СПОСОБ ОЧИСТКИ ОРБИТ ОТ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА ОСТАТОЧНЫМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
METHOD FOR CLEANING ORBITS FROM SPACE DEBRIS BY RESIDUAL AERODYNAMIC ACTION OF THE EARTH'S ATMOSPHERE

Настоящее изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки космического пространства от техногенного и космогенного (природного) загрязнения, в том числе от фрагментов и обломков космических аппаратов (КА).
В 1993 году по инициативе Российской Федерации на уровне национальных космических агентств был создан Межагентский координационный комитет по космическому мусору (МККМ, Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC)), изначально включавший в себя делегатов от Российской Федерации, NASA (США), ESA (Европа) и JAXA (Япония). В дальнейшем к составу участников Комитета присоединились национальные космические агентства Китая, Франции, Великобритании, Индии, Германии, Италии, Украины, Канады и Южной Кореи. В документации, выпускаемой МККМ, принято следующее определение: «Космический мусор (КМ) – это все искусственные (техногенные) объекты, включая фрагменты и элементы, находящиеся на околоземной орбите или возвращающиеся в атмосферу, не функционирующие по целевому назначению».
По информации отдела по космическому мусору Европейского Космического Агентства (ESA's Space Debris Office) размер объектов космического мусора, которые находятся на околоземной орбите, достаточно широко варьируется: от микрочастиц до не функционирующих космических аппаратов размером с автобус. То же самое можно сказать и о массе данного мусора. Большие объекты могут весить около 6 и более тонн, в то время как вес малых частиц составляет всего несколько граммов. Все эти объекты перемещаются в космосе на разных орбитах и с разными скоростями: от 10 тыс. км/ч до 25 тыс. км/ч. В случае столкновения таких частей космического мусора друг с другом или с каким-либо спутником, движущимися в противоположных направлениях, их относительная скорость встречи может достигать 50 тыс. км/ч. На круговой орбите высотой до 200 км время дрейфа КМ равно нескольким дням, на орбите высотой 600 км – 25 - 30 годам, на орбитах высотой 1000 км – двум тысячелетиям, а на орбитах более 2000 км КМ будет находиться практически вечно.
На текущий момент весьма актуальной является проблема засорённости околоземного космического пространства (ОКП) заключающаяся в том, что неуправляемые искусственные объекты на околоземных орбитах являются источником опасности вероятного столкновения с КА, функционирующими по целевому назначению, которое может привести к повреждению или выходу рабочего КА из строя. В связи с активным использованием ОКП человечеством, с каждым годом растет степень техногенного загрязнения орбит эксплуатации КА, что будет способствовать увеличению столкновений. Кроме того, существует угроза неуправляемого схода с орбиты крупногабаритных космических объектов, что может привести к значительному ущербу на поверхности Земли.
Предлагаемое изобретение относится к бесконтактным способам воздействия на объект КМ. Бесконтактный способ увода объектов КМ с орбиты имеет следующие особенности:
– имеет возможность многоразового использования технического средства утилизации КМ – сервисного космического аппарата (СКА), для увода, как объектов, так и фрагментов КМ;
– имеет возможность воздействия на объекты КМ, обладающие сложной формой и обладающие сложным вращением в нескольких плоскостях;
– требует обеспечения постоянного контроля относительного движения СКА и объектов КМ.
Аэродинамическое торможение «следами атмосферы» искусственного плазменного образования (ИПО) с КМ может осуществляться с помощью СКА, создаваемых с целью осуществления очистных мероприятий в околоземном пространстве. Данные СКА могут быть созданы по модульному принципу построения на базе космических платформ, имеющих летную квалификацию. СКА должен иметь в своем составе бортовые системы, способные обеспечить: функционирование СКА на участке выведения на орбиту, маневрирование, межорбитальное перемещение и выполнение целевых задач в течение срока эксплуатации.
В данном способе утилизации КМ предлагается использовать слабое сопротивление следов атмосферы для торможения посредством ИПО большого диаметра, окружающего и взаимодействующего с облаком КМ, возникающими электромагнитными силами. Увеличение аэродинамического сопротивления ИПО совместно с утилизируемым КМ, обеспечивается с помощью запускаемого с СКА генератора ИПО, создающего газопылевое заполнение пустот между твердыми фрагментами скопления КМ и окружающим КМ пространством. Воздействие аэродинамических сил следов атмосферы, вследствие их малости, приводит к снижению и диспергированию КА, отработавшего свой срок на орбите функционирования высотой 800 км, только через ~300 лет. При увеличении миделева сечения этого составного ИПО с окруженным газопылевой плазменной средой КМ на два порядка с упрочненными связями объектов среды друг с другом, время очистки ОКП ориентировочно составит три года.
