Устройство защиты космического аппарата обслуживания от рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта
DEVICE FOR PROTECTION OF SPACECRAFT FROM SCATTERED PARTICLES FROM SURFACE OF IRRADIATED OBJECT

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА).
Известны защитные средства, обеспечивающие штатное выполнение рабочего процесса за счет ограничения воздействия неблагоприятных сопутствующих факторов.
Например, известно техническое решение донной защиты хвостового отсека от газодинамического воздействия струй работающих жидкостных ракетных двигателей по патенту № RU 2534464.
Необходимость учета воздействия сопутствующих факторов возникает также при транспортировке космических объектов.
Например, требования ограничения воздействия неблагоприятных сопутствующих факторов возникают при реализации транспортировки нефункционирующих космических аппаратов, являющихся космическим мусором, с целью расчистки и обеспечения безопасности космического пространства.
Аналогами предлагаемого изобретения являются: многоразовый космический аппарат-буксир для уборки космического мусора - патент № RU 2510359 (27.03.2014), способ очистки космического пространства от объектов космического мусора, описанный в патенте № RU 2478062 (опубликован 27.03.2013).
Известно техническое решение по патенту № RU 2568960 «Способ бесконтактной транспортировки космических объектов». По этому способу осуществляют удаление космических объектов из защищаемой области космического пространства на орбиту захоронения.
Сервисный КА выводится ракетой-носителем на расчетную геостационарную орбиту, на которой находится транспортируемый КО.
После этого производятся сближение КА с транспортируемым КО на заданное расстояние и ориентация КА. Сближение и ориентация производятся с помощью ДУ путем создания импульсов сил и моментов, действующих относительно центра масс сервисного КА. Измерение координат пространственного положения и расстояния между КА и КО осуществляется с помощью радиолокационной системы и оптических средств измерений, размещенных на борту КА.
Расстояние между КА и КО выбирается из условия эффективного воздействия на поверхность КО квазинейтральным ионным пучком, генерируемым источником ионов. Для предполагаемых к обслуживанию по транспортировке КО расстояние выбирается в диапазоне от 4 до 8 характерных размеров L КО. При размере КО L≅5 м расстояние между КА и КО должно быть в диапазоне от 20 до 40 м. Для использования импульса ионного пучка с максимальной эффективностью при указанных расстояниях полуугол расходимости β/2 пучка должен быть не более 3°. С увеличением расстояния D значение полуугла расходимости β/2 ионного пучка, необходимое для эффективной транспортировки КО, уменьшается.
В качестве прототипа выбрано изобретение, реализующее использование ионного пучка для бесконтактной транспортировки космических объектов (патент № RU 2568960 «Способ бесконтактной транспортировки космических объектов»).
Недостатком технического решения по прототипу является воздействие на системы КА рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта.
Осаждение этих рассеянных частиц на космический аппарат приводит к нарушению работоспособности его оптических, радиолокационных и обеспечивающих систем, устройств и снижению срока активного существования. Установка защитных крышек, колпачков, створок на элементы КА непосредственно на корпус космического аппарата усложняет и утяжеляет конструкцию КА.
Целью предлагаемого изобретения является защита приборов и систем КА обслуживания от воздействия рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта.
Сущность изобретения заключается в оснащении космического аппарата разворачиваемым устройством, создающим защитную поверхность перед приборами и датчиками системами космического аппарата обслуживания, воспринимающую на себя воздействие рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта, возникающих в процессе работы излучателя ионного пучка.
Устройство защиты космического аппарата обслуживания от рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта, обеспечивающее создание преграды на пути потока этих частиц, выполняют в виде прикрепленной к космическому аппарату со стороны источника ионного пучка гибкой защитной поверхности, свернутой на стержне из композиционного материала с пружинными разворачиваемыми лентами по краям, удерживаемыми стопорным механизмом, который отключают электровыключателем по команде от блока управления КА в момент начала генерации ионного пучка на объект воздействия.
