Космический комплекс очистки околоземного космического пространства от малогабаритного космического мусора
NEARSPACE CLEANING SPACE COMPLEX FROM SMALL-SIZED SPACE RUBBISH

Изобретение относится к области космической техники, а именно к устройствам и комплексам очистки околоземного космического пространства от малогабаритного космического мусора (КМ).
Известно техническое решение - изобретение «Космический аппарат для очистки околоземного пространства от мусора» [1]. Космический аппарат для очистки околоземного пространства от мусора содержит систему обнаружения подлежащих уничтожению тел и выстреливаемую капсулу. Капсула содержит магнитную присоску, подсоединенную к блоку наддува, к которому прикреплен баллон с газом, тормозящий шар и блок управления. Блок управления собирает информацию с GPS-приемника и блока наддува и передает ее через антенну на Землю. Обеспечивается возможность контролирования координат спуска космического мусора в атмосферу, что позволяет исключить столкновение с ним других космических аппаратов.
Космический аппарат обнаруживает космический мусор с помощью системы обнаружения тел, подлежащих уничтожению. После этого выпускается выстреливаемая капсула, которая с помощью магнитной присоски прикрепляется к космическому мусору. При этом блок наддува подает информацию в баллон с газом, надувая тормозящий шар. Тормозящий шар по размерам в несколько раз превышает размеры космического мусора, играя роль парашюта, тем самым, обуславливая уменьшение скорости космического мусора, что приводит к снижению орбиты вращения КМ вокруг Земли и к последующей его утилизации. При этом обеспечивается возможность контролирования координат опускаемого космического мусора, что позволяет исключить столкновения с ним других космических аппаратов, а также избавление от проблем, связанных с закруткой троса при использовании тросовой системы.
Недостатком данного технического решения является функциональное ограничение, обусловленное сложностью информационной системы поиска объектов и прицеливания, а также сложность автоматики выстреливаемой капсулы захвата. Следует отметить также ограниченную возможность применения магнитных присосок, так как для захвата объектов с их помощью требуются поверхности с магнитными свойствами на корпусе объектов захвата с достаточной площадью для прилипания и обладающие минимальной кривизной. Такие характеристики имеют ступени ступеней ракет-носителей, а для КА, в конструкции корпусов которых преобладают немагнитные композитные материалы, применение магнитных присосок будет неэффективным. Кроме того, следует отметить невозможность сбора объектов КМ с размерами от 1 см до 10 см, составляющих огромное количество в околоземном космическом пространстве.
Известно техническое решение - изобретение «Многоразовый космический аппарат-буксир для уборки крупногабаритного космического мусора» [2]. КА-буксир функционирует следующим образом. На первом этапе полета с использованием двигательной установки КА-буксира и головки самонаведения 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 посылает электрический сигнал на двухмостиковый пиропатрон установки космического копья, при запуске которого срабатывает пороховой двигатель, обеспечивающий разгон космического копья с оперением и поршнем с большой скоростью, его ударное заглубление внутрь корпуса КА-цели. Затем с помощью клапана осуществляется стравливание пороховых газов из стакана. После этого с помощью пневматического клапана осуществляется подача сжатого газа внутрь стакана, в результате чего происходит перемещение космического копья и одновременное подтягивание КА-цели к КА-буксиру вплоть до их контакта. Оперение при этом препятствует выходу космического копья 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 КА-буксира осуществляется отделение КА-цели от КА-буксира. При этом с помощью пневматического клапана осуществляется подача сжатого газа внутрь стакана с давлением, достаточным для срабатывания срезного элемента и разделения космического копья на две части: одна часть с оперением, уходящая с КА-целью, другая с поршнем, 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 КМ.
Недостатком данного технического решения является возможность работы по очистке околоземного космического пространства только с крупными объектами КМ и, следовательно, вероятность жесткого контакта (столкновения) с КА-целью, сложность управления связкой КА-цель - КА-буксир из-за изменения совокупного центра-масс, а также конструкционная сложность захвата объектов КМ, обусловленная, в том числе, пиротехническими средствами, невозможность сбора мелкого КМ (1-10 см), общий вес которого в околоземном космическом пространстве составляет порядка 450 тыс. тонн [4]. Следует также отметить необходимость точного выцеливания объекта-цели, так как промах означает потерю возможности его захвата.
Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату при его использовании является техническое решение - изобретение «Космический сачок» [3].
