КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
SPACE VEHICLE AND CONTROL SYSTEM

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к космическому аппарату и системе управления.
Уровень техники
[0002] За последние годы проблемой стал рост количества мусора (космического мусора) в космическом пространстве. Мусор, в некоторых вариантах выполнения, состоит из искусственных спутников, которые больше не требуются, искусственных спутников, которые сломаны, частей искусственных спутников, которые были отделены в результате столкновения или подобного. Существует риск того, что мусор может столкнуться с работающими искусственными спутниками, и когда мусор сталкивается даже приблизительно на несколько сантиметров с искусственным спутником, искусственный спутник получает разрушительные повреждения. Более того, существует обеспокоенность относительно проблемы (синдром Кесслера) взрывного роста количества мусора вследствие увеличения количества мусора и столкновений между мусором и искусственными спутниками. Чтобы предотвратить рост количества мусора, мусор должен быть удален посредством сжигания или перемещен на орбиту (орбиту захоронения), на которой мусор не столкнется с другими искусственными спутниками.
[0003] В технологии, предложенной в качестве способа удаления мусора, мусор сцепляется с искусственным спутником (для удаления мусора), после чего оба входят в атмосферу, так что мусор удаляется посредством сжигания (патентная литература 1). В еще одной предложенной технологии, мусор управляется посредством выбрасывания газа из искусственного спутника, для того чтобы приложить усилие к мусору (патентная литература 2).
Патентная литература
[0004] Патентная литература 1: опубликованная заявка на патент Японии № 2015-174647
Патентная литература 2: перевод на японский язык заявки PCT № 2013-512145
Техническая проблема
[0005] Однако существует проблема со способом согласно патентной литературе 1 в том, что когда мусор вращается, трудно приблизится к мусору, и если произошло столкновение, количество мусора возрастет. Также проблемой является то, что искусственный спутник для удаления мусора также сгорает, приводя к существенному увеличению стоимости. При использовании способа согласно патентной литературе 2, необходимо приблизится к мусору, для того чтобы приложить к нему усилие, используя газ, выбрасываемый искусственным спутником, и это повышает риск столкновения.
[0006] Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении технологии для надежного изменения орбиты или ориентации цели в космическом пространстве.
Решение проблемы
[0007] Одним аспектом настоящего изобретения является космический аппарат для изменения орбиты или ориентации цели в космическом пространстве посредством облучения цели при помощи лазера, причем космический аппарат включает в себя: лазерную установку, выполненную с возможностью излучения лазера; фокусирующее устройство, выполненное с возможностью сведения в одну точку лазерного излучения; блок обнаружения, выполненный с возможностью получения информации об обнаружении, включающей в себя расстояние между космическим аппаратом и целью; и блок управления облучением, выполненный с возможностью управления фокусирующим устройством на основе расстояния, так чтобы лазерное излучение сводилось в одну точку на цели.
[0008] Согласно этой конфигурации, космический аппарат сводит лазерное излучение в одну точку, используя фокусирующее устройство, и таким образом может изменить орбиту или ориентацию цели посредством излучения лазера из удаленного местоположения. Следовательно, риск столкновения с целью может быть снижен. Здесь, в некоторых вариантах выполнения, космический аппарат является искусственным спутником, который управляет орбитой или ориентацией цели в космическом пространстве посредством облучения цели при помощи лазера. Дополнительно, цель является искусственным объектом, включающим в себя мусор (космический мусор), существующий в космическом пространстве, или объектом (метеоритом или подобным, в некоторых вариантах выполнения), отличным от искусственного объекта. Более того, посредством обнаружения цели в космическом пространстве, используя космический аппарат, небольшая цель (мусор размером, не превышающим 10 сантиметров, в некоторых вариантах выполнения) может быть обнаружена, и его орбита или ориентация может быть изменена посредством лазерного облучения.
[0009] Блок управления облучением предпочтительно выполнен с возможностью определения положения облучения лазером цели и/или выходной мощности лазерного излучения на основе информации об обнаружении. Согласно этой конфигурации, лазер может быть излучен с надлежащей выходной мощностью в надлежащее местоположение согласно информации об обнаружении (состоянии) цели. Более того, положение облучения может быть определено, для того чтобы исключить местоположения, где лазерное облучение может быть опасным.
[0010] Блок управления облучением предпочтительно выполнен с возможностью определения нового положения облучения и/или новой выходной мощности на основе информации об обнаружении, полученной после облучения при помощи лазера. Согласно этой конфигурации, лазер может наводиться на цель во время излучения. Более того, лазерное облучение может быть выполнено в соответствии с изменениями параметров цели (положение, скорость вращения и так далее), вызванными лазерным облучением. Информация об обнаружении предпочтительно включает в себя по меньшей мере один из следующих параметров: расстояние между космическим аппаратом и целью, положение, размер, форма, полученное изображение и вращательное состояние цели.
[0011] Блок управления облучением предпочтительно выполнен с возможностью осуществления управления так, чтобы лазер излучался с первой выходной мощностью (малой выходной мощностью) в случае, когда лазер необходимо навести, и осуществления управления так, чтобы лазер излучался со второй выходной мощностью (большой выходной мощностью), которая превышает первую выходную мощность, в случае, когда необходимо изменить орбиту или ориентацию цели. Согласно этой конфигурации, наведение и лазерное облучение могут быть выполнены, используя одну лазерную установку (источник излучения). Отметим, что источник излучения для наведения и источник излучения для лазерного облучения также могут быть обеспечены отдельно.
[0012] Космический аппарат предпочтительно дополнительно включает в себя зеркало, которое отражает лазер, излученный лазерной установкой, и блок управления облучением предпочтительно выполнен с возможностью изменения направления излучения лазера, используя зеркало. Согласно этой конфигурации, направление излучения лазера может быть легко изменено. Отметим, что направление излучения лазера также может быть изменено посредством изменения ориентации фокусирующего устройства или изменения ориентации самого космического аппарата.
[0013] Блок управления облучением предпочтительно выполнен с возможностью управления фокусирующим устройством, так чтобы лазер сводился в одну точку на элементе усиления реактивного движения, прикрепленном к цели, и возможностью определения положения облучения, так чтобы элемент усиления реактивного движения облучался лазером. Дополнительно, элемент усиления реактивного движения предпочтительно включает в себя прозрачный элемент, через который проходит излученный лазер, и непрозрачный элемент, который обеспечен между прозрачным элементом и целью и поглощает лазер, так что по меньшей мере часть его испаряется энергией лазера.
[0014] Согласно этой конфигурации, тяга, созданная посредством абляции (уноса массы), вызванной лазерным облучением, может быть увеличена. Прозрачный элемент является элементом, который пропускает лазер, и образован листовым элементом, микросферическим элементом или подобным в некоторых вариантах выполнения. Дополнительно, прозрачный элемент предпочтительно выполнен из материала, который остается прозрачным на протяжении периода эксплуатации (10-15 лет в некоторых вариантах выполнения) искусственного спутника, даже когда подвержен облучению атомарным кислородом, радиацией или подобным в космическом пространстве. Быть прозрачным, означает, что поглощение и рассеивание лазера (света) не возникает или возникает в заданном диапазоне. Фтор-каучук, чистое акриловое, кварцевое стекло или подобное предпочтительно используется в качестве материала прозрачного элемента в некоторых вариантах выполнения. Непрозрачный элемент является листовым элементом, в некоторых вариантах выполнения, и предпочтительно выполнен из материала, имеющего свойство расширяться в результате поглощения лазера. Когда непрозрачный элемент облучается лазером, по меньшей мере часть непрозрачного элемента испаряется энергией лазера, для того чтобы быть преобразованной в плазму и выброшенной. Реактивное движение прикладывается к объекту, к которому прикреплен элемент усиления реактивного движения, посредством силы Δv реакции на силу, при помощи которой непрозрачный элемент выбрасывается.
[0015] Одним аспектом настоящего изобретения является система управления, включающая в себя: космический аппарат, который обеспечен в космическом пространстве; и контрольная аппаратура, обеспеченная на Земле, в которой контрольная аппаратура включает в себя: блок обнаружения, выполненный с возможностью обнаружения положения цели; и передающее устройство, выполненное с возможностью передачи информацию о положении цели на космический аппарат, и в которой космический аппарат дополнительно включает в себя: приемное устройство, выполненное с возможностью приема положения от контрольной аппаратуры.
[0016] Отметим, что настоящее изобретение может рассматриваться в качестве лазерной установки, включающей в себя по меньшей мере некоторые из описанных выше конфигураций. Настоящее изобретение также может рассматриваться в качестве способа управления, включающего в себя по меньшей мере часть описанной выше обработки по программе, вызывающей выполнение этого способа компьютером, или машиночитаемой среды хранения, не временно хранящей программу. Конфигурации и обработка, описанные выше, могут быть объединены друг с другом, для того чтобы создать настоящее изобретение, при условии, что в результате не возникнут технические противоречия.
Полезные эффекты изобретения
[0017] Согласно настоящему изобретению, орбита или ориентация цели может быть надежно изменена в космическом пространстве.
Краткое описание чертежей
[0018] Фиг. 1 - вид, показывающий пример управления мусором согласно варианту выполнения;
Фиг. 2 - вид, показывающий пример лазерного облучения согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 3 - вид, показывающий пример бизнес-модели управления мусором согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 4A и 4B - виды, показывающие пример бизнес-модели управления мусором согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 5 - вид, показывающий пример бизнес-модели управления мусором согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 6 - вид, показывающий пример системы лазерного облучения согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 7 - вид, показывающий пример фокусирующего устройства и направляющего устройства согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 8 - блок-схема, показывающая пример обработки данных согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 9 - вид, показывающий пример положений облучения согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 10A-10D - виды, показывающие пример усиления реактивного движения, вызванного специальной пластиной согласно этому варианту выполнения;
Фиг. 11 - вид, показывающий пример специальной пластины согласно этому варианту выполнения; и
Фиг. 12A-12C - виды, показывающие пример специальной пластины согласно этому варианту выполнения.
Описание вариантов выполнения изобретения
[0019] Вариант выполнения
Краткое описание
Космический аппарат согласно этому варианту выполнения является искусственным спутником, который управляет орбитой или ориентацией цели в космическом пространстве посредством облучения цели при помощи лазера. Посредством управления орбитой или ориентацией цели, нежелательная цель, в некоторых вариантах выполнения, удаляется.
[0020] Цель является искусственным объектом, включающим в себя мусор (космический мусор), существующий в космическом пространстве, или объектом (метеоритом или подобным, в некоторых вариантах выполнения), отличающимся от искусственного объекта. Мусор включает в себя искусственные спутники, которые стали неуправляемыми, искусственные спутники, которые завершили свою работу и больше не требуются, и части искусственных спутников, которые были отделены в результате столкновения или подобного. В этом варианте выполнения, будет описан пример, в котором цель является мусором.
[0021] Управление орбитой или ориентацией означает изменение орбиты или ориентации цели (мусора), существующего в космическом пространстве. Изменение орбиты означает увеличение или уменьшение высоты мусора, в некоторых вариантах выполнения. Таким образом, мусор либо повторно входит в атмосферу, для того чтобы быть удаленным посредством сжигания, либо перемещается на орбиту (орбиту захоронения), на которой мусор не столкнется с другими спутниками, или искусственный спутник временно перемещается, для того чтобы избежать столкновения между мусором и другим объектом. Дополнительно, изменение ориентации означает управление вращением мусора в некоторых вариантах выполнения. Таким образом, снижается риск столкновения во время физического доступа.
[0022] Отметим, что в этом варианте выполнения будет описан пример, в котором искусственный спутник используется в качестве космического аппарата, но космический аппарат не ограничен беспилотным космическим аппаратом, и пилотируемый космический аппарат также может быть использован в качестве космического аппарата. Космический аппарат также может являться устройством (ведомым блоком), установленным на искусственном спутнике (ведущем блоке) или подобном.