Гибкая защитная поверхность создана слоями пленки в виде пакета, соединенного трубопроводом с баллоном сжатого газа через электровыключатель, управляемый по команде от блока управления.
Гибкая защитная поверхность снабжена не менее чем одним окном для пропуска ионного пучка.
Устройство может быть снабжено механизмом сворачивания и разворачивания гибкой защитной поверхности, содержащим электропривод с двигателем и редуктором, управляемым по команде от блока управления, размещенным на конце стержня для сворачивания гибкой защитной поверхности.
Сущность устройства иллюстрируют рисунки:
фиг. 1 - принципы работы КА обслуживания при транспортировке КО;
фиг. 2 - устройство защиты КА обслуживания в нерабочем положении;
фиг. 3 - устройство защиты КА обслуживания в рабочем положении;
фиг. 4 - устройство защиты КА обслуживания в рабочем положении с наддувом защитной поверхности;
фиг. 5 - устройство защиты КА обслуживания в рабочем положении со сменной защитной поверхностью;
фиг. 6 - применение устройства защиты КА обслуживания при работе источника ионного пучка в процессе транспортировки КО.
Реализация бесконтактной транспортировки космических объектов из защищаемой области космического пространства на орбиту захоронения с использованием предлагаемого устройства защиты осуществляется следующим образом.
ко
1
2
i
ка
По схеме бесконтактной транспортировки КА обслуживания 1 (фиг. 1) выводят ракетой-носителем на геостационарную орбиту, в область, в которой находится КО 2, транспортировка которого предполагается. После этого производят сближение КА обслуживания 1 с транспортируемым КО 2 на заданное расстояние L и ориентируют КА 1, направляя источник ионного излучения 3 на центр массы М транспортируемого КО 2. Сближение и ориентация производятся с помощью двигательной установки и системы ориентации путем создания импульсов сил F, F и моментов M, действующих относительно центра масс М. Измерение координат пространственного положения КА 1 и КО 3 осуществляется с помощью радиолокационной системы и оптических средств измерений, размещенных на борту КА 1, обеспечивающих поддержание заданного расстояния между КА обслуживания и КО, необходимого для выполнения эффективного силового воздействия для транспортировки.
Расстояние L между КА обслуживания 1 и КО 2 выбирают из условия эффективного воздействия на поверхность КО 2 квазинейтральным ионным пучком 3, генерируемым источником излучения ионного пучка 4. Расчетные оценки показывают, что для рассматриваемого вида транспортируемых КО расстояние L выбирается в диапазоне от 4 до 8 характерных размеров X КО 2. При размере X≅5 м расстояние между КА 1 и КО 2 должно быть в диапазоне от 20 до 40 м. Для использования импульса ионного пучка 3 с максимальной эффективностью при указанных расстояниях полуугол расходимости β/2 пучка должен быть не более 3°. С увеличением расстояния L расчетное значение полуугла расходимости β/2 ионного пучка 3 уменьшается. Уменьшение расстояние ограничивается воздействием на приборы и системы КА 1 рассеянных частиц 5 с поверхности облучаемого объекта при облучении ионным пучком. Эти частицы возникают в зоне воздействия 6 ионного пучка 3 на транспортируемом объекте 2.
Осаждение частиц 5 из зоны воздействия 6 на сервисном космическом аппарате нарушает его штатное функционирование.
При использовании устройства защиты КА обслуживания от рассеянных частиц с поверхности объекта воздействия при облучении ионным пучком воздействие рассеянных частиц с поверхности облучаемого объекта воспринимается защитной поверхностью устройства.
Примеры выполнения устройства защиты КА обслуживания от рассеянных частиц с объекта воздействия при облучении ионным пучком приведены на фиг. 2, 3, 4, 5.
