СПОСОБ ОЧИСТКИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ОТ МЕЛКИХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
METHOD OF CLEANING NEAR-EARTH SPACE ENVIRONMENT FROM SMALL PARTICLES OF SPACE DEBRIS

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства (ОКП) от мелких частиц космического мусора (КМ).
2
2
3
2
2
4
2
5
Известен способ очистки космоса от космического мусора [1], заключающийся в том, что обеспечивается 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 путем распыления создается препятствие в виде облака пространственно-распределенных частиц. 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. Частицы оказывают ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора. Размер частиц материала для оказания воздействия на объекты космического мусора выбирается в зависимости от размера объектов.
Недостатками данного способа является достаточно низкая эффективность в силу относительно большой разреженности облака, при этом ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора может одновременно привести к дефрагментации отдельных объектов космического мусора, что приведет к увеличению количественного состава космического мусора. Также следует отметить необходимость периодического дополнительного формирования препятствия в виде облака пространственно-распределенных частиц, которое после пролета частиц космического мусора будет рассеиваться.
Известен также способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления [2], заключающийся в том, что для реализации указанного способа на орбиту очистки выводят и развертывают крупногабаритную тонкую пленку, ориентируя ее плоскость нормально (перпендикулярно) к направлению полета и поддерживая натяжение и ориентацию пленки, в том числе после соударений со встречными объектами космического мусора, посредством реактивных двигателей, установленных на концах выдвижных штанг каркаса, соединенных с прямоугольной пленкой по меньшим ее сторонам. Для того, чтобы избежать столкновение с активными объектами, пленку разворачивают вокруг продольной или поперечной оси на 90°, после чего возвращают в исходное положение. При соударении объекта космического мусора и пленки происходит разрушение объекта космического мусора на мелкие частицы с образованием в пленке при каждом соударении бреши. Образовавшиеся частицы тормозятся гораздо интенсивнее, чем первоначальный объект космического мусора, за счет резкого увеличения их баллистического коэффициента. Это обеспечивает быстрое вхождение частиц в плотные слои атмосферы и сгорание. Недостатком данного способа является его невысокая эффективность, так как при столкновении объектов космического мусора с пленкой происходит частичное нарушение ее целостности, и в дальнейшем воздействие пленки на пролетающие сквозь нее фрагменты космического мусора уменьшается. Необходимо отметить также сложность механизма разворачивания такой пленки и обеспечения жесткости конструкции.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ очистки ОКП от космических объектов и мелких частиц, предложенный японским космическим агентством JAXA [3]. В предлагаемом агентством JAXA способе металлическая сеть с линейными размерами в несколько километров будет выводиться на орбиту на борту специального спутника. Там сеть разворачивается при помощи установленного на КА манипулятора. После того как сеть наберет достаточно мусора, она будет отсоединяться. Взаимодействие с магнитным полем Земли приведет к тому, что сеть вместе с собранными обломками космических аппаратов со временем войдет в плотные слои атмосферы. Во время падения сеть сгорит вместе с мусором. Недостатком прототипа является сложная система разворачивания металлической сети при помощи манипулятора и недостаточная надежность захвата и удержания металлической сетью мелких частиц космического мусора, обладающих высокой кинетической энергией.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении эффективности очистки околоземного космического пространства от мелких частиц космического мусора на орбитах менее 600 километров (с точки зрения надежности захвата и удержания мелких частиц космического мусора, обладающих высокой кинетической энергией), а также в упрощении разворачивания элемента захвата мелких частиц КМ на орбите.
Указанный технический результат достигается тем, что запускают миниспутник (МС) на орбиту движения мелких частиц космического мусора (КМ). Причем для захвата мелких частиц КМ используют многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок [4], которую размещают на борту МС в герметичном контейнере. При этом на тыльной стороне многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок располагают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек. Затем многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок складывают или сворачивают и в сложенном или свернутом виде помещают в герметичный контейнер.