Сущность изобретения заключается в том, что космический сачок содержит космический аппарат (КА) и связанный с ним экран, взаимодействующий с внешней средой. Экран выполнен в виде двух поверхностей из гибкой пленки, размещенных по разные стороны от космического аппарата и связанных с ним посредством тросов регулируемой длины, причем тросы ориентированы в пространстве вдоль местной вертикали, на свободном конце каждого троса закреплен ориентированный вдоль него контейнер для сбора мусора, внутренний торец которого выполнен в виде воронки, связанной с примыкающим к ней краем пленки, а его внешний по отношению к космическому аппарату торец снабжен люком. При взаимодействии космического мусора с материалом пленки происходит гашение относительной скорости частиц, после чего эти частицы под действием центробежных сил поступают в контейнеры для сбора мусора. Космический сачок доставляется в заданную область космического пространства и развертывается таким образом, чтобы тросы были ориентированы вдоль местной вертикали.
Недостатком данного технического решения является несовершенство конструкции устройства, обусловленное тросовой системой разворачивания экрана, опасной для самого космического аппарата, невозможность длительного поддержания ориентации и жесткости конструкции, а также ограниченная возможность сбора космического мусора (КМ).
Рассматривая проблематику очистки околоземного космического пространства от космического мусора в глобальном разрезе, необходимо отметить, что сбор и утилизация крупных космических объектов является, по сути, частной задачей. Крупные космические объекты не представляют собой особой опасности для космической навигации, так как они относительно легко контролируются наземными средствами наблюдения, и составление любых видов прогнозов не составляет каких-либо затруднений. В то же время космический мусор с размерами менее 10 см практически не доступен контролю и каталогизации наземными средствами и представляет серьезную угрозу для космической деятельности человека ввиду многочисленности объектов такого КМ. В этой связи необходимо сосредоточить основные усилия на сбор и утилизацию КМ с габаритами от 1 см до 10 см, имеющего наиболее высокую вероятность столкновений с КА и серьезную потенциальную опасность их уничтожения [5]. Единственным способом количественной оценки пространственного распределения КМ является построение статистической модели КМ. Согласно существующим методикам оценки основная масса такого КМ сосредоточена в диапазоне высот от 400 км до 2000 км и имеет несколько максимумов концентрации по высотам. Общий неуклонный рост количества КМ свидетельствует о том, что способность околоземного космического пространства к самоочищению явно недостаточна, чтобы преодолеть антропогенное загрязнение.
Задачей, которая решается в предлагаемом изобретении, является обеспечение сбора малогабаритного космического мусора с размерами менее 10 см в околоземном космическом пространстве и его утилизация.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается посредством космического комплекса сбора малогабаритного космического мусора в околоземном пространстве, с возможностью долговременного функционирования на орбите.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
В состав космического комплекса очистки околоземного космического пространства от малогабаритного космического мусора, имеющего размеры не более 10 см, входят: орбитальная группировка, включающая космический аппарат обнаружения и проведения измерений параметров орбит малогабаритных объектов космического мусора (ИКА) и космический аппарат (или несколько аппаратов) сбора и утилизации (КАС) малогабаритных объектов КМ; наземный комплекс управления и измерения (НКУ); радиолиния передачи данных о параметрах орбит КМ (РЛПД); радиолиния управления сбором объектов КМ (РЛУС).
Космический аппарат проведения обнаружения и измерений ИКА предназначен для обнаружения малогабаритных объектов КМ, измерения параметров их орбиты, оценки результатов очистки заданных секторов околоземного космического пространства и передачи полученных данных на наземный комплекс управления и измерения. Для решения поставленной задачи в качестве средства обнаружения и измерения используют активный радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА) с ортогональной к вектору скорости по отношению к движению ИКА диаграммой направленности (ДН) антенны.
Орбита космического аппарата проведения измерений (ИКА) компланарна орбитам объектов потока КМ, высота орбиты выбирается менее среднего значения высоты основного «русла» потока КМ. То есть ИКА размещается под потоком (фиг. 1). Такое местоположение ИКА позволяет исключить влияние сигналов от наземных источников радиоизлучений на работу бортового РСА и, в свою очередь, позволяет исключить влияние работы бортового РСА на работу наземных источников радиоизлучений и, тем самым, быть самому источником помеховых сигналов.
Космический аппарат сбора и утилизации предназначен для сбора малогабаритных объектов КМ в заданном секторе околоземного космического пространства и последующей их утилизации. Решение поставленной задачи достигается применением экрана большой площади и определенной формы [5], а также выбором требуемой орбиты (фиг. 1). Очистка заданного сектора околоземного космического пространства происходит следующим образом. При столкновении объектов космического мусора с экраном происходит уменьшение исходной скорости движения малогабаритных объектов космического мусора, то есть осуществляется тормозная коррекция орбиты объектов КМ, что приводит к сходу объектов КМ с исходной орбиты, дальнейшему их торможению и утилизации в атмосфере Земли.