2
2
3
2
2
4
2
5
Из существующего уровня техники известно изобретение «Способ очистки космоса от объектов космического мусора», патент RU № 2478062, МПК B64G 1/00, B64G 99/00, опубл. 27.03.2013, которое относится к космической технике. Способ очистки космоса от космического мусора обеспечивает торможение объектов космического мусора с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием объектов в атмосфере Земли. На пути следования объектов космического мусора создается препятствие в виде пространственно распределенных частиц. Частицы оказывают ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора. В качестве материала частиц используют продукты окисления азота, предпочтительно оксиды азота I, III, IV, V - NO, NO, NO, NO, NO. Агрегатным состоянием вещества частиц является твердое тело. Размер частиц материала для оказания воздействия на объекты космического мусора выбирается в зависимости от размера объектов. Данный способ принят за прототип.
Недостатками данного способа являются: необходимость достаточного сближения с КМ, возможность рассеяния облака частиц до момента утилизации космического мусора, малая эффективность при торможении крупногабаритных, а также очень мелких объектов, высокая вероятность умножения частиц КМ при столкновении.
При проведении анализа результатов патентно-информационного поиска выявлено наличие запатентованных способов по утилизации КМ, а также СКА различной модификации, но отсутствие идентичного результата интеллектуальной деятельности с предложенной совокупностью признаков в данном изобретении.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является аэродинамическое торможение «следами атмосферы» КМ посредством ИПО большого диаметра для термической утилизации в плотных слоях атмосферы.
Поставленная задача решается за счет того что, способ очистки орбит с остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли от КМ, характеризующийся тем, что очистка от объектов КМ достигается торможением объектов КМ с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. Для торможения объектов КМ посредством сопротивления следов атмосферы используют СКА, сопровождающий КМ, который снабжен лазерной установкой, устройством, отстреливающем в сторону объектов КМ генератор ИПО, создающий при попадании в скопление объектов КМ облако мелкодисперсных частиц с легкоионизируемыми щелочными и щелочноземельными веществами, в результате чего образуется ИПО, имеющее площадь миделева сечения, на несколько порядков превосходящую совокупную площадь миделевых сечений объектов КМ по отдельности. При этом за счет увеличения площади миделева сечения ИПО с утилизируемыми объектами возрастают величины аэродинамических сил, обеспечивающих ускоренный спуск КМ с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием. Причем ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения, генерируемого лазерной установкой.
Схема функционирования СКА включает многократное повторение последовательности следующих операций: выбор объекта КМ, выполнение маневра сближения, отстреливание генератора ИПО, сопровождение КМ и поддержание ионизированного состояния ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты, возвращение на целевую орбиту.
Первоначальный объект КМ может иметь крупные габариты, относительно которого под действием ИПО будут удерживаться мелкие объекты КМ при столкновении с увеличением численности объектов КМ в ИПО.
В состав СКА входит двигательная установка для межорбитального перемещения, а также двигательные блоки ориентации и коррекции.
Компенсирующее воздействие при отстреливании генераторов ИПО будет оказывать двигательная установка для межорбитального перемещения.
В качестве источника электрической энергии используют ядерную энергетическую установку.
СКА имеет запас генераторов ИПО, с возможностью пополнения, выполненного в виде обоймы.
Генераторы ИПО могут быть выполнены с возможностью фиксации к объекту КМ.
В состав СКА входит система видеонаблюдения.
Техническими результатами являются:
– самоорганизация процессов, приводящих к «сращиванию плазменной среды» и КМ в единую материальную структуру, способную противостоять рассеянию аэродинамическим воздействиям следов атмосферы на околоземных орбитах, а также умножению и рассеиванию частиц КМ при столкновениях;
– сокращение времени дрейфа (баллистического полета после окончания срока активного существования космического средства) КМ на орбите ОКП;
– термическая утилизация КМ в плотных слоях атмосферы.