После выведения МС на орбиту движения мелких частиц космического мусора сложенную или свернутую многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок по команде от бортовой вычислительной системы (БВС) выталкивают из герметичного контейнера в космос. При этом за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок разворачивают в космосе и придают ей заданную форму. Затем с помощью приемников навигационной системы и БВС, расположенных на борту МС, определяют текущие координаты центра масс МС, углы текущей пространственной ориентации МС. Далее БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат МС относительно вектора скорости МС, далее ориентируют многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок либо в направлении наиболее вероятного прихода мелких частиц КМ, либо по нормали к вектору скорости МС при помощи системы ориентации миниспутника.
В дальнейшем при движении МС с многослойной панелью из пленки из углеродных нанотрубок по орбите осуществляют сбор или захват мелких частиц КМ. После завершения операции сбора мелких частиц КМ по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземных или космических средств управления МС или от бортовой вычислительной системы, отделяют от миниспутника развернутую многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок. Осуществляют торможение многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в сильно разреженных слоях атмосферы Земли за счет большой парусности и малой массы многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок. В результате обеспечивают ее переход с захваченными мелкими частицами КМ на более низкую орбиту и последующий вход вместе с собранными мелкими частицами КМ в плотные слои атмосферы.
Существует вариант, в котором многослойную панель выполняют не менее чем из трех чередующихся слоев.
Существует вариант, в котором первый слой многослойной панели выполняют в виде мелкоячеистой сети из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором четные слои многослойной панели выполняют в виде сотовых ячеек из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором третий и последующие нечетные слои многослойной панели выполняют в виде листа из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором последний лист многослойной панели выполняют в виде листа из пленки из углеродных нанотрубок, на которой с тыльной стороны или внешней стороны располагают развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек.
Существует вариант, в котором развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек изготавливают из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек размещают и закрепляют радиально, и/или продольно, и/или по периметру последнего листа многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором координаты центра масс МС и углы текущей пространственной ориентации МС определяют при помощи приемников навигационной системы GPS и/или «ГЛОНАСС».
Существует вариант, в котором координаты центра масс МС и углы текущей пространственной ориентации МС определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или «ГЛОНАСС».
Существует вариант, в котором координаты центра масс МС и углы текущей пространственной ориентации МС определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или GPS.
Существует вариант, в котором на борту МС размещают два и более герметичного контейнера со сложенными или свернутыми многослойными панелями из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором контроль за процессом сбора мелких частиц КМ, а также сходом многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с собранными мелкими частицами КМ с орбиты осуществляют с помощью наземных или космических средств контроля космического пространства.
Существует вариант, в котором после отделения от МС многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с собранными мелкими частицами КМ осуществляют перевод МС на другую орбиту для дальнейшего сбора мелких частиц КМ.
Существует вариант, в котором перевод МС на другую орбиту для дальнейшего сбора мелких частиц КМ осуществляют по командам и/или программам, передаваемым по радиолинии с наземных средств контроля космического пространства.
Существует вариант, в котором по команде от бортовой вычислительной системы миниспутника повторяют операции выталкивания очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок из другого герметичного контейнера и разворачивания многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в космосе. Затем повторяют операции определения текущих координат центра масс МС и углов пространственной ориентации МС, определения ориентации осей связанной системы координат МС относительно вектора скорости МС, а также ориентации многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок либо в направлении наиболее вероятного прихода мелких частиц КМ, либо по нормали к вектору скорости МС при помощи системы ориентации миниспутника. Повторяют операцию сбора или захвата мелкого КМ, по завершению которой по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземных или космических средств управления МС или от бортовой вычислительной системы, осуществляют отделение от МС очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок. Далее осуществляют торможение многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в сильно разреженных слоях атмосферы Земли. Тем самым обеспечивают переход очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с захваченными мелкими частицами КМ на более низкую орбиту и последующий вход вместе с собранными мелкими частицами КМ в плотные слои атмосферы.
Существует вариант, в котором запуск миниспутника на орбиту движения мелких частиц космического мусора осуществляют попутным запуском.
Существует вариант, в котором запуск миниспутника на орбиту движения мелких частиц космического мусора осуществляют с космического аппарата-носителя или космической станции.
Существует вариант, в котором на борту космического аппарата-носителя или космической станции размещают два и более миниспутника.