[0023] Способ удаления мусора
Фиг. 1 вид, показывающий пример удаления мусора согласно этому варианту выполнения. Фиг. 1 показывает Землю 11, атмосферу 12, покрывающую Землю 11, и орбиту 13, служащую в качестве орбиты Земли. Дополнительно, космический аппарат 100 является искусственным спутником для облучения цели лазером. Мусор 200 является искусственным спутником, перемещающимся по орбите 13 со скоростью v, и предполагается, что у мусора 200 закончился период эксплуатации или подобное, и он больше не нужен. Космический аппарат 100 создает силу Δv реакции в мусоре 200 посредством облучения мусора 200 лазером. Высота мусора 200 уменьшается, в некоторых вариантах выполнения, посредством силы реакции, посредством чего мусор 200 повторно входит в атмосферу и удаляется посредством сжигания. Отметим, что способ удаления мусора не ограничен способом, описанным выше, и взамен, в некоторых вариантах выполнения, высота мусора 200 может быть увеличена (или уменьшена) для того чтобы переместить мусор 200 на орбиту (орбиту захоронения), на которой нет других искусственных спутников.
[0024] Фиг. 2 вид, показывающий силу реакции, созданную посредством лазерного облучения. Лазер 21 является лазером, излученным космическим аппаратом 100. Когда мусор 200 облучается лазером 21, вещество на поверхности мусора 200 испаряется, для того чтобы быть преобразованным в плазму и выброшенным (абляция плазмы). Когда в это время мусор 200 получает реакцию на силу (стрелка 22), с которой вещество выбрасывается, создается сила Δv реакции (стрелка 23).
[0025] Бизнес-модели удаления мусора
Следующие три модели, в некоторых вариантах выполнения, могут быть приведены в качестве бизнес-моделей удаления мусора, использующих космический аппарат согласно этому варианту выполнения. Модели будут описаны по порядку ниже.
1. Удаление мусора на основе запроса от организации технического обслуживания космического пространства
2. Удаление мусора на основе запроса от пользователя группировки спутников
3. Удаление мусора на основе запроса о выводе с орбиты геостационарного спутника
[0026] 1. Удаление мусора на основе запроса от организации технического обслуживания космического пространства
Фиг. 3 вид, показывающий пример бизнес-модели, использующей космический аппарат согласно этому варианту выполнения. Пользователем 31 космического пространства является страна, космическое агентство, оператор или подобное. Организация 32 технического обслуживания космического пространства является организацией, которая собирает денежные взносы от пользователя 31 космического пространства и следит за мусором, осуществляет запросы на удаление мусора и так далее. Агент 33 по удалению мусора является подрядчиком, который фактически удаляет мусор, используя космический аппарат согласно этому варианту выполнения или подобное. В некоторых вариантах выполнения, агент 33 по удалению мусора перемещает мусор (контролирует его орбиту) или подобное после получения платы за удаление мусора (запрос на удаление мусора) от организации 32 технического обслуживания космического пространства. В результате, снижается риск столкновения между мусором и искусственным спутником или подобным, управляемым пользователем 31 космического пространства.
[0027] Существует обеспокоенность относительно проблемы (синдром Кесслера) взрывного роста количества мусора, возникающего, когда спутники сталкиваются друг с другом в космическом пространстве. Более того, за последние годы, риск столкновения дополнительно возрос, поскольку количество малых спутников продолжает увеличиваться, приводя к повышению плотности объектов. Ввиду этих обстоятельств предполагается, что в ближайшем будущем будет иметь место потребность в активном уменьшении количества мусора в космосе. В этом случае, удаление мусора принесет пользу всем пользователям и, следовательно, ожидается, что будут созданы организации для сбора платежей, таких как описаны выше. Здесь, расширение сети наблюдения за мусором в космическом пространстве делает возможной бОльшую осведомленность о риске столкновений. Следовательно, подрядчик, который управляет космическим аппаратом согласно этому варианту выполнения, осуществляет удаление мусора на основе запросов от этих организаций в соответствии с риском столкновения.
[0028] 2. Удаление мусора на основе запроса от пользователя группировки спутников
Фиг. 4A вид, показывающий пример бизнес-модели, использующей космический аппарат согласно этому варианту выполнения. Пользователь 41 группировки является космическим агентством, оператором или подобным, который создает группировку спутников. Группировка спутников является группой спутниковых систем, в которой посредством совместного размещения множества искусственных спутников так, чтобы их диапазоны связи не перекрывались, покрывается вся поверхность Земли. Агент 42 по удалению мусора является подрядчиком, который принимает плату за размещение космического аппарата (запрос на размещение) от пользователя 41 группировки и размещает космический аппарат в зависимости от множества искусственных спутников. Обычно в группировке на одну и ту же орбиту запущено большое количество спутников, и следовательно, когда один спутник становится неуправляемым (неисправность искусственного спутника), существует риск того, что спутник столкнется с другим спутником (кризис устойчивости бизнеса).
[0029] В этом случае, агент 42 по удалению мусора, в ответ на запрос на вывод с орбиты от пользователя 41 группировки, использует космический аппарат согласно этому варианту выполнения для изменения орбиты неуправляемого спутник, для того чтобы снизить (исключить) риск столкновения с другим спутником в группировке. Затем в случае успеха агент 42 по удалению мусора получает вознаграждение от пользователя 41 группировки. Отметим, что во время создания группировки, космический аппарат предпочтительно располагается вблизи каждого из множества из искусственных спутников, составляющих группировку спутников. Таким образом, мусор может быть удален быстро. Отметим, что бизнес-модель не ограничена описанным выше, и взамен, посредством размещения одного или малого количества космических аппаратов на одной орбите и удаления мусора путем сближения с мусором, используя реактивную установку, установленную на космическом аппарате, мусор может быть удален с малыми затратами.
[0030] Фиг. 4B показывает множество искусственных спутников 200a - 200h, составляющих группировку спутников, и космический аппарат 100a - 100h, расположенный соответственно относительно множества искусственных спутников. Фиг. 4B показывает пример, в котором орбита искусственного спутника 200a изменяется (его высота снижается) посредством космического аппарата 100a, когда искусственный спутник 200a вышел из строя.