Сущность изобретения поясняется чертежами (схемами), на которых изображено:
на фиг. 1 – СКА вид спереди;
на фиг. 2 – СКА вид снизу;
на фиг. 3 – процесс создания ИПО;
на фиг. 4 – сопровождение КМ и поддержание ионизированного состояния ИПО.
Способ очистки орбит с остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли от КМ 9, характеризующийся тем, что очистка от объектов КМ 9 достигается торможением объектов КМ 9 с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. Для торможения объектов КМ 9 посредством сопротивления следов атмосферы используют СКА 11, сопровождающий КМ 9, который снабжен лазерной установкой 3, устройством 5, отстреливающем в сторону объектов КМ 9 генератор 7 ИПО, создающий при попадании в скопление объектов КМ 9 облако 8 мелкодисперсных частиц с легкоионизируемыми щелочными и щелочноземельными веществами, в результате чего образуется ИПО 10, имеющее площадь миделева сечения, на несколько порядков превосходящую совокупную площадь миделевых сечений объектов КМ 9 по отдельности. При этом за счет увеличения площади миделева сечения ИПО 10 с утилизируемыми объектами возрастают величины аэродинамических сил, обеспечивающих ускоренный спуск КМ 9 с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием. Причем ионизированное состояние ИПО 10 до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения 6, генерируемого лазерной установкой 3.
Схема функционирования СКА 11 включает многократное повторение последовательности следующих операций: выбор объекта КМ 9, выполнение маневра сближения, отстреливание генератора 7 ИПО (фиг. 3), сопровождение КМ 9 и поддержание ионизированного состояния ИПО 10 до завершения спуска с околоземной орбиты (фиг. 4), возвращение на целевую орбиту.
Первоначальный объект КМ 9 может иметь крупные габариты, относительно которого под действием ИПО 10 будут удерживаться мелкие объекты КМ 9 при столкновении с увеличением численности объектов КМ 9 в ИПО 10.
В состав СКА 11 входит двигательная установка 4 для межорбитального перемещения, а также двигательные блоки 1, 2 ориентации и коррекции (фиг. 1, 2).
Компенсирующее воздействие при отстреливании генераторов 7 ИПО будет оказывать двигательная установка 4 для межорбитального перемещения.
В качестве источника электрической энергии используют ядерную энергетическую установку (не показано на чертежах).
СКА 11 имеет запас генераторов 7 ИПО, с возможностью пополнения, выполненного в виде обоймы (не показано на чертежах).
Генераторы 7 ИПО могут быть выполнены с возможностью фиксации к объекту КМ 9, например, с помощью встроенных в корпус магнитов.
В состав СКА 11 также входит система видеонаблюдения (не показано на чертежах).
.
После «окружения» КМ мелкодисперсным образованием, сформированным с помощью запускаемого с СКА генератора ИПО, начинают протекать процессы формирования отрицательных зарядов на поверхностях твердых элементов КМ и положительного заряда в газопылевой среде. Процесс заряжения твердых осколков КМ отрицательным зарядом обусловлен значительно большей скоростью теплового движения в плазменной среде электронов по сравнению со скоростью других – более тяжелых частиц плазмы (ионов и пылевых частиц). Соответственно, в объеме газопылевой плазмы из-за потери вследствие указанной конденсации электронной компоненты появится положительный пространственный заряд. Кулоновские взаимодействия положительно заряженной атмосферы с отрицательно заряженными объектами твердого мусора приведут к прекращению интегрального перемещения указанных ингредиентов искусственного облака относительно друг друга. Таким образом, осуществляется формирование у КМ облака ИПО с повышенной плотностью по сравнению с плотностью среды, окружавшей КМ до срабатывания генератора ИПО. Электрические взаимодействия обусловливают дальнейший совместный орбитальный полет ИПО, состоящего из плотной газопылевой атмосферы и твердых фрагментов космического мусора. Понятно, что размеры и форма ИПО зависят от напряженности электростатического поля в объеме атмосферы, что, в свою очередь, является функцией степени ионизации плазмы, окружающей КМ. Изменяя степень ионизации можно осуществлять управление массогабаритными параметрами ИПО, площадь миделевого сечения которого на порядки превосходит сумму площадей миделевых сечений осколков КМПри этом тормозящее действие сил аэродинамического сопротивления следов атмосферы Земли также увеличивается на порядки. Интенсификация процесса торможения КМ в составе ИПО приводит к ускоренному снижению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, в которых произойдет его утилизация.
