Способ изменения траектории опасного космического объекта
METHOD FOR CHANGING THE TRAJECTORY OF A DANGEROUS SPACE OBJECT

Изобретение относится к методам и средствам защиты космических аппаратов (КА) от столкновения с объектами естественного или искусственного происхождения в интересах увеличения сроков функционирования КА, а также способам защиты от средств поражения в случае гипотетического преднамеренного или непреднамеренного воздействия на КА.
Известен способ защиты космических объектов (КО) от средств нападения (RU 2294866 С1, 10.03.2007), рекомендованный к использованию преимущественно перед входом объекта в верхние слои атмосферы [1].
Способ предусматривает, что перед космическим объектом на минимально допустимом расстоянии от него развертывают защитный экран в направлении возможного использования средств нападения, перекрывая экраном зону досягаемости космического объекта средствами нападения и сообщая экрану скорость и траекторию полета, близкие к скорости и траектории полета КО, закрепляют защитный экран в сложенном виде краями на поверхности КО. Перед зоной досягаемости средств нападения сообщают этим краям ускорение с составляющими вдоль и в сторону от траектории движения КО, обеспечивая развертывание защитного экрана, который выполняют в виде разнесенных в пространстве поражающих элементов, соединенных гибкими средствами крепления на расстояниях, меньших геометрических размеров средств нападения. Изобретение относится к области космических летательных аппаратов, в частности многоразовых космических кораблей, гиперзвуковых самолетов, головных частей ракет, спускаемых космических аппаратов и других средств, используемых в ближнем космосе, и может быть использовано при организации их защиты от средств поражения перед входом в верхние слои атмосферы.
Недостатками способа являются:
- высокая вероятность поражения защищаемого КА фрагментами, образованными при взаимодействии экрана и средства нападения;
- неэффективность применения способа в орбитальном полете КО в связи с необходимостью изменения ориентации КО в пространстве для обеспечения развертывания экрана в направлении средства нападения, что приводит к ограничению целевого применения КА, выведенного на орбиту для выполнения функциональных задач;
- изменение динамических характеристик движения КО относительно центра масс при отделении экрана от объекта и в связи с этим необходимостью учета дополнительных требований для управления угловой стабилизацией положения объекта в пространстве при проектировании системы управления угловым движением;
- отсутствие достоверных сведений о направлении появления средств нападения, что не позволяет обеспечить надежную защиту КО;
- необходимость управления поступательным движением защитного экрана для выполнения указанных в способе требований к развертыванию, необходимых для эффективного применения экрана;
- образование дополнительного мусора в космическом пространстве при реализации способа.
Известен способ защиты КА (RU 2374150 С1, 27.11.2009), включающий формирование защитного экрана, его отделение от защищаемого аппарата и направление экрана в сторону потенциально опасного объекта (ПОО) [2].
Экран формируют в виде твердого тела малой плотности путем выдувания газом из полимерного материала с малым временем затвердевания вне защищаемого КА, причем полимерный материал или его смесь с применяемым для выдувания экрана газом обладают свойством детонации при столкновении с ПОО, при этом при обнаружении приближения ПОО рассчитывают габаритные размеры и массу экрана, достаточные для разрушения ПОО или группы объектов до мелкодисперсного состояния и отклонения фрагментов разрушенного объекта от защищаемого аппарата. Способ предусматривает формирование нескольких дополнительных экранов требуемой массы и габаритных размеров до устранения опасности повреждения защищаемого аппарата ПОО или их фрагментами, образованными при столкновении КА и ПОО.
Недостатками способа являются:
- сложность достоверной оценки размеров и массы первого и дополнительных экранов достаточных для разрушения ПОО и фрагментов в связи с отсутствием устройств и действий, обеспечивающих получение сведений о конструкции ПОО искусственного происхождения или иных необходимых характеристиках ПОО;
- отсутствие возможности надежной защиты КА при реализации способа, иначе говоря, вероятностный характер успешного применения способа защиты в связи с отсутствием достоверных способов определения размеров и массы экранов, гарантирующих разрушение ПОО;
- возможность поражения КА фрагментами, образованными при взаимодействии экрана и ПОО объекта;
- образование дополнительного мусора в космическом пространстве при реализации способа.