[0031] 3. Удаление мусора на основе запроса о выводе с орбиты геостационарного спутника
Фиг. 5 вид, показывающий пример бизнес-модели, использующей космический аппарат согласно этому варианту выполнения. Оператор 51 геостационарной орбиты управляет геостационарным спутником. Геостационарный спутник является искусственным спутником, который вращается по круговой орбите на высоте приблизительно 36 000 км с тем же периодом вращения, что и период вращения Земли. Агент 52 по удалению мусора является подрядчиком, который выводит с орбиты геостационарный спутник, управляемый оператором 51 геостационарной орбиты. Вывод с орбиты означает устранение искусственного спутника с орбиты. В некоторых вариантах выполнения, оператор 51 геостационарной орбиты заключает договор по выводу с орбиты с агентом 52 по удалению мусора посредством оплаты агенту 52 по удалению мусора платы по договору. Затем, когда искусственный спутник становится неуправляемым вследствие выработки топлива или подобного во время штатного режима работы, оператор 51 геостационарной орбиты направляет запрос агенту 52 по удалению мусора для устранения искусственного спутника с орбиты. В ответ на запрос, агент 52 по удалению мусора изменяет орбиту неуправляемого искусственного спутника. В результате, неуправляемый искусственный спутник устраняется (выводится) с орбиты. В некоторых вариантах выполнения, вывод с орбиты означает перемещение на орбиту, на которой отсутствуют другие искусственные спутники. Затем в случае успеха агент 52 по удалению мусора получает вознаграждение от оператора геостационарной орбиты.
[0032] Вышеприведенный пример является случаем, когда топливо (пропеллент) вырабатывается во время работы искусственного спутника, но отслеживание топлива, оставшегося в искусственном спутнике, является чрезвычайно неопределенным и, следовательно, необходимо обеспечивать резерв для надежного осуществления вывода с орбиты. Путем использования космического аппарата согласно этому варианту выполнения, оператору спутника не требуется обеспечивать резерв из-за неопределенности остатков топлива или резерв топлива для вывода с орбиты. В результате, оператор спутника может использовать космический аппарат для управления орбитой и так далее, до тех пор, пока топливо не выработается полностью.
[0033] Конфигурация
Фиг. 6 вид, показывающий конфигурацию системы лазерного облучения согласно этому варианту выполнения. Система лазерного облучения включает в себя космический аппарат 100, контрольную аппаратуру 110 и так далее.
[0034] Космический аппарат 100
Космический аппарат 100 является искусственным спутником, имеющим функцию облучения лазером. Космический аппарат 100 включает в себя устройство 101 сбора данных, блок 102 обнаружения, блок 103 управления, реактивную установку 104, устройство 105 связи, лазерную установку 106, фокусирующее устройство 107, направляющее устройство 108 и так далее. Космический аппарат 100 облучает мусор 200 лазером, излучаемым лазерной установкой 106 через фокусирующее устройство 107 и направляющее устройство 108.
[0035] Устройство 101 сбора данных является функциональном блоком для получения изображения, используя формирователь изображения, не показанный на фигурах. Устройство 101 сбора данных также получает отраженный свет поискового лазера, излучаемого лазерной установкой 106, описанной ниже. Устройство 101 сбора данных также может рассматриваться в качестве различных датчиков.
[0036] Блок 102 обнаружения является функциональным блоком для получения информации об обнаружении мусора 200 на основе изображения или отраженного света, полученного посредством устройства 101 сбора данных. Информация об обнаружении является расстоянием между космическим аппаратом 100 и мусором 200, положением, размером и формой мусора 200, собранным изображением мусора 200, вращательным состоянием(ориентацией) мусора 200 и так далее. Блок 102 обнаружения получает расстояние между космическим аппаратом 100 и мусором 200, используя лидар (обнаружение и определение дальности с помощью света), в некоторых вариантах выполнения.
[0037] Блок 103 управления (средство управления облучением) управляет фокусирующим устройством 107 на основе расстояния между космическим аппаратом 100 и мусором 200, так чтобы лазер, излученный лазерной установкой 106, сводился в одну точку на мусоре 200. Когда фокусирующее устройство 107 является оптической системой, в некоторых вариантах выполнения, фокусное расстояние оптической системы регулируется. Блок 103 управления также является функциональным блоком для определения положения, в котором мусор 200 подлежит облучению лазером, и выходной мощности лазера на основе информации об обнаружении, полученной посредством блока 102 обнаружения. В некоторых вариантах выполнения, блок 103 управления определяет положение лазерного облучения на основе положения и ориентации мусора 200, обнаруженных посредством блока 102 обнаружения, и подходящую область для лазерного облучения. Подходящие области для лазерного облучения являются областями, исключающими местоположения (топливный бак или подобное, в некоторых вариантах выполнения), в которых лазерное облучение может быть опасным. Блок 103 управления также может определять положение и время лазерного облучения с учетом безопасных районов на земле и так далее. Безопасные районы являются районами, где могут упасть элементы мусора 200, которые не сгорают, когда мусор 200 повторно входит в атмосферу или подобное. В некоторых вариантах выполнения, безопасный район является районом в море, который находится в по меньшей мере от нескольких десятков до нескольких сотен морских миль от морских путей, воздушных путей, суши и так далее. Блок 103 управления предпочтительно получает информацию, относящуюся к подходящим районам для лазерного облучения и безопасным районам от контрольной аппаратуры 110, описанной ниже, посредством устройства 105 связи.
[0038] Реактивная установка 104 является функциональным блоком для управления ориентацией или орбитой космического аппарата 100, используя установку создания реактивного движения (привод), такую как двигатель или маховик, для того чтобы регулировать космический аппарат 100 до требуемой для лазерного облучения ориентации. Нет конкретных ограничений на способ управления ориентацией, и существующий способ, такой как способ пространственной стабилизации, способ смещения момента или способ нулевого момента может быть использован.
[0039] Устройство 105 связи является функциональным блоком для сообщения с контрольной аппаратурой 110 на земле. Посредством устройства 105 связи, космический аппарат 100 получает примерное положение (примерное орбитальное положение) мусора 200, информацию, относящуюся к подходящим для лазерного облучения районам и безопасным районам, и так далее.