Таким образом, торможение космического мусора и утилизация его в плотных слоях атмосферы осуществляется за счет слабых аэродинамических сил остатков земной атмосферы, интегральное действие которых увеличивается развитием площади миделевого сечения искусственного плазменного образования, включающего в свой состав КМ.
Известно, что плазма – это неструктурированная квазинейтральная среда, состоящая из большого числа заряженных частиц с коллективной динамикой. Главным отличием плазмы от нейтрального газа является свойство амбиполярной диффузии, т.е. наличие постоянной электромагнитной связи частиц, обладающих зарядом. Вследствие чего при попытке добавления или изъятия частиц облака плазмы обязательно возникнут противодействующие силы, что, в свою очередь, приведёт к изменению динамики всего облака плазмы. Поэтому плазму считают четвертой фазой вещества, обладающей новыми свойствами. Для не ионизованного газа характерны тепловые движения нейтральных частиц (атомов, молекул, кластеров, пылеобразных частиц вещества и т.д.), представляющие совокупность прямых отрезков (броуновское движение), а для движения заряженных частиц плазмы присущи законы электромагнитного взаимодействия, в результате чего возникают силы, которые искривляют траектории частиц.
Степень ионизации плазмы – это отношение числа ионов к первоначальному числу атомов, которое варьируется в зависимости от факторов, характеризующих плазменную среду (процесс ионизации, температура), и от скорости её рекомбинации (воссоединение противоположно заряженных частиц и образование нейтральных атомов). Полностью ионизированная плазма, состоящая только из свободных атомных ядер и электронов, является редко встречающимся явлением, так как в реальных условиях в ней имеется некоторая часть нейтральных частиц. В плазме, имеющейся в ионосфере Земли, заряженные частицы составляют малую долю. Для удержания плазменной среды, окружающей объекты КМ, при полете в условиях наличия аэродинамического обдува следами земной атмосферы, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электростатического поля разноименных зарядов: как отмечалось, отрицательного – на поверхностях твердых тел и положительного – в объеме окружающей эти тела плазмы.
С этой целью используются физические процессы, протекающие в газоплазменных образованиях при наличии в них пыли, которые формируют явления повышенного силового взаимодействия твердых пылевых частиц с газоплазменной средой. Усиление кулоновского притяжения частиц друг к другу сопряжено с образованием высоких электрических потенциалов на поверхностях пылинок по сравнению с потенциалами элементарных частиц в газоплазменной области. Конденсация электронной компоненты плазмы приводит к заряжению пылинок, величиной, равной нескольким тысячам зарядов электронов. Напомним, что такая селекция обусловлена преимущественной конденсацией на поверхностях твердой пыли легкой, а значит быстро движущейся электронной компоненты плазмы, по сравнению с потоком тяжелых, то есть, медленных положительных ионов.
Создание и сохранение электрически «вязкой» среды необходимо для повышения устойчивости нового ИПО, состоящего из газопылевого заполнения пустот между твердыми фрагментами скопления КМ, а также заполнения окружающего КМ пространства.
Итак, миделево сечение искусственного плазменного образования на порядки превосходит сумму миделевых сечений отдельных твердых фрагментов скопления КМ, что обеспечивает более интенсивное аэродинамическое торможение ИПО и последующую его утилизацию в плотных слоях земной атмосферы. Кроме того, с целью усиления электрических взаимодействий в объеме искусственного плазменного образования следует произвести инжекцию в его среду легкоионизируемых щелочных и щелочноземельных пылеобразных веществ, способных создавать высокую степень ионизации плазмы, а значит получать значительные величины зарядов на твердых фрагментах КМ.
Li, Ba, Na, Cs
Известны способы диспергирования в космос с помощью генераторов ИПО таких элементов, как . В случае необходимости усилить электростатическое взаимодействие для повышения способности газопылевой плазмы удерживаться в окружении КМ (при увеличивающейся интенсивности аэродинамического воздействия следов земной атмосферы) можно использовать дополнительно к космическому ионизирующему излучению воздействие лазерного излучения необходимой мощности. Для выполнения указанных операций в состав оборудования СКА наряду с генератором ИПО входит ультрафиолетовая лазерная установка, работающая в режиме «сканирования» с возможностью наведения на КМ и изменения угла воздействия и границ «конуса воздействия».