1
Устройство защиты 7 (фиг. 2) прикрепляют к КА обслуживания 1 на кронштейне 8 со стороны источника ионного излучения 4, направляемого на транспортируемый объект 2. Оно представляет из себя гибкую, оптически прозрачную защитную поверхность 9, свернутую в нерабочем положении на стержне 10 из композитного материала. На концах стержня 10 установлены пружинные механизмы разворачивания 11 защитной поверхности, удерживаемые стопором 12 с электровыключателем 13, электрически связанным с бортовой системой управления S. По краям, со стороны пружинного механизма, защитная поверхность соединена с металлическими лентами 14 рулетки, обеспечивающими необходимую жесткость защитной поверхности в развернутом виде. Для обеспечения жесткости развернутой защитной поверхности концы ленты рулетки могут после разворачивания удерживаться на магнитах 15, прикрепленных к космическому аппарату.
2
На стержне 10, в случае необходимости возвращения защитной поверхности в исходное положение, устанавливают пружинный механизм сворачивания защитной поверхности 16, удерживаемый стопором 17 с электровыключателем 18, электрически связанным с бортовой системой S управления космического аппарата обслуживания (на фигуре не показаны).
На фиг. 3 показано защитное устройство с развернутой защитной поверхностью 9 при включении электровыключателя 13 по команде бортовой системы управления после начала работы генератора ионного пучка 8 при занятой позиции перед транспортируемым объектом 2. После отключения стопора 12 пружинный механизм 11 разворачивает ленты рулетки и защитную поверхность 9. Конфигурация защитной поверхности 9 и ее материал подобраны таким образом, чтобы не создавалось препятствие работе оптических и радиолокационных средства КА 1, с выполнением окна 19 для прохождения ионного пучка, а рассеянные частицы с поверхности облучаемого объекта 2 воспринимаются защитной поверхностью 9 и осаждаются на ней.
3
На фиг. 4 защитная поверхность 9 выполнена из двух слоев пленки, герметично скрепленных по краям, и подключена к баллону с газом 20 через электровыключатель 21, электрически связанный S с бортовой системой управления КА 1. При разворачивании защитной поверхности 9 со стержня 10 по команде бортовой системы электровыключатель 21 включает поток газа из баллона 20, который обеспечивает надувание защитной поверхности до состояния рабочей формы. В защитной поверхности 9 выполняют окно 19 для беспрепятственного прохода ионного пучка из источника излучения 4 в рабочую зону на транспортируемом объекте.
4
5
В случае длительной работы КА обслуживания 1, при многократном цикле транспортировок объектов на геостационарной орбите в зону захоронения, защитное устройство снабжают механизмом 22 (фиг. 5), который содержит механизм разворачивания 23 и сворачивания 24 защитной поверхности для обновления отработанных участков защитной поверхности по результатам осаждения вещества рассеянных частиц с поверхности транспортируемых объектов. Механизмы 23 и 24 оснащены двигателями с редукторами 25, электрически связанными S и S с бортовой системой управления КА 1.
Выбор варианта выполнения механизма защиты зависит от проектных возможностей КА обслуживания, которые определяются технико-экономическим обоснованием его облика и свойствами материалов космических объектов, которые являются космическим мусором и их предполагается транспортировать в зону безопасности.
На фиг. 6 показано применение устройства защиты 7 КА обслуживания 1 в процессе активного воздействия источника ионного пучка 4 космического аппарата 1 на транспортируемый объект 2. На транспортируемом объекте 2 возникает зона воздействия ионного пучка 6, из которой вылетает поток рассеянных частиц 5.
Воздействие рассеянных частиц на приборы и системы КА обслуживания 1 предотвращает устройство защиты 7 КА обслуживания 1, включенное в рабочее состояние. Осаждение частиц происходит на предварительно развернутую защитную поверхность 9.
Технико-экономический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении надежности и долговечности работы КА обслуживания за счет обеспечения защиты его составных частей от осаждений частиц из зоны воздействия на транспортируемом объекте при работе генератора ионного пучка.