[0040] Лазерная установка 106 является установкой для излучения лазера. В этом варианте выполнения, лазерная установка 106 излучает лазер высокой интенсивности (мощности), используя систему импульсного лазера, в которой волоконные лазеры используются параллельно. Лазерная установка 106 предпочтительно выполнена с возможностью излучения приблизительно трехкратной выходной мощности, требуемой для создания абляции, описанной ниже. Отметим, что лазер не ограничен описанным выше, и различные лазеры, такие как твердотельный лазер, могут использоваться для излучения. При поиске мусора 200 или наведении лазера на мусор 200, в некоторых вариантах выполнения, может излучаться лазер малой мощности. Отметим, что источник света для наведения и источник света для лазерного облучения могут быть обеспечены отдельно. Дополнительно, источник света для наведения может излучать свет в видимой области спектра.
[0041] Фокусирующее устройство 107 является элементом для сведения в одну точку лазера, излученного лазерной установкой 106. Используя фокусирующее устройство 107, космический аппарат 100 может излучать лазер на мусор 200 даже из удаленного местоположения. В этом варианте выполнения, фокусирующее устройство 107 использует обычный телескоп, но фокусирующее устройство 107 не ограничено телескопом и может являться любым элементом для сведения в одну точку лазера. Более того, в этом варианте выполнения, положение на расстоянии приблизительно 20-1000 метров в направлении от мусора 200 рассматривается как удаленное местоположение, но нет конкретных ограничений на расстояние между космическим аппаратом 100 и мусором 200.
[0042] Направляющее устройство 108 является элементом для изменения направления излучения лазера посредством фокусирующего устройства 107. Выполненное с возможностью перемещения зеркало, в некоторых вариантах выполнения, может быть использовано в качестве направляющего устройства 108. Используя направляющее устройство 108, космический аппарат 100 может легко ориентировать направление излучения лазера на мусор 200 даже из удаленного местоположения. Более того, направление излучения лазера может быть легко ориентировано на мусор 200 из удаленного местоположения, даже когда космический аппарат 100 и мусор 200 находятся не на одной и той же орбите, и в результате, риск столкновения космического аппарата 100 с мусором 200 снижается.
[0043] Фиг. 7 вид, показывающий пример конфигурации фокусирующего устройства 107 и направляющего устройства 108 согласно этому варианту выполнения. Излучение лазера от лазерной установки 106 постепенно сводится в одну точку, проходя через фокусирующее устройство 107. Затем лазер отражается направляющим устройством 108, посредством чего направление его излучения изменяется.
[0044] Отметим, что способ ориентации лазера на цель не ограничен тем, что описано выше. В некоторых вариантах выполнения, направление лазерного излучения может быть изменено посредством управления ориентацией самого космического аппарата 100 вместо использования направляющего устройства 108. Дополнительно, направление лазерного излучения может быть изменено посредством изменения ориентации фокусирующего устройства 107. Отметим, что в этом варианте выполнения показан пример, в котором фокусирующее устройство 107 и направляющее устройство 108 обеспечены как части космического аппарата 100, но фокусирующее устройство 107 и направляющее устройство 108 могут быть обеспечены отдельно от космического аппарата 100.
[0045] Контрольная аппаратура 110
Контрольная аппаратура 110 является установкой для обнаружения примерного положения мусора 200 и передачи информации об обнаруженном мусоре 200 космическому аппарату 100. Контрольная аппаратура 110 также может передавать информацию, относящуюся к подходящим районам для лазерного облучения и безопасным районам и так далее, космическому аппарату 100.
[0046] Мусор 200
[0047] В этом варианте выполнения, мусор 200 может включать в себя большие объекты, такие как искусственные спутники, который стали неуправляемыми, или искусственные спутники, которые завершили свою работу и больше не требуются, и малые объекты, такие как части (компоненты, такие как винты, в некоторых вариантах выполнения) искусственных спутников и так далее, которые были отделены посредством столкновения или подобного. Отметим, что мусор 200 не ограничен описанным выше и включает в себя объекты (метеориты и так далее, в некоторых вариантах выполнения), существующие в космическом пространстве. Дополнительно, нет конкретных ограничений на размер мусора 200. В общем, объекты в космическом пространстве с размерами по меньшей мере 10 [см] могут быть обнаружены с земли, но для того чтобы обнаружить мусор 200 в космическом пространстве, космический аппарат 100 согласно этому варианту выполнения выполнен с возможностью обнаружения даже объектов с размером равным или менее 10 [см].
[0048] Обработка данных
Фиг. 8 блок-схема, показывающая пример обработки согласно этому варианту выполнения.
[0049] На этапе S801, контрольная аппаратура 110 обнаруживает примерную орбиту (положение) мусора 200. Затем контрольная аппаратура 110 передает обнаруженное положение мусора 200 космическому аппарату 100.
[0050] На этапе S802, блок 102 обнаружения ищет мусор 200 на основе примерного положения, полученного как описано выше, и получает информацию об обнаружении мусора 200. В некоторых вариантах выполнения, в качестве информации об обнаружении блок 102 обнаружения получает расстояние между космическим аппаратом 100 и мусором 200, положение, размер и форму мусора 200, полученное изображение мусора 200, вращательное состояние (ориентацию) мусора 200 и так далее.
[0051] На этапе S803, блок 103 управления определяет переводить или нет режим облучения космического аппарата 100 в режим блокировки. Режим блокировки является режимом для облучения лазером мусора 200, обнаруженного космическим аппаратом 100. Когда установлен режим блокировки, обработка переходит к этапу S804, и когда режим блокировки не установлен, обработка возвращается к этапу S801.
[0052] На этапе S804, космический аппарат 100 излучает лазер, для того чтобы навести лазер. Более конкретно, лазер, излученный лазерной установкой 106, сводится в одну точку, проходя через фокусирующее устройство 107. Затем направление его излучения изменяется посредством направляющего устройства 108. В этом варианте выполнения, блок 103 управления управляет фокусирующим устройством 107 на основе расстояния между космическим аппаратом 100 и мусором 200 (информация об обнаружении), так чтобы лазер сводился в одну точку на мусоре 200. Здесь, в этом варианте выполнения, при наведении лазера блок 103 управления устанавливает выходную мощность лазера на “малая (первая выходная мощность)”.