В настоящее время потребности КА в энергии и ресурсе функционирования постоянно возрастают, что приводит к необходимости использования более мощных бортовых источников электрической энергии. Поэтому в качестве альтернативы солнечным батареям, предлагается использовать ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Проектируемые ЯЭУ космического базирования будут способны вырабатывать сотни киловатт и единицы мегаватт электрической энергии при сроках активного функционирования, достигающих 10 и более лет.
Понятно, что при появлении в ИПО пыли, электроны конденсируются на поверхности каждой пылинки, заряжая её коллективным отрицательным зарядом. Поле отрицательного заряда пылинок препятствует приближению к их поверхностям электронов вплоть до полного прекращения их конденсации. Это означает, что наступило насыщение в процессе отрицательного заряжения пылинок. Далее происходит притягивание к окрестности пылинок тяжелых положительных ионов, создающих в указанных областях положительные многозарядные области, получившие название - «положительные шубы». При этом с поверхностей пылинок активизируются процессы эмиссии электронного тока, первоначально приводящие к снижению их отрицательных зарядов, а затем к образованию положительной заряженности вследствие наступления дефицита электронов. Эмитирующие из поверхностей пыли электроны осуществляют нейтрализацию положительных шуб. С некоторого значения напряженности положительного электростатического поля процессы перезарядки пылинок повторяются вновь, что означает появление осцилляции зяряженности пылевой составляющей плазмы. Поскольку процессы осцилляции заряженности каждой отдельно взятой пылинки протекают не синхронно, то одномоментное существование как положительно, так и отрицательно заряженных частиц пылевой составляющей плазмы приводит к протеканию структурирования среды.
Пылевые образования наблюдались в разных типах плазмы: газоразрядной, термической, ядерно-возбуждаемой. Во всех случаях главной причиной образования упорядоченных пылевых структур является электрический заряд. Причем заряд может быть изначально положительным из-за ультрафиолетового облучения частиц, как результат фотоэлектронной эмиссии с их поверхностей. В термической плазме заряды пылинок также могут быть положительным вследствие термоэлектронной эмиссии с поверхностей частиц. В ядерно-возбуждаемой плазме поток электронов () может зарядить частицу отрицательно, но вторичная электронная эмиссия (эффект Шоттки – явление вырывания электронов из поверхности пылинки положительным полем «шубы» или «туннельный эффект») может изменить знак заряда на положительный.
Одновременно будут протекать и другие процессы упорядочения структуры плазменной пылевой среды и образования кристаллической (кулоновской) плазмы. Например, процесс смещения электронов, находящихся на поверхностях пылинок, на удаленную часть этих поверхностей при приближении к ним соседних пылинок, тоже имеющих отрицательный заряд. Такое смещение приведет к созданию частиц-диполей, имеющих с одной стороны положительный потенциал, а с другой отрицательный. Ориентация соседних частиц сторонами с противоположными знаками друг к другу также приведет к их упорядоченному сцеплению за счет электростатических сил. Указанные обстоятельства позволяют прогнозировать образование электростатических связей между разноименными зарядами, приводящих к нейтрализации зарядов пылинок в момент их соединения в упорядоченную структуру. Так формируется упорядоченная структура, состоящая из пылевых частиц, то есть структурированная плазма.
Как видим, в газопылевой плазме самоорганизуются процессы, приводящие к «сращиванию плазменной среды» и КМ в единую материальную структуру, способную противостоять рассеянию аэродинамическим воздействием следов атмосферы на околоземных орбитах.
На фиг. 3 схематически представлены процессы создания ИПО, вследствие разделений зарядов, протекающих на поверхностях крупных фрагментов космического мусора и формирование их сцепления с газопылевой средой, приводящие к образованию единой несущей системы с миделевым сечением, на порядки превосходящим совокупность миделевых сечений объектов космического мусора. Указанное обстоятельство позволяет сделать вывод о пропорциональном увеличении силы аэродинамического сопротивления, действующего на ИПО, способной обеспечить эффективное торможение КМ и снижение высоты его орбиты до внедрения в плотные слои атмосферы Земли, где происходит его термическая утилизация.