Существует вариант, в котором для перевода на другую орбиту на МС используют электрореактивную двигательную установку с высоким удельным импульсом, обеспечивающую длительное функционирование МС при ограниченных запасах массы рабочего топлива [6].
Существует вариант, в котором для разворачивания многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок осуществляют наддув развертывающих надувных элементов многослойных гермооболочек газом.
Существует вариант, в котором наддув развертывающих надувных элементов многослойных гермооболочек осуществляют из баллонов с газом.
Существует вариант, в котором баллоны с газом размещают на многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором наддув развертывающих надувных элементов многослойных гермооболочек газом осуществляют после выталкивания многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера.
Существует вариант, в котором поддерживают ориентацию многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок либо в направлении наиболее вероятного прихода мелких частиц КМ, либо по нормали к вектору скорости МС в течение операции сбора или захвата мелких частиц КМ.
Предложенный способ реализуется следующим образом. На орбиту движения мелких частиц космического мусора осуществляют запуск миниспутника. На борту МС размещают многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок в качестве элемента захвата мелких частиц КМ. При этом на тыльной стороне многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок, обращенной к МС, располагают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек.
В дальнейшем многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок складывают или сворачивают и в сложенном или свернутом виде помещают в герметичный контейнер, который загружают в МС.
После выведения МС на орбиту для ее очистки от мелких частиц КМ сложенную или свернутую многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок выталкивают из герметичного контейнера в космос (по команде от БВС миниспутника). При этом за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек разворачивают многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок в космосе и придают ей заданную форму. Потом с помощью приемников навигационной системы GPS и/или ГЛОНАСС, и/или GALILEO и БВС, расположенных на борту МС, определяют текущие координаты центра масс МС, углы текущей пространственной ориентации МС. Далее БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат МС относительно вектора скорости МС, а затем системой ориентации МС ориентируют многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок либо в направлении наиболее вероятного прихода мелких частиц КМ, либо по нормали к вектору скорости МС при помощи системы ориентации миниспутника.
В процессе движения МС с многослойной панелью из пленки из углеродных нанотрубок по орбите осуществляют сбор или захват мелких частиц КМ. После завершения операции сбора мелких частиц КМ по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземных или космических средств управления МС или от БВС, отделяют от миниспутника развернутую многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок. В дальнейшем за счет большой парусности и малой массы многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок осуществляют торможение многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в условиях сильно разреженных слоях атмосферы Земли (на высотах менее 600 км).
В результате обеспечивают переход многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с захваченными мелкими частицами КМ на более низкую орбиту и последующий вход вместе с собранными мелкими частицами КМ в плотные слои атмосферы.
При этом после отделения многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с собранными мелкими частицами КМ осуществляют перевод МС на другую орбиту для дальнейшего сбора мелких частиц КМ. Причем перевод МС на другую орбиту для дальнейшего сбора мелких частиц КМ осуществляют по командам и/или программам, передаваемым по радиолинии с наземных средств контроля космического пространства.
Последующим шагом по команде от БВС миниспутника повторяют операции выталкивания очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок из очередного герметичного контейнера, размещенного на МС, и разворачивания очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в космосе. Затем повторяют операции определения текущих координат центра масс МС и углов пространственной ориентации МС, определения ориентации осей связанной системы координат МС относительно вектора скорости МС, ориентации многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок либо в направлении наиболее вероятного прихода мелких частиц КМ, либо по нормали к вектору скорости МС при помощи системы ориентации миниспутника. Осуществляют сбор или захват мелкого КМ на другой орбите, по завершению которого по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземных или космических средств управления МС или от бортовой вычислительной системы, осуществляют отделение от МС очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок. Далее осуществляют торможение многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в сильно разреженных слоях атмосферы Земли за счет большой парусности и малой массе. В результате обеспечивают переход очередной многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок с захваченными мелкими частицами КМ на более низкую орбиту и последующий вход вместе с собранными мелкими частицами КМ в плотные слои атмосферы.
Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять очистку околоземного космического пространства от мелких частиц КМ. Причем использование многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок обеспечит высокую стойкость к пробою многослойной панели, а также надежность захвата и удержания мелких частиц космического мусора, обладающих высокой кинетической энергией за счет уникальной прочности пленки из углеродных нанотрубок. Предел прочности пленки из углеродных нанотрубок составляет 9,6 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности кевларовых волокон составляет всего 3,7 гигапаскаля [4]. При этом пленка из углеродных нанотрубок весьма эластична. Она может растягиваться приблизительно на 8 процентов от первоначальной длины [4]. Кроме того, пленка из углеродных нанотрубок обладает исключительно малой массой [5].
При этом мелкие частицы космического мусора, обладающие невысокой кинетической энергией, задерживаются первым слоем многослойной панели, выполненной в виде мелкоячеистой сети из углеродных нанотрубок. Другая часть мелких частиц КМ с высокой кинетической энергией пробивает первый слой многослойной панели и удерживается последующим слоем или листом. Кроме, того выполнение одного или нескольких слоев многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок в виде сотовых ячеек позволяет удерживать мелкие частицы КМ внутри многослойной панели в течение всей операции сбора мелких частиц КМ. Для захвата и удержания мелких частиц КМ, обладающих сверхвысокой кинетической энергией, многослойная панель из пленки из углеродных нанотрубок может содержать несколько чередующихся слоев в виде сотовых ячеек и листов пленки из углеродных нанотрубок. В этом случае мелкие частицы КМ пробивают первый, третий, пятый листы многослойной панели и удерживаются последующим листом и.т.д.
Благодаря большой парусности многослойной панели из пленки из углеродных нанотрубок осуществляют постепенный переход многослойной панели с захваченными мелкими частицами КМ на более низкую орбиту и вход в плотные слои атмосферы. Торможение происходит в результате силы аэродинамического сопротивления, которая в сочетании с малой массой вызывает тормозное ускорение даже в очень сильно разреженных слоях атмосферы Земли.
Кроме силы аэродинамического сопротивления при движении по орбите на многослойную панель из пленки из углеродных нанотрубок дополнительно действует сила торможения вследствие взаимодействия листа многослойной панели в виде мелкоячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли [3]. Углеродные нанотрубки кроме высокой прочности обладают хорошими значениями электропроводности [5]. В силу взаимодействия листа многослойной панели в виде мелкоячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли повышается эффективность торможения многослойной панели с захваченными мелкими частицами КМ в сильно разреженных слоях атмосферы Земли.
Небольшие габаритные размеры многослойной панели в сложенном виде и низкая удельная масса пленки из углеродных нанотрубок позволяет разместить на МС несколько десятков многослойных панелей, уложенных в герметичные контейнеры. В результате один маневрирующий МС способен многократно осуществлять сбор мелких частиц КМ, причем на разных орбитах.
Использование развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек значительно упрощает процесс раскрытия многослойной панели в условиях открытого космоса. При этом используется эффект саморазворачивания многослойной панели под давлением остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек.
Кроме того, применение пленки из углеродных нанотрубок для изготовления развертывающих надувных элементов обеспечивает высокую стойкость к пробою развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек и в результате обеспечивается сохранность формы многослойной панели в процессе сбора мелких частиц КМ.
Таким образом, предлагаемый способ значительно повышает эффективность очистки ОКП от мелких частиц КМ.
В связи с вышеизложенным следует вывод о возможности применения предлагаемого способа очистки околоземного космического пространства от мелких частиц КМ на орбитах ниже 600 километров.
Источники информации.
1. Патент РФ на изобретение №2478062 «Способ очистки космоса от космического мусора». МПК B64G 1/00, B64G 99/00.
2. Патент РФ на изобретение №2092409 «Способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления». МПК B64G 9/00.
3. Космический мусор в рыболовные сети. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. X. №7. 2011. С. 26.
4. Углеродная нанопленка прочнее кевлара и углеродного волокна. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. XV. №5. 2016. С. 24.
5. Колмаков А.Г., Баринов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит. 2013. С. 134.
6. Афанасьев И. Четвертый рейд «корсара» // Новости космонавтики. 2015. №7. С. 29.