[0053] Фиг. 9 вид, показывающий пример положений облучения на мусоре 200. Излучая лазер на угловые участки (области A1 - A4, в некоторых вариантах выполнения) на каждой поверхности мусора, в некоторых вариантах выполнения, создается угловой крутящий момент. Дополнительно, излучая лазер поочередно на противоположные углы, может быть приложено внешнее усилие для перемещения мусора 200. Излучение лазера поочередно на противоположные углы означает излучение лазера в порядке область A1 → область A4 → область A1 → область A4, в некоторых вариантах выполнения. Внешнее усилие для перемещения мусора 200 также может быть приложено посредством излучения лазера на центральный участок (область A5, в некоторых вариантах выполнения).
[0054] На этапе S805, блок 103 управления определяет совпадает или нет положение наведения, описанное выше, с положением, которое было фактически облучено. В некоторых вариантах выполнения, блок 103 управления получает положение, которое было фактически облучено на основе изображения, полученного посредством устройства 101 сбора данных. Когда положения совпадают, обработка переходит к этапу S806, и когда положения не совпадают, обработка возвращается к этапу S804.
[0055] На этапе S806, космический аппарат 100 излучает лазер, для того чтобы облучить им мусор 200. В этом варианте выполнения, когда орбита или ориентация цели подлежит изменению, блок 103 управления задает выходную мощность лазера на “высокая (вторая выходная мощность)”.
[0056] На этапе S807, блок 102 обнаружения обнаруживает орбиту или ориентацию мусора 200.
[0057] На этапе S808, блок 103 управления определяет завершено или нет управление мусором 200. В некоторых вариантах выполнения, управление завершается в случае, когда мусор 200 был перемещен на целевую орбиту во время управления орбитой, в случае, когда мусор 200 перестал вращаться (относительно своей оси) во время управления ориентацией, и так далее. Когда управление завершено, обработка прерывается, и когда управление не завершено, обработка переходит к этапу S809.
[0058] На этапе S809, блок 103 управления определяет момент I инерции или центр G тяжести мусора 200 на основе информации об обнаружении, описанной выше.
[0059] На этапе S810, блок 103 управления обновляет различные параметры. В некоторых вариантах выполнения, когда выполняется управление ориентацией мусора 200, блок 103 управления обновляет параметры так, чтобы крутящий момент (называемый измеренный крутящий момент N1), измеренный на основе информации об обнаружении, описанной выше, совпадал с предполагаемым крутящим моментом (называемым предполагаемый крутящий момент N2). Здесь в качестве параметров обновляются (регулируются) предполагаемая тяга F и расстояние r от расположения фокуса до центра тяжести. Предполагаемая тяга F может регулироваться посредством изменения интенсивности (уровня) излученного лазера, в некоторых вариантах выполнения. Здесь, измеренный крутящий момент N1 определен следующим образом, используя предполагаемое ускорение α, момент I инерции, изменение ω0 измеренной начальной ориентации и изменение ω1 ориентации после облучения. Дополнительно, предполагаемый крутящий момент N2 определен следующим образом, используя предполагаемую тягу F и расстояние r. Отметим, что может быть обеспечена таблица преобразования для хранения и управления параметрами для каждого элемента мусора.
Измеренный крутящий момент N1
N1=I × α = I × (ω1 - ω0)
Предполагаемый крутящий момент N2
N2=F × r
[0060] На этапе S811, блок 103 управления рассчитывает крутящий момент, требуемый для изменения ориентации мусора 200 или перемещения мусора 200.
[0061] На этапе S812, блок 103 управления определяет положение облучения лазера на основе требуемого крутящего момента. Любое положение на мусоре 200 может быть задано в качестве положения облучения лазера, но положение облучения предпочтительно определено так, чтобы лазер излучался на элемент усиления реактивного движения (специальная пластина), описанный ниже. Дополнительно, положение облучения предпочтительно определено так, чтобы исключить местоположения, где лазерное облучение может быть опасным. Блок 103 управления предпочтительно получает эти возможные опасные местоположения от контрольной аппаратуры 110 посредством устройства 105 связи. Более того, блок 103 управления рассчитывает выходную мощность лазера на основе требуемого крутящего момента. Затем обработка возвращается к этапу S806.
[0062] Управление орбитой или ориентацией цели осуществляется посредством обнаружения орбиты и ориентации цели, за которым следует лазерное облучение и передача обнаруженной орбиты и ориентации обратно для управления положением лазерного облучения и выходной мощности, как описано выше.
[0063] Оценка результатов управления орбитой/ориентацией
6
Далее будет описана оценка результатов удаленного управления орбитой, выполняемая космическим аппаратом 100 согласно этому варианту выполнения. В этих оценках предполагается, что космический аппарат 100 излучает лазер мощностью 100 [Вт] из местоположения в 100 метрах в направлении от мусора 200. Дополнительно, большой, кубический мусор со сторонами по 1 метру и массой (М) в 1 [т] рассматривается в качестве мусора 200. В этом случае, было оценено, что в результате лазерного облучения, мусор 200 получит силу (Δv) реакции в размере 20 [м/с]. Согласно этой оценке результата, посредством излучения лазера непрерывно в течение 10 секунд, высота мусора 200 может быть перемещена приблизительно на 66 [км].
Условия оценки
Выходная мощность лазера: 100 [Вт]
3
Размер мусора: 1 [м]
Масса мусора: 1 [т]
Оценка результатов
Сила реакции: 20 [м/с]
6
Величина перемещения: 66 [км] (за 10 [с])
-5
2
2
[0064] Дополнительно, когда удаленное управление вращением (управление ориентацией) было выполнено при условиях оценки, аналогичных описанным выше, была получена оценка результата, согласно которой угловое ускорение (α) мусора 200 составляло 3х10 [рад/с]. Согласно этой оценке результата, посредством излучения лазера непрерывно в течение 106 секунд, угловая скорость (ω) мусора 200 достигает 30 [рад/с]. Здесь, момент инерции (I=2 × a × М/3) относительно оси вращения, проходящей через одну сторону куба, имеющего стороны a и массу М, используется в вышеприведенной оценке.
