Способ защиты космических аппаратов
METHOD FOR PROTECTION OF SPACECRAFTS

Изобретение относится к области космической техники, а именно к методам и средствам защиты космических аппаратов (КА) от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности, в том числе фрагментов разрушенных космических аппаратов («космического мусора»).
Известен своим практическим использованием способ защиты космического аппарата, включающий обнаружение в космическом пространстве инородных частиц и увод самого аппарата из опасной зоны соударения с этими частицами путем запуска ракетного двигателя (RU 2209161 С2).
К недостаткам данного способа можно отнести снижение эффективности работы КА, вследствие изменений заданной орбиты при уходе от столкновения с объектами, а также ограничения по запасу топлива, требующегося для осуществления маневров космического аппарата.
Также существует способ защиты космических объектов (RU 2294866 С1), который заключается в том, что перед космическим аппаратом на минимально допустимом расстоянии от него развертывают защитный экран в направлении возможного воздействия.
Недостатками данного способа являются относительно низкая вероятность ликвидации угрозы, в силу того, что после воздействия поражающими элементами экрана, опасный объект все равно способен нанести вред защищаемому объекту из-за относительно малого расстояния между средством защиты и самим КА, а также одноразовость данных экранов в условиях группы опасных объектов.
Наиболее близким по технической сущности является способ защиты космических аппаратов от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности, движущихся по орбите Земли, заключающийся в направлении в сторону опасности перед КА экрана, который выполнен в виде твердого тела малой плотности (RU 2374150). Экран выдувается газом из полимерного материала с малым временем затвердевания в условиях вне защищаемого КА. Полимерный материал или его смесь с указанным газом обладают свойством детонации при столкновении с опасными объектами.
Недостатком известного способа является его относительно низкая эффективность при обеспечении защиты от объектов, вследствие их подрыва и разделения на более мелкие части, которые могут обладать большей скоростью, чем исходное тело. При этом траектория их движения трудно прогнозируема. Еще одним недостатком является то, что система защиты находится непосредственно перед КА, что не позволяет достаточным образом осуществить противодействие в случаях угрозы сбоку или с тыла.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании нового способа защиты космических аппаратов от возможных угроз естественного и искусственного происхождения с применением перспективного направления развития науки и техники, выраженного в виде ускорителя твердых тел.
Требуемый технический результат достигается тем, что предлагаемая система защиты располагается на отдельном космическом аппарате, который способен обеспечить необходимый уровень безопасности одному или нескольким защищаемым КА за счет возможности обнаружения и ликвидации угрозы в пределах контролируемой зоны, представляющей собой сферу с центром в самой установке. Также из-за применения специального заряда с высокими показателями пластичности и липучести, разогнанного с помощью электромагнитного метательного устройства рельсового типа, сводится к минимуму вероятность распада опасного объекта на более мелкие части, которые, в свою очередь, могут являться новой угрозой защищаемым космическим аппаратам.
Сущность разработанного способа заключается в том, что в направлении потенциально опасных объектов нацеливают ускоритель твердых тел, который благодаря выстрелу специального снаряда, ударяющегося и прилипающего к опасному объекту, передает ему свой импульс, изменяет его траекторию и позволяет минимизировать возможность столкновения данных объектов с КА. В идеальном случае возможно создание абсолютно неупругого удара, в результате которого тела соединяются и продолжают свое дальнейшее движение как единое тело.
С целью повышения эффективности способа, в направлении опасных объектов может быть применено несколько установок.
Установку выполняют в виде отдельного космического аппарата, размещаемого на соответствующей орбите Земли, таким образом, чтобы иметь возможность ликвидации потенциальных угроз в установленной зоне космического пространства. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности защиты КА от столкновений с потенциально опасными объектами при помощи ускорителя твердых тел, применяемого в новых для последнего условиях открытого космоса.
Целью изобретения является достижение требуемой эффективности защиты КА от опасных объектов в космосе за счет снижения вероятности столкновения с опасными объектами и, как следствие, разрушения КА.
Указанная цель достигается тем, что установку с ускорителем твердых тел выводят на орбиту Земли с помощью ракетоносителя. Ускоритель твердых тел обеспечивают собственной двигательной установкой, основное назначение которой заключается в компенсации силы противодействия после выстрела, возникающей вследствие проявления третьего закона Ньютона и сохранения установки в заданном положении. При выявлении системой обнаружения установки потенциально опасных объектов рассчитывается траектория запуска специального снаряда, который после выстрела и столкновения с объектом, передает ему свой импульс, тем самым меняя первоначальное направление движения опасного объекта. В качестве основного компонента снаряда, способного обеспечить неупругий удар, используют особый тип сухого двустороннего адгезивного материала, