасываемой массы, содержащей пережженный металл с более высокой атомной массой, чем у алюминия.
Предпочтительно пережженный металл включает по меньшей мере одно из титана, циркония и обедненного урана.
Предпочтительно создание облака включает использование ракетоносителя для переноса криогенного благородного газа на высоту; испарение криогенного газа и расширение испаренного газа.
Предпочтительно облако создается путем расширения текучей среды с крупными молекулами с низким показателем адиабаты.
Предпочтительно облако создается за счет реакции элементов с высокой молекулярной массой с галогенами. По другому аспекту настоящего изобретения предлагается способ удаления космического мусора с относительно низким баллистическим коэффициентом, который включает выполнение расширения газа по уравнению течения газа Прандтля-Майера в газообразном облаке на высоте по меньшей мере 100 км над уровнем Земли. Облако обладает достаточной плотностью, чтобы замедлять космический мусор, чтобы мусор падал в атмосферу Земли. Облако не нацелено на какой-либо конкретный мусор.
По другому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для создания неустойчивого газообразного облака, содержащего отбрасываемую массу, содержащую по меньшей мере одно из следующего: пережженный металл с более высокой атомной массой, чем у топлива с добавкой алюминия; криогенный благородный газ; текучая среда с крупными молекулами с низким показателем адиабаты и элементы с высокой атомной массой и галогены. Устройство дополнительно содержит газогенератор для получения газа из отбрасываемой массы и сопло для расширения газа в виде газообразного облака.
Предпочтительно сопло имеет выходной угол Прандтля-Майера, который модифицирует пространственное распределение расширенного газа.
По другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, содержащая первое и второе устройства для создания неустойчивого газообразного облака, содержащее отбрасываемую массу, содержащую по меньшей мере одно из следующего: пережженный металл с более высокой атомной массой, чем у топлива с добавкой алюминия; криогенный благородный газ; текучая среда с крупными молекулами с низким показателем адиабаты и элементы с высокой атомной массой и галогены. Устройство дополнительно содержит газогенератор для получения газа из отбрасываемой массы и сопло для расширения газа в виде газообразного облака, сгруппированные вдоль общей оси, почти рядом, причем их сопла направлены под углом 180 градусов относительно друг друга.
По другому аспекту настоящего изобретения, предлагаемому в настоящем документе, способ удаления космического мусора с относительно низким баллистическим коэффициентом может включать выполнение расширения Прандтля-Майера газа в виде газообразного облака на высоте по меньшей мере 100 км выше уровня Земли, облако обладает плотностью, достаточной для замедления космического мусора, чтобы мусор падал в атмосферу Земли, облако не нацелено на какой-либо конкретный мусор.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано газообразное облако для удаления космического мусора с относительно низким баллистическим коэффициентом.
На фиг.2 показан способ удаления космического мусора.
На фиг.3 показано оцененное изменение скорости для орбитального распада космического мусора.
На фиг.4 показан способ создания газообразного облака для удаления космического мусора с относительно низким баллистическим коэффициентом.
На фиг.5 показано ультразвуковое расширение газа в вакууме.
На фиг.6 показано устройство для создания газообразного облака для удаления космического мусора.
На фиг.7 показано другое устройство для создания газообразного облака для удаления космического мусора.
На фиг.8а-8с показаны другие формы газообразного облака.
Подробное описание
На фиг.1 показана планета Земля (Е) с вращающимся по орбитам космическим мусором 110 с относительно низким баллистическим коэффициентом (космический мусор указан стрелкой). Такой мусор включает, но не ограничивается этим, болты, крепежные детали и отслоившуюся краску. Такой мусор также может включать более крупные объекты, которые занимают значительный объем и обладают большой площадью передней поверхности и низкой эффективной плотностью (например, баки вытесняющего газа).
2
2
d
d
d
Баллистический коэффициент β (Н/м) представляет собой обычный параметр, характеризующий чувствительность к воздействию мусора, замедляемого аэродинамической средой с конкретным динамическим давлением. Он может быть определен как β=W/CA, где W - вес объекта (Н), C - коэффициент лобового сопротивления (C=1 для потока свободных молекул) и A - площадь передней поверхности объекта (м).
2
d
Меньший мусор, размером менее 0,1 см, распределен практически равномерно, подобно диффузному облаку частиц. Плотность меньшего мусора обратно пропорциональна массе частиц. Основная масса мелкого космического мусора имеет баллистический коэффициент (β) от 0,02 до 50 Н/м. Для сферических частиц баллистический коэффициент β можно оценить, как β=2/3 dρg/C, где ρ - плотность материала, g - стандартная гравитационная постоянная и d - диаметр частиц.
debris
E
debris
E
debris
мусора
debris
мусора
1/2
3
2
Космический мусор 110 вращается по орбите вокруг Земли со скоростью v=(µ/r), где µ - гравитационный параметр Земли (398601,2 км/с) и r (r) - радиус круговой орбиты от центра Земли. Например, на высоте 100 км v (v)=7,844 км/с.
c
На фиг.2 показано, что часть этого мусора можно удалить путем создания газообразного облака 120 над Землей на целевой высоте h (блок 210). Облако обладает достаточной плотностью, чтобы снизить скорость космического мусора, чтобы ускорить орбитальный распад мусора и чтобы мусор падал в атмосферу Земли (блок 220).
На фиг.3 показано оцененное изменение скорости для орбитального распада космического мусора в зависимости от высоты круговой орбиты. Ожидаемое изменение скорости составляет, например, 0,7 км/с для меньшего мусора на высоте пребывания 3000 км до высоты, на которой неизбежен вход с орбиты в плотные слои атмосферы. Для мусора на высоте 1000 км ожидается изменение скорости менее 220 м/с для ускорения орбитального распада.
-3
-8
2
В некоторых вариантах осуществления облако 120 может обладать поверхностной плотностью от 10 до 10 кг/м, размером (например, диаметром) от 50 до 500 км и массой от 1000 до 10000 кг. Однако эти параметры специфичны для каждого применения. Должно быть оптимальное соотношение между плотностью и размером облака 120. Облако более высокой плотности будет замедлять объекты в большей степени, но оно будет охватывать меньшую область и, следовательно, захватывать меньше частиц.
Предположим, облако создается при почти не меняющихся начальных условиях ракетой.
G
Пусть u - скорость струи, a ISP - единичный импульс ракеты. Тормозящую плотность (ρ) облака 120 можно оценить, как
G
C
C
C
2
ρ=2[β Δv(h)/Δt g]/[v(h)+g Isp] или
G
C
C
C
2
ρ=2β Δv(h)/Δt g[v(h)+g Isp]
C
C
где h - высота облака 120; v - скорость облака; Δv - изменение орбитальной скорости и Δt - время полета сквозь облако 120.
Тормозящую поверхностную плотность (σG) можно оценить, как произведение тормозящей плотности и расстояния, проходимого за время Δt, чтобы получить тормозящую поверхностную плотность, σG, как
G
G
C
A
σ=ρ Δt(v+v)½
C
A
где последний член представляет собой среднюю скорость прохождения (среднее скорости v поступления на круговую орбиту и скорости v выхода с эллипса в апогее).
Облако 120 может обладать формой сферы, полусферы, сектора сферы (ограниченного конической формой) и сферы с удаленным сектором. Предпочтение, отчасти, зависит от того, имеют ли свойства газов тенденцию к сниженному или повышенному расширению газа Прандтля-Майера. Объем, находящийся ближе всего к оси облака 120, должен быть максимален для максимальной поверхностной плотности облака 120.
Облако 120 вызывает торможение меньшего космического мусора. В условиях космического пространства с чрезвычайно низким давлением это торможение является не обычным аэродинамическим торможением (например, формирование ударной волны), а скорее ″ньютоновским течением″, где отдельные молекулы газа налетают на быстро движущиеся частицы и вызывают торможение за счет обмена импульсами с этими частицами.
В некоторых вариантах осуществления облако 120 является относительно неподвижным и сталкивается с орбитальным мусором и замедляет орбитальное движение мусора. Большую часть относительной скорости ″сталкивающиеся частицы″ приобретают от орбитальной скорости мусора.
В других вариантах осуществления облако 120 создается для перемещения по встречной траектории относительно мусора с некоторой значительной скоростью (например, 1 км/с). Например, создающее облако устройство помещено на траектории, направленной противоположно орбитальному движению космического мусора. Это дает эффект снижения гравитационного притяжения устройства и продлевает время пребывания на высоте.
c
Газообразное облако 120 расположено на высоте h по меньшей мере 100 км выше уровня Земли. Высота ниже 100 км не используется, поскольку любой мусор на этой высоте уже находится на пути, который приведет к аэродинамическому торможению и орбитальному распаду. На высоте 100 км или выше значение, при котором создается аэродинамическое торможение, возрастает в виде непрерывной функции, без явных точек разрыва. Однако значительная часть космического мусора существует на относительно низких высотах, и 400 км - это репрезентативная рабочая высота для большинства спутников с малой высотой орбиты.
C
Газообразное облако 120 является неустойчивым. Газообразное облако 120 создается с плотностью и температурой для диссипации в течение нескольких секунд после создания и падения в атмосферу. Радиус r облака возрастает при конечной скорости расширения, а затем плотность облака 110 уменьшается. Центроид облака 120 совпадает с баллистической траекторией устройства, которое создает облако 120. Для суборбитальной траектории облако 120 будет в конечном итоге падать в атмосферу и исчезать. В зависимости от высоты газ может упасть назад в атмосферу в течение нескольких секунд (на высоте 100 км), десятков секунд (на высоте 400 км) или больше.
Можно создать более одного газообразного облака 120. Целью могут быть другие зона очистки над Землей, и облако может быть сформировано в каждой зоне. Не нацеливаясь на конкретные частицы, облака 120 действуют, как сети для очистки.
На фиг.4 показан способ создания облака. В блоке 400 ракетоноситель переносит устройство для создания облака на целевую высоту (например, от 100 до 400 км). Например, верхняя ступень ракетоносителя может подавать отбрасываемую массу и оборудование для газогенератора/расширения газа.
В блоке 410 газогенератор создает газ из отбрасываемой массы. В некоторых вариантах осуществления газ генерируется путем сжигания отбрасываемой массы, содержащей пережженный металл. Пережженным металлом может быть алюминий или металл с более высокой атомной массой, чем у алюминия. В других вариантах осуществления отбрасываемая масса представляет собой криогенный благородный газ, и газ генерируется путем испарения криогенного газа. В других вариантах осуществления газ генерируется путем испарения текучей среды с крупными молекулами с низким показателем адиабаты. В других вариантах осуществления газ генерируется посредством реакции элементов с высокой атомной массой с галогенами (например, фтором, хлором, бромом или йодом).
В блоке 420 расширение Прандтля-Майера газа осуществляется соплом. Углом выхода потока сопла может быть угол Прандтля-Майера, который модифицирует пространственное распределение расширенного газа. Выбор угла сопла позволяет до некоторой степени стянуть или размазать пространственное распределение. Угол Прандтля-Майера в плоскости выхода (в радианах или в градусах) является мерой потенциального поворота ультразвукового потока, в зависимости от числа Маха. Угол (ν) Прандтля-Майера может быть выражен, как:
1/2
2
2
1/2
ν=[(γ+1)/(γ-1)] arctan{[(γ-1)(M-1)/(γ-1)]1/2}-arctan[(M-1)]
Функция Прандтля-Майера сильно чувствительна к показателю (γ) адиабаты газа, с большими углами, возможными для низких значений показателя γ адиабаты.