Описание способа не содержит сведений о том, каким образом обнаруживают приближение ПОО и расчет габаритного размера и массы экрана, достаточных для разрушения ПОО.
Характерными недостатками способов, предусматривающих применение защитных экранов, является необходимость применения экранов больших размеров для обеспечения надежной защиты КА, в связи со сложностью точного определения точки встречи КА и ПОО, что увеличивает массу КА и стоимость его выведения.
В качестве аналогов предлагаемого изобретения следует рассматривать технические решения, предложенные для уборки космического мусора:
- «Космический аппарат для очистки космоса от пассивных КА и их фрагментов» - RU 2141436 С1, 20.11.1999;
- «Способ удаления с геостационарной орбиты нефункционирующего КА» - RU 2559392 С1, 10.08.2015.
В соответствии с патентом RU 2141436 космический аппарат для очистки космоса от пассивных КА и их фрагментов должен содержать энергетическую установку, электроракетные двигатели, систему хранения и подачи рабочего тела, приборно-агрегатный отсек с системой управления, систему фиксации и хранения крупных объектов космического мусора, автоматический манипулятор, систему ориентации и сближения на основе двигателей большой тяги. Способ предусматривает, что в составе бортового оборудования находится автономный КА с системой управления, системой фиксации пассивных КА и узлами стыковки, взаимодействующими с соответствующими узлами стыковки основного аппарата, манипулятором и системой ориентации и сближения на основе ракетных двигателей большой тяги. Причем автономный КА соединен тросовой системой с основным КА.
Из описания способа следует, что «автономный КА» в составе основного КА, по существу, не является полностью автономным, так как эти КА механическим образом соединены с помощью тросов. Поэтому применение «автономного КА» влияет на орбитальное движение центра масс основного КА и его пространственную ориентацию. Таким образом, недостатком описанного способа является изменение орбитальной траектории и пространственной ориентации основного КА при реализации способа, что препятствует его применению для выполнения других задач, возлагаемых на орбитальные космические средства.
Известен способ удаления с геостационарной орбиты нефункционирующего КА (RU 2559392 С1, 10.08.2015, прототип) путем захвата его и увода на орбиту захоронения с использованием другого КА, у которого закончился срок активного существования. Способ предусматривает, что на орбиту выводят КА, оснащенный средством наблюдения и захвата нефункционирующего КА, дополнительным запасом компонентов топлива. После окончания срока активного существования переводят КА в точку стояния на геостационарной орбите нефункционирующего аппарата, осуществляют ориентацию КА относительно нефункционирующего КА и наведение на него, после чего производят захват нефункционирующего КА, включают двигатель КА и переводят связку КА на орбиту захоронения.
Недостатком способа является невозможность воздействия на космический объект при использовании КА по функциональному назначению. Способ не обеспечивает выполнение действий, обеспечивающих защиту КА при сближении с потенциально опасными объектами и одновременно целевого применения КА.
Приоритетная задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в обеспечении защиты КА от потенциально опасного объекта таким образом, чтобы сохранить возможность применения КА для выполнения функциональных задач его целевого применения.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей КА путем одновременного выполнения действий, обеспечивающих защиту КА при сближении с потенциально опасным объектом при сохранении возможности применения КА по функциональному назначению. Реализация способа не требует изменения угловой ориентации КА, программы работы бортовой аппаратуры, применяемой для выполнения целевых задач орбитального полета. Способ не приводит к образованию дополнительного мусора в космическом пространстве.