Оценка результатов
-5
2
Угловое ускорение: 3 × 10 [рад/с]
6
Угловая скорость: 30 [рад/с] (за 10 [с])
[0065] Согласно вышеприведенным оценкам результатов, орбита и ориентация мусора 200 массой 1 [т] могут быть изменены даже при помощи лазерной установки мощностью приблизительно 100 [Вт]. Лазер мощностью 100 [Вт] может быть выполнен в виде небольшой, кубической лазерной установки со сторонами всего 30 [см], и в результате, лазерная установка может быть установлена на небольшой искусственный спутник, что ожидаемо приведет к снижению стоимости.
[0066] Специальная пластина
Далее будет описана специальная пластина, которая в этом варианте выполнения прикреплена к мусору 200. Специальная пластина согласно этому варианту выполнения является элементом, который создает абляцию в ответ на лазерное облучение и увеличивает созданную в результате силу реакции плазмы. Специальная пластина также может рассматриваться в качестве элемента усиления реактивного движения.
[0067] Предусматривается крепление специальной пластины на искусственный спутник заранее, перед запуском, но также она может быть прикреплена в космическом пространстве. Дополнительно, специальная пластина предпочтительно прикреплена к областям A1 - A5 на Фиг. 9, но нет конкретных ограничений на положение закрепления, форму и размер специальной пластины. В некоторых вариантах выполнения, специальная пластина может быть прикреплена в виде ленты на поверхности мусора 200 или прикреплена по всей поверхности мусора 200. Более того, может быть обеспечено множество специальных пластин в виде ленты, и углы специальных пластин могут быть выполнены с возможностью изменения.
[0068] Усиление реактивного движения, используя специальную пластину
Фиг. 10A - 10D виды, показывающие примеры усиления реактивного движения, используя специальную пластину 900 согласно этому варианту выполнения. Фиг. 10A показывает базовую конструкцию специальной пластины 900 согласно этому варианту выполнения. Специальная пластина 900 является элементом, который прикреплен к поверхности мусора 200 и включает в себя прозрачный элемент 901, непрозрачный элемент 902 и так далее. Далее будет подробно описана конструкция специальной пластины 900. Фиг. 10B показывает силу (стрелка 22), при помощи которой часть непрозрачного элемента 902 выбрасывается посредством абляции в результате лазерного облучения, показанного на Фиг. 10A, и силу Δv реакции (стрелка 23) на нее. Фиг. 10C показывает пример случая, когда поверхность мусора 200 облучается лазером 21 без использования специальной пластины 900. Фиг. 10D показывает силу (стрелка 22), при помощи которой часть мусора 200 выбрасывается посредством абляции в результате лазерного облучения, показанного на Фиг. 10C, и силу Δv реакции (стрелка 23) на нее. Здесь, когда сравниваются Фиг. 10B и Фиг. 10D, на Фиг. 10D сила Δv реакции, вызванная силой (стрелка 22), при помощи которой выброшенное вещество выпускается в космическое пространство, тогда как на Фиг. 10B на несколько порядков бóльшая сила Δv реакции вызывается силой, при помощи которой выброшенное вещество толкает прозрачный элемент 901 наружу.
[0069] Конфигурация специальной пластины
Фиг. 11 вид, показывающий пример специальной пластины 900 согласно этому варианту выполнения. Специальная пластина 900 согласно этому варианту выполнения включает в себя прозрачный элемент 901, непрозрачный элемент 902, защитный элемент 903 и так далее.
[0070] Прозрачный элемент 901 является элементом, через который проходит описанный выше лазер. Нет конкретных ограничений на форму прозрачного элемента 901, но в этом варианте выполнения в качестве примера будет описан листовой элемент. Прозрачный элемент 901 предпочтительно выполнен из материала, который остается прозрачным на протяжении периода эксплуатации (10-15 лет, в некоторых вариантах выполнения) искусственного спутника, даже когда подвержен облучению атомарным кислородом, радиацией и так далее в космическом пространстве. Быть прозрачным, означает, что поглощение и рассеивание лазера (света) не возникает или возникает в заданном диапазоне. В этом варианте выполнения, будет описан пример, в котором прозрачный элемент 901 выполнен из фтор-каучука. Причина состоит в том, что энергия C-F связи во фтор-каучуке велика, тем самым делая фтор-каучук теплостойким, коррозионностойким и так далее. Отметим, что при условии, что прозрачный элемент 901 является прозрачным, чистое акриловое, кварцевое стекло и так далее может быть использовано взамен.
[0071] Непрозрачный элемент 902 является элементом, обеспеченным между мусором 200 и прозрачным элементом 901. Нет конкретных ограничений на форму непрозрачного элемента 902, но в этом варианте выполнения в качестве примера будет описан листовой элемент. Непрозрачный элемент 902 имеет свойство расширения в результате поглощения лазера, описанного выше, и энергия лазера вызывает испарение по меньшей мере части непрозрачного элемента 902, для преобразования в плазму и выбрасывания. Непрозрачный элемент 902 является предпочтительно непрозрачным элементом, выполненным из материала, который легко испаряется (имеет низкую точку кипения), но имеет точку кипения, при которой солнечное тепло не вызывает испарение. В некоторых вариантах выполнения, непрозрачный элемент 902 может быть выполнен из акрилового полимера, содержащего черный материал (черный радий или подобное, в некоторых вариантах выполнения). Отметим, что непрозрачный элемент 902 не ограничен акриловым полимером, описанным выше. В некоторых вариантах выполнения, спирт может быть использован в качестве непрозрачного элемента.
[0072] Защитный элемент 903 является элементом, обеспеченным на по меньшей мере одной поверхности специальной пластины 900 и используемым для защиты прозрачного элемента 901 и так далее в течение периода эксплуатации искусственного спутника. Защитный элемент 903 предпочтительно имеет по меньшей мере одну функцию среди защиты от излучения, светоизоляции (предотвращения нагрева от солнечного света) и защиты от окисления (защиты от окисления атомарным кислородом). Отметим, что защитный элемент 903 также может иметь функцию предотвращения трения о другие объекты. Нет конкретных ограничений на материал защитного элемента 903, но могут быть использованы перфторуглерод, кварц, фтор-каучук, полиамидная пленка (Kapton (зарегистрированная торговая марка) или подобное, в некоторых вариантах выполнения), металл, такой как алюминий, или подобное. Отметим, что защитный элемент 903 предпочтительно испаряется в ответ на лазерное облучение. Также отметим, что защитный элемент 903 необязательно должен быть обеспечен.
[0073] Дополнительно, в этом варианте выполнения, метка, такая как символ, нанесена на поверхность специальной пластины 900 (поверхность защитного элемента 903, в некоторых вариантах выполнения). Это обеспечено для того, чтобы положение специальной пластины 900 можно было легко обнаружить, и чтобы специальную пластину 900 можно было идентифицировать при наведении лазера. Фиг. 12A - 12C виды, показывающие примеры меток. Фиг. 12A показывает пример, в котором буквенно-цифровые обозначения нанесены на поверхность специальной пластины 900. Нет конкретных ограничений на содержание буквенно-цифровых обозначений. В примере, показанном на Фиг. 12A, буквенно-цифровые обозначения “A5” прикреплены к области A5, показанной на Фиг. 9. Метка может являться символом, буквенно-цифровым обозначением, фигурой, одномерным кодом, двумерным кодом или подобным. Альтернативно, окрашивание может быть нанесено на поверхность в качестве метки. Дополнительно, как показано на Фиг. 12B, область лазерного облучения (заштрихованный участок на Фиг. 12B) и область нанесения метки могут быть обеспечены отдельно на поверхности специальной пластины 900. Таким образом, область нанесения метки остается на поверхности после первого лазерного облучения и, следовательно, обнаружение и идентификация положения, описанные выше, могут быть выполнены вновь во время следующего лазерного облучения. Более того, как показано на Фиг. 12C, линии, обозначающие цели, могут быть нанесены на поверхность специальной пластины 900 (Фиг. 12C). Отметим, что метки, описанные выше, являются примерами и могут быть изменены при необходимости в соответствии с формой и местом крепления специальной пластины 900.
[0074] Ламинированная структура
Как показано на Фиг. 11, специальная пластина 900 согласно этому варианту выполнения имеет структуру, в которой один или более прозрачных элементов 901 и непрозрачных элементов 902 расположены слоями поочередно. Нет конкретных ограничений на количество ламинированных слоев, но предпочтительно обеспечены 10-100 слоев. Фиг. 11 показывает пример, в котором обеспечены 50 слоев. Специальная пластина 900 согласно этому варианту выполнения является элементом с толщиной приблизительно (0,1+0,1) × 50=10 [мм], в некоторых вариантах выполнения, где прозрачный элемент 901 и непрозрачный элемент 902 имеют толщину по 0,1 [мм] каждый, и 50 слоев каждого уложены слоями.
[0075] Более того, в этом варианте выполнения, прозрачный элемент 901 и непрозрачный элемент 902 имеют ламинированную структуру. Следовательно, даже когда непрозрачный элемент 902 (Слой 1) испаряется в ответ на первое лазерное облучение, во время следующего лазерного облучения лазер 21 проходит через второй слой прозрачного элемента 901 (Слой 2), для того чтобы испарить второй слой непрозрачного элемента 902 (Слой 2). В результате этой конфигурации, даже когда лазерное облучение выполняется неоднократно, сила реакция может быть усилена, при условии что остается по меньшей мере один слой каждого из прозрачного элемента 901 и непрозрачного элемента 902.
[0076] Полезные эффекты этого варианта выполнения
Имея конфигурацию, описанную выше, космический аппарат 100 может изменить орбиту и ориентацию мусора 200 удаленно. Таким образом, потребность в космическом аппарате 100 для подхода к мусору 200 может быть устранена, и в результате, риск столкновения между космическим аппаратом 100 и мусором 200 может быть снижен.
[0077] Дополнительно, имея описанную выше конфигурацию, космический аппарат 100 может выполнять управление орбитой и ориентацией мусора весом приблизительно 1 [т], даже когда используется небольшая лазерная установка с выходной мощностью приблизительно 100 [Вт]. В результате, можно ожидать снижение в размере и стоимости космического аппарата, на который установлена лазерная установка. Более того, облучая специальную пластину, описанную выше, при помощи лазера в качества цели, орбита и ориентация мусора могут быть изменены, используя даже меньшую лазерную установку.
[0078] Более того, имея описанную выше конфигурацию, космический аппарат 100 может изменить орбиту и ориентацию мусора 200 посредством изменения ориентации лазера, используя направляющее средство, в некоторых вариантах выполнения, даже когда космический аппарат 100 не отслеживает мусор 200. В результате, может быть уменьшено количество топлива, используемое для перемещения космического аппарата 100.
[0079] Более того, имея описанную выше конфигурацию, космический аппарат 100 может управлять орбитой и ориентацией самого космического аппарата 100 или мусора 200 только посредством лазерного облучения, не используя реактивную установку (двигатель, в некоторых вариантах выполнения). Таким образом, необходимость резервирования топлива и так далее, для того чтобы перемещать искусственный спутник после завершения периода его эксплуатации, может быть устранена, и в результате стоимость эксплуатации может быть снижена.
[0080] Другое
Конфигурации вариантов выполнения и измененных примеров, описанных выше, могут быть использованы в надлежащих комбинациях в пределах объема, который не отступает от технической сущности настоящего изобретения. Дополнительно, настоящее изобретение может быть выполнено посредством применения к нему надлежащих модификаций в пределах объема, который не отступает от его технической сущности.
Перечень ссылочных позиций
[0081]
100 - космический аппарат
101 - устройство сбора данных
102 - блок обнаружения
103 - блок управления
104 - реактивная установка
105 - устройство связи
106 - лазерная установка
107 - фокусирующее устройство
108 - направляющее устройство
110 - контрольная аппаратура
200 - мусор
900 - специальная пластина
901 - прозрачный элемент
902 - непрозрачный элемент
903 - защитный элемент