E
E
Final
F
На фиг.5 показана камера 510 сгорания и ультразвуковое сопло 520 двигателя ракеты. Ультразвуковой поток газа выходит из камеры 510 сгорания и ускоряется до M*=1 в суженной части сопла 520. Поток газа затем ускоряется до ультразвуковой скорости u на выходе из сопла 520. По мере того как газ перемещается в область низкого давления, окружающую поток, давление на выходе потока заставляет поток расширяться вбок, таким образом, поворачивая поток наружу. На краю сопла это выглядит так, как будто поток поворачивает за угол. На деле расширение вызывает повышение числа M Маха на выходе потока до конечного числа M Маха. Конечная скорость потока обозначена u.
E
E
E
Final
конечн
F
На выходе сопла угол ν Прандтля-Майера зависит от показателя (γ) адиабаты отходящих газов на выходе сопла и выходного числа (M) Маха. Когда газ полностью расширен (M→∞) (M), предполагается, что угол Прандтля-Майера составляет ограничивающее максимальное (конечное) значение ν
F
1/2
ν=½π{[(γ+1)(γ-1)]-1}.
F
E
F
E
F
E
E
F
F
E
F
E
Разность между углами (θ-θ) на выходе сопла и конечным углом потока равна разности между выходным углом и конечным углом Прандтля-Майера (ν-ν), где (ν-ν) - угол поворота Прандтля-Майера. Когда геометрия сопла указана (включая установку угла θ на выходе сопла на некоторое значение), конечный выходной угол (θ) становится равным θ=θ+(ν-ν).
F
F
F
F
F
На фиг.8а-8с показано, как конечный выходной угол (θ) определяет форму облака. Конечный выходной угол θ может быть охарактеризован, как половина угла конуса конического потока из сопла (в центре номинально сферического облака). Для θ<90 градусов облако 810 представляет собой сферический сектор, который напоминает конус (фиг.8а). Для θ=90 градусов облако 820 представляет собой полусферу (фиг.8б). Для 90<θ<180 градусов облако 830 будет напоминать сферу с коническим отверстием в ее задней стороне.
На фиг.6 показано устройство 610 для создания газообразного облака. Принципиальные компоненты устройства 610 включают отбрасываемую массу 620, блок хранения 630 отбрасываемой массы 620, газогенератор 640 для создания газа из отбрасываемой массы 620 и выпускное сопло 650.
Для отбрасываемой массы, которая сгорает, газогенератор 640 может содержать камеру сгорания. Для отбрасываемой массы, которая не является реактивным соединением, которое испаряется, камера сгорания не нужна. Вместо этого газогенератор 640 должен содержать камеру для приема и смешивания химического экзотермического реагента и соединение для испарения. Отбрасываемая масса 620 может переноситься в фазе, которая является более компактной, чем газ (либо жидкость, либо твердое вещество).
E
E
-6
-8
2
Обычное ракетное сопло обладает формой колокола, причем угол (θ) выхода из сопла обычно сохраняется малым (θ≤15°). Ожидается, что обычный ракетный двигатель создает поверхностную плотность в диапазоне от 10 до 10 кг/м выше радиуса от 300 до 400 км. Однако эта поверхностная плотность недостаточна по меньшей мере на два порядка величины.
-3
-8
2
Необходимая поверхностная плотность от 10 до 10 кг/с может быть достигнута путем управления конечной скоростью выхода, общим выходящим потоком и временем выброса отбрасываемой массы. Время выброса - это время до полного выброса отбрасываемой массы из газогенератора 640. В случае ракетного двигателя, например, время выброса равно времени сжигания ракетного топлива. Время сжигания можно сократить, увеличив давление в камере. Когда время сжигания сокращено, радиус облака должен уменьшаться, а заключенная в нем плотность вещества - возрастать. Конечная скорость выброса и общий выходящий поток и время выброса представляют собой независимо управляемые параметры. Изменение любого из этих параметров может привести к изменению размера и поверхностной плотности, но не будет влиять на другие два параметра.