Технический результат способа изменения траектории опасного космического объекта путем использования малого космического аппарата и средств радиолокации космического пространства, достигается тем, что в орбитальном полете осуществляют радиолокацию окружающего пространства бортовыми средствами, обнаруживают в окружающем космическом пространстве вблизи космического аппарата космический объект, средствами радиолокации измеряют параметры относительного движения космического объекта, определяют параметры орбиты обнаруженного космического объекта по параметрам относительного движения объекта и параметрам орбиты космического аппарата, выявляют участок траектории и временной интервал полета, на котором возможно опасное сближение обнаруженного космического объекта и космического аппарата, и при наличии участка опасного сближения отделяют малый космический аппарат от космического аппарата, выполняют орбитальное маневрирование малым космическим аппаратом, сближение и захват обнаруженного космического объекта, включают реактивную двигательную установку малого космического аппарата, изменяют траекторию движения опасного объекта и обеспечивают защиту космического аппарата от столкновения с космическим объектом.
Из описания предложенного способа следует, что он обеспечивает возможность упреждающего перехвата опасного КО.
Существенные признаки, характеризующие изобретение, и обеспечивающие получение технического результата.
1. Размещение на борту КА, предназначенного для выполнения специальных целевых задач, соответствующих функциональному назначению КА, следующих дополнительных средств:
а) средств радиолокации окружающего космического пространства, обеспечивающих
- обнаружение космического объекта, находящегося вблизи КА;
- измерение параметров движения обнаруженного объекта относительно КА;
б) средств определения параметров орбиты обнаруженного космического объекта, прогнозирования траекторий движения КА и обнаруженного объекта, выявления участка траектории и временного интервала полета, на котором возможно опасное сближение КА и обнаруженного объекта;
в) малый космический аппарат, оснащенный
- средствами орбитального маневрирования и сближения с космическим объектом, находящимся вблизи КА;
- средствами захвата обнаруженного КО;
- реактивной двигательной установкой.
2. Выполнение следующей совокупности последовательных действий: - радиолокация окружающего космического пространства бортовыми средствами КА, обнаружение объекта, находящегося вблизи КА;
- измерение радиолокационными средствами параметров движения объекта относительно КА;
- определение параметров орбиты КО, по результатам измерения параметров относительного движения и параметрам орбиты КА;
- прогнозирование траекторий движения КА и КО, обнаруженного вблизи КА;
- выявление по результатам прогнозирования движения КА и КО участка и временного интервала полета, на котором возможно опасное сближение КА и обнаруженного объекта;
- расчет программы орбитального маневрирования МКА, обеспечивающей сближение с КО при условии выявления участка полета, на котором возможно опасное сближение КА и КО;
- передача программы орбитального маневрирования МКА в бортовую систему управления МКА;
- отделение МКА от КА;
- выполнение МКА орбитального маневрирования и сближения с КО;
- захват малым космическим аппаратом обнаруженного объекта;
- включение реактивной двигательной установки, находящейся на МКА, для изменения траектории движения обнаруженного объекта;
Из приведенной последовательности видно, что предложенный способ защиты не требует изменения порядка и программы работы эксплуатируемого КА, применяемого для выполнения целевых задач. Сохранение возможности использования КА по функциональному назначению является основным достоинством предложенного способа защиты от опасного КО. Для определения орбиты КО по результатам измерения средствами радиолокации параметров движения КО относительно КА может быть в принципе использован способ, изложенный в описании патента RU 2520714. В качестве параметров относительного движения КО и КА могут в принципе использоваться значения радиальной скорости движения КО относительно КА или расстояния между КО и КА.
В качестве средства захвата малым космическим аппаратом обнаруженного КО могут быть в принципе использованы разработанные технические средства, предназначенные для захвата космического мусора. Известным техническим решением является специальный гарпун - патент на полезную модель №133096. Захват космического объекта осуществляют при приближении к нему путем выстрела гарпуна с заданной силой.
Кроме того, для захвата космического объекта могут применяться: -металлические сети, разработанные компанией "NittoSeimo" по заданию Японского космического агентства (JAXA);
- конструкция, аналогичная конструкции «космического паруса», на основе легких, гибких мембранных материалов.
