МНОГОРАЗОВЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ-БУКСИР ДЛЯ УБОРКИ КРУПНОГАБАРИТНОГО КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
TOWING SPACE SHUTTLE FOR REMOVAL OF LARGE-SIZE SPACE DEBRIS

Многоразовый космический аппарат-буксир может быть использован при разработке космических аппаратов для решения актуальной задачи борьбы с крупногабаритными объектами «космического мусора» - верхними ступенями ракет-носителей, отработавшими космическими аппаратами, представляющими большую опасность для отдельных космических аппаратов. Известен, в частности, случай столкновения в 2009 г. выведенного из эксплуатации спутника «Космос-2251» с американским спутником Иридиум, при этом образовалось свыше 600 обломков.
Периодически возникают аварийные ситуации, касающиеся Международной Космической станции.
22 января 2013 года малый научный российский спутник BLITS был поврежден в результате столкновения с элементами «космического мусора».
По состоянию на 2012 год вокруг Земли летает 16000 объектов размером более 10 сантиметров и сотни миллионов более мелких кусочков мусора.
В этих условиях возникает необходимость в срочных и масштабных работах по созданию космических аппаратов для уборки «космического мусора».
Известен спутник-уборщик «космического мусора» CleanSpace One, разработанный швейцарскими учеными политехнической школы EPFL в г. Лозанна и представленный в электронном научно-популярном журнале «Мембрана» (http://www.membrana.ru).
Специалисты EPFL поясняют, что CleanSpace One - это проект по созданию целой линейки орбитальных уборщиков, размеры и детали строения которых будут приспособлены для захвата и сведения с орбиты самых разных старых аппаратов.
Новый спутник должен перехватывать «мертвые» аппараты или крупные обломки мусора и сводить их с околоземной орбиты, направляя в океан.
В качестве пробной цели разработчики намерены использовать один из двух пикоспутников. Кандидатура номер один - Swisscube. Это первый спутник швейцарского производства, созданный как раз в EPFL и запущенный в космос в 2009 году. Второй претендент на принудительное удаление с орбиты - опять же швейцарский Tlsat, запущенный в 2010 г.
Швейцарцы намерены стать пионерами в деле очистки околоземного пространства от космического мусора.
После вывода на орбиту CleanSpace One при помощи ионных двигателей начнет менять ее параметры так, чтобы аккуратно сойтись с целью, летящей несколько выше или ниже.
Сблизившись до минимального расстояния, мусорщик должен захватить бездействующий спутник или фрагмент разрушенного аппарата при помощи манипулятора. Строение этого универсального захвата будет подражать какому-нибудь природному аналогу - части растения или животного, сообщают швейцарцы.
Момент захвата, безусловно, самый ответственный во всей операции. Ведь спутник-цель не только способен сам маневрировать для стыковки, но некоторые такие аппараты вдобавок хаотично вращаются.
Принципиальным недостатком КА CleanSpace One является его оснащение устройством захвата КА-цели, рассчитанным на непосредственный контакт двух КА. Это определяет сложность конструкции устройства захвата и процесса маневрирования КА-буксира при его сближении с КА-целью.
Кроме этого, конструкция устройства рассчитывается на захват КА-цели с определенными габаритными размерами, что резко сокращает область применения конкретного КА-буксира. Многоразовое применение такого КА-буксира представляется также маловероятным.
Целью изобретения является устранение этих недостатков.
Указанная цель достигается тем, что в многоразовом КА-буксире, содержащем корпус, приборный отсек с системой управления, двигательную установку, солнечные батареи и устройства дистанционного захвата «космического мусора» для уборки «космического мусора», каждое устройство захвата выполнено в виде находящегося в стакане космического копья с оперением и поршнем, установленного на корпусе космического аппарата-буксира, при этом в донной части стакана имеется пороховой двигатель, снабженный двумостиковым пиропатроном его поджига, а снаружи стакана устройства захвата установлен пневматический клапан для подачи сжатого газа внутрь этого стакана.
На представленных на фиг.1 - фиг.3 изображены: корпус 1, приборный отсек 2 с системой управления 3, двигательная установка 4, солнечные батареи 5, головки самонаведения 6, оснащается несколькими устройствами дистанционного захвата «космического мусора» 7. Общий вид устройства дистанционного захвата «космического мусора» представлен на фиг.4-7.
Каждое устройство захвата выполнено в виде космического копья 8 с оперением 9 и поршнем 10. Оперение изготавливается из рессорно-пружинной стали.
Космическое копье размещается в стакане 11 и установлено на корпусе космического аппарата-буксира.
Две части космического копья, одна с оперением 9, а другая с поршнем 10 соединяются с помощью срезного элемента (проволоки) 14.
Снаружи устройства захвата «космического мусора» устанавливается пневматический клапан 15 для подачи сжатого газа внутрь стакана 11 и клапан 16 для стравливания пороховых газов из стакана 11.
Герметичность стакана обеспечивается уплотнительными кольцами 17 и 18.
КА-буксир функционирует следующим образом.
На первом этапе полета с использованием двигательной установки КА-буксира 4 и головки самонаведения 6 осуществляется сближение КА-буксира с КА-целью, на конечном этапе которого обеспечивается оптимальная ориентация КА-буксира относительно КА-цели, при которой продольная ось КА-буксира становится перпендикулярной к одной из граней корпуса КА-цели.
После достижения оптимального расстояния между КА-буксиром и КА-целью система управления КА-буксира 3 посылает электрический сигнал на двухмостиковый пиропатрон установки космического копья 8, с помощью которого срабатывает пороховой двигатель 12, обеспечивающий разгон космического копья 8 с оперением 9 и поршнем 10 с большой скоростью, его ударное заглубление внутрь корпуса КА-цели. Затем с помощью клапана 16 осуществляется стравливание пороховых газов из стакана 11.
После этого с помощью пневматического клапана 15 осуществляется подача сжатого газа внутрь стакана 11, в результате чего происходит перемещение космического копья 8 и одновременное подтягивание КА-цели к КА-буксиру вплоть до их контакта. Оперение 9 при этом препятствует выходу космического копья 8 из корпуса КА-цели. На этом заканчивается операция захвата КА-буксиром КА-цели.
На втором этапе осуществляется баллистический маневр по переводу связки КА-буксир - КА-цель на траекторию полета КА-цели к Земле или на орбиту хранения КА-цели.
На заключительном этапе полета с помощью двигательной установки 4 КА-буксира осуществляется отделение КА-цели от КА-буксира. При этом с помощью пневматического клапана 15 осуществляется подача сжатого газа внутрь стакана 11 с давлением достаточным для срабатывания срезного элемента 14 и разделения космического копья на две части: одна часть с оперением 9, уходящая с КА-целью, другая с поршнем 10, остающаяся на КА-буксире.
После этого КА-буксир осуществляет полет для захвата следующей КА-цели. Общее число таких КА-целей определяется запасами топлива двигательной установки КА-буксира и числом устройств захвата «космического мусора».
Техническим результатом предложения, основанного на использовании устройств захвата «космического мусора», является возможность дистанционного захвата КА-буксиром отработавших крупногабаритных космических объектов и возможность многоразового применения КА-буксира в процессе полета, а также его перевода на орбиту хранения или на траекторию входа в атмосферу Земли.
Конструкция КА-буксира основана на использовании существующей элементной базы, что обеспечивает минимальные сроки и стоимость его создания.
Представляется целесообразным использование КА-буксира в рамках Международного сотрудничества и на коммерческой основе для решения актуальных задач, в том числе для очистки орбитальных позиций спутника на геостационарной орбите (ГСО) от отработавших спутников, например, связных, путем их перевода на орбиту хранения, высота которой на ~200 км больше высоты ГСО.