Нужная поверхностная плотность может быть достигнута отчасти за счет химического состава отбрасываемой массы 620. Увеличение молекулярной массы и снижение температуры позволяет повысить плотность облака и замедлить расширение облака. Отбрасываемая масса 620 может содержать алюминий (26,98 единиц атомной массы) или пережженный металл с высокой атомной массой. Предпочтительные пережженные металлы включают, но не ограничиваются этим, титан (47,87 единиц атомной массы), цирконий (91,22 единиц атомной массы) и обедненный уран (238,03 единиц атомной массы). Эти более тяжелые металлы увеличивают плотность облака. Некоторые другие металлы также будут снижать скорость выходящего потока, что дополнительно уменьшает радиус облака.
Другой тип отбрасываемой массы 620 содержит криогенный благородный газ, который испаряется. Испаряемый газ обладает более низкой температурой при выгрузке и более высоким показателем адиабаты. Благородные газы, которые могут храниться криогенно, включают, но не ограничиваются этим, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Согласно соотношениям Прандтля-Майера, высокое значение у приводит к малым конечным углам поворота, что дает возможность выгрузки облака, которое будет больше похоже на конический сектор сферы.
Другим типом отбрасываемой массы 620 является текучая среда с крупными молекулами с низким показателем адиабаты. Примеры таких текучих сред включают тетрафторметан, тетрафторэтилен, гексафторэтилен и гексафторпропилен, октафторпропан, октафторциклобутан, декафторбутан, перфторгексан, перфтордекалин, ксенондифторид, тетрафторид ксенона, пентафторид брома, пентафторид йода, пентафторид сурьмы, гексафторид молибдена, гексафторид вольфрама и гептафторид йода.
Чтобы испарять эти текучие среды газогенератор может содержать испаритель. В качестве примера испаритель может включать химический реактор постоянного объема, который нагревает текучую среду в испарительных трубах. В качестве другого примера испаритель может включать камеру сгорания в обычной ракете и теплообменники.
Другим типом отбрасываемой массы 620 являются элементы с высоким атомным весом, реагирующие с галогенами (фтором, хлором, бромом или йодом). Продукты сгорания получаются при сгорании окислителей галогенов (валентность -1) и металлсодержащего горючего с валентностью +1, +2 или +3. Примеры продуктов сгорания включают, но не ограничиваются этим, бромид кальция, хлорид бария, йодид рубидия, бромид цезия, трихлорид индия, бромид стронция, трибромид бора, йодид цезия, йодид бериллия, трибромид алюминия, пентафторид тантала, йодид магния, йодид кальция, бромид бария, трибромид галлия, йодид стронция, трибромид индия, пентахлорид тантала, йодид бария, трийодид бора, трийодид алюминия, трийодид галлия и пентабромид тантала.
-5
-6
2
На фиг.7 показано другое устройство 710 для создания газообразного облака. Первый и второй газогенераторы 720 и 730 и соответствующие сопла 740 и 750 объединены вдоль общей оси (А), почти рядом. Сопла 740 и 750 направлены под углом 180 градусов в разные стороны, и газогенераторы 720 и 730 поджигаются одновременно, чтобы тяга с двух сторон была, по существу, уравновешенной, что позволяет устройству 710 длительное время сохранять исходные кинематические свойства и траекторию. Устройство 710 может создавать облака с поверхностной плотностью от 3×10 до 10 кг/м свыше радиуса 100 км. Устройство 710 позволяет радикально повысить общую отбрасываемую массу.
В некоторых вариантах осуществления несколько устройств 710 могут быть собраны в даже больший узел. Например, могут быть использованы 2х и 6х группы устройств 710. Сопло в настоящем документе не ограничено выходным углом Прандтля-Майера. В некоторых вариантах осуществления сопло может обладать формой ″раструба″, когда выходной угол сопла возрастает с расстоянием от суженой части к выходу. В других вариантах осуществления сопло может иметь коническую форму.