Достоинствами сетей и паруса являются:
- высокое соотношение полезной площади в развернутом состоянии к площади в сложенном состоянии и за счет это высокая вероятность захвата малым космическим аппаратов КО при их сближении;
- простота конструкции и технологической реализуемости;
- возможность захвата без образования дополнительного космического мусора;
- малые масса и объем в сложенном состоянии;
- возможность установки таких средств захвата на малых космических аппаратах различных типов.
Предпосылкой возможности применения заявленного способа защиты является высокий уровень современных технологий космического приборостроения в ряде областей:
- создания малогабаритных КА, обладающих возможностями орбитального маневрирования;
- развития технологий высокоточного наведения и сближения автономно функционирующего КА с орбитальными объектами
- создания надежных бортовых управляющих комплексов, обеспечивающих возможность выполнение сложных технологических операций КА, находящемся в длительном автономном полете.
На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.
Космический аппарат 1 содержит средства радиолокации окружающего пространства 2, навигационную аппаратуру потребителя (НАП) навигационной системы ГЛОНАСС 3, блок определения параметров орбиты обнаруженного космического объекта и выявления участка траектории и временного интервала полета, на котором возможно опасное сближение обнаруженного объекта и КА 4, бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) 5, устройства отделения МКА от КА 6, малый космический аппарат 7, который содержит БЦВМ 8, устройство орбитального маневрирования и сближения 9, устройство захвата обнаруженного объекта 10, двигательную установку 11.
Причем первый вход БЦВМ 5 соединен с выходом средств радиолокации 2, второй вход соединен с выходом НАП 3, третий вход соединен с выходом блока 4, первый выход БЦВМ 5 соединен со входом средств радиолокации 2, второй выход БЦВМ 5 соединен со входом устройства отделения 6, третий выход БЦВМ 5 соединен с первым входом БЦВМ 8, четвертый выход БЦВМ 5 соединен со входом блока 4, первый выход БЦВМ 8 соединен со входом устройство орбитального маневрирования 9, второй выход БЦВМ 8 соединен со входом устройства захвата 10, третий выход БЦВМ 8 соединен с двигательной установкой 11, второй вход БЦВМ 8 соединен с выходом устройства захвата 10.
Устройство работает следующим образом.
Средства радиолокации 2 осуществляют радиолокацию окружающего КА космического пространства, и передают результаты радиолокации в БЦВМ 5. При обнаружении космического объекта вблизи КА БЦВМ 5 передает в блок средств радиолокации 2 команду на проведение измерений параметров движения обнаруженного объекта относительно КА. Результаты измерения параметров относительного движения поступают в БЦВМ 5, которая передает в блок 4, во-первых, параметры относительного движения обнаруженного объекта, включающие расстояние до объекта и скорость изменения расстояния, во-вторых, параметры орбиты КА, поступающие от НАП 3. В блоке 4 осуществляют, во-первых, определение орбиты обнаруженного объекта, во-вторых, прогнозирование КА, обнаруженного КО и выявление участка траектории и временного интервала полета, на котором возможно опасное сближение обнаруженного КО и КА. При наличии участка опасного сближения из блока 4 передают в БЦВМ 5, во-первых, параметры орбиты обнаруженного объекта, во-вторых, временной интервал полета, на котором возможно опасное сближение обнаруженного КО и КА. В БЦВМ 5 при получении из блока 4 интервала полета на котором возможно опасное сближение обнаруженного КО и КА, рассчитывают программу орбитального маневрирования и сближения для МКА, и передают программу в БЦВМ 8, затем передают от БЦВМ 5 в устройство 6 команду на отделение МКА от КА. После отделения малого космического аппарата БЦВМ 8 передает программу орбитального маневрирования в устройство 9, которое осуществляет маневрирование и сближение МКА с обнаруженным КО, а при соприкосновении МКА с объектом с помощью устройства 10 выполняют захват обнаруженного КО, затем передают сигнал о завершении захвата от устройства 10 в БЦВМ 8, которая после получения сигнала передает команду на включение двигательной установки 11. Работа двигательной установки 11 обеспечивает изменение траектории движения обнаруженного объекта, в результате которого обеспечивают уклонение защищаемого КА от столкновения с обнаруженным объектом.
Ключевой технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в возможности применения КА по функциональному назначению и одновременного выполнения действий, обеспечивающих защиту КА при сближении с потенциально опасными объектами. Результат достигается за счет размещения в составе бортового оборудования малого КА и использования малого КА для предотвращения столкновения с потенциально опасным космическим объектом.
Достоинствами заявленного изобретения, имеющими значение для решения практических задач, являются:
- отсутствие необходимости изменения пространственной ориентации КА и программы работы бортовой аппаратуры, применяемой для выполнения целевых функциональных задач при реализации способа;
- отсутствие образования дополнительного мусора в космическом пространстве. Из последовательности действий, необходимой для осуществления способа,
следует, что заявленный способ может быть использован для защиты КА от потенциально опасного объекта и многократно воспроизведен в различного рода сходных условиях применения по назначению [7-9].
Способ сориентирован на перспективную реализацию в интересах оригинального проекта "Анализ и синтез методов координации для децентрализованного управления гетерогенными группировками автономных агентов" программы Президиума РАН No 7 (30) "Теория и технологии многоуровневого децентрализованного группового управления в условиях конфликта и кооперации" (моделирование и оценивание возможностей методов координации); - при частичной поддержке РФФИ, научный проект No 19-29-09030 мк (исследование новых технологий выделения и распознавания объектов на базе специализированных средств).
Источники информации
1. Патент РФ RU 2294866. МПК B64G 1/52, B64G 1/56. Способ защиты космических объектов. Анисимов В.Ю., Борисов Э.В., Ролдугин В.Д., Пономарев С.А., опубл. 10.03.2007.
2. Патент РФ RU 2374150. МПК B64G 1/52, B64G 1/56. Способ защиты космических объектов. Новосельцев Д.Α., опубл. 27.11.2009.
3. Патент РФ RU 2141436. МПК B64G 1/00, B64G 1/22. Космический аппарат для очистки космоса от пассивных КА и их фрагментов. Масленников А.А., опубл. 20.11.1999.
4. Патент РФ RU 2559392 С1, МПК B64G 1/00, B64G 1/22. Способ удаления с геостационарной орбиты нефункционирующего КА. Сергеев В.Е., Бурдаев М.Н., Головко А.В. опубл. 18.04.2014.
5. Патент РФ RU 2520714. МПК B64G 3/00. Способ определения орбиты космического аппарата. Стрельников СВ., Бубнов В.И., Родионова Г.Г., опубл. 27.06.2014.
6. Патент на полезную модель №133096. Устройство захвата космических объектов. Иванов В.М., Соколов Н.Л., Козлов В.Г., Захаров П.А., Карцев Ю.А. опубл. 10.10.2013.
7. Рожнов А.В. Информационно-аналитическое обеспечение комплексных исследований гетерогенных и групповых беспилотных платформ в условиях их существенной целевой рассогласованности / Труды Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2019, Москва). - М.: ИПУ РАН, 2019 (в печати).
8. Achievement of a uniform interpretation of the right of self-defence in conformity with the Charter of the United Nations as applied to outer space as a factor in maintaining outer space as a safe and conflict-free environment and promoting the long-term sustainability of outer space activities / Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, Fifty-eighth session, Vienna, 10-19 June 2015. - (A/AC.105/C.1/2015/CRP.22).
9. Рожнов A.B., Карпов B.B. Разработка предложений по созданию единых технологий с перспективными источниками энергии в космической отрасли / Труды Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2016, Москва). - М.: ИПУ РАН, 2016. Том П. С.150-154.