Наземный комплекс управления и измерения предназначен для приема данных мониторинга с космического аппарата проведения измерений (ИКА), последующей обработки полученной информации, занесения результатов в каталог космических объектов, подготовки полетных заданий и выдачи бортовых программ управления с целеуказанием на космические аппараты сбора и утилизации, контроля рабочих орбит ИКА и КАС с целью исключения столкновения с другими космическими аппаратами или крупными объектами космического мусора.
Радиолиния передачи данных о параметрах орбит объектов КМ между оконечными устройствами - передающими устройствами космического аппарата проведения обнаружения и измерений (ИКА) и приемными устройствами наземного комплекса управления и измерения (НКУ) обеспечивает передачу исходных данных об обнаруженных объектах КМ и параметрах их движения на орбите.
Радиолиния управления сбором объектов КМ (РЛУС) между оконечными устройствами - передающими устройствами наземного комплекса управления и измерения (НКУ) и приемными устройствами космических аппаратов сбора и утилизации (КАС) обеспечивает передачу бортовых программ управления и целеуказания на космические аппараты сбора и утилизации КАС.
Схематично алгоритм функционирования космического комплекса очистки околоземного космического пространства выглядит следующим образом:
1. Космический аппарат обнаружения и проведения измерений параметров орбит малогабаритных объектов космического мусора, выведенный на расчетную орбиту, осуществляет поиск и обнаружение объектов космического мусора, проводит измерение заданных параметров движения обнаруженных объектов относительно своего местоположения на текущий момент времени, затем полученную информацию распределяет в соответствии с протоколом информационного кадра и по радиолинии передачи данных о параметрах орбит объектов КМ передает информацию на наземный комплекс управления и измерения.
2. Наземный комплекс управления и измерения по радиолинии передачи данных принимает от космического аппарата обнаружения и проведения измерений первичную информацию о параметрах движения обнаруженных объектов малоразмерного космического мусора, проводит ее обработку с процедурой распознавания, селекции и последующей выдачей готовых данных для регистрации обнаруженных новых объектов в Основном каталоге. В случае принятия решения о проведении очистки какого-либо сектора околоземного космического пространства, проводится подготовка полетного задания, формируется бортовая программа управления с надлежащим целеуказанием и передается по радиолинии управления сбором объектов КМ на космический аппарат сбора и утилизации.
3. Космический аппарат сбора и утилизации (КАС) или орбитальная группировка космических аппаратов сбора и утилизации выполняет задание по сбору и утилизации объектов КМ в заданном секторе околоземного космического пространства (задание для одного КАС) или выполняет задание по ликвидации потока космического мусора (задание для орбитальной группировки космических аппаратов сбора и утилизации). По окончании выполнения задания, получив по радиолинии управления сбором объектов КМ новое целеуказание, КАС приступает к проведению коррекции орбиты или серии коррекций орбиты в соответствии с полученной бортовой программой управления, что позволяет осуществить переход в заданный сектор околоземного космического пространства одному КАС или же занять орбитальной группировке космических аппаратов сбора и утилизации космического мусора соответствующий пространственный орбитальный эшелон для осуществления сбора и утилизации имеющегося там космического мусора.
4. Космический аппарат обнаружения и проведения измерений осуществляет мониторинг результатов сбора объектов, осуществляет измерение траекторных изменений, обнаруживает новые орбиты космического мусора. Собранная информация по радиолинии передачи данных о параметрах орбит КМ передается на наземный комплекс управления и измерения.
Обнаружение малогабаритных объектов космического мусора, и сбор, и утилизация космического мусора осуществляются разными космическими аппаратами, тем самым обеспечивая решение как общих, так и частных задач по обнаружению и очистке околоземного космического пространства от малогабаритного космического мусора.
5. После получения данных об траекторных изменениях объектов КМ наземный комплекс управления и измерения проводит прогнозирование эволюций новых орбит этих объектов и выдает оценку по срокам утилизации их в атмосфере Земли. При необходимости проводится уточнение целеуказаний космическому аппарату сбора и утилизации или орбитальной группировке космических аппаратов сбора и утилизации космического мусора.
Список использованных источников
1. Патент РФ на изобретение №2492125 «Космический аппарат для очистки околоземного пространства от мусора». МПК B64G 99/00, опубликовано 10.09.2013 г.
2. Патент РФ на изобретение №2536297 «Многоразовый космический аппарат-буксир для уборки крупногабаритного космического мусора». МПК B64G 1/14, опубликовано 20.12.2014 г.
3. Патент РФ на изобретение №2046081 «Космический сачок». МПК B64G 1/00, B64G 99/00, опубликовано 27.03.2013 г.
4. www.astronomer.ru
5. Заявка на изобретение от 15.01.2015 г. №2015100652 «Способ очистки околоземного космического пространства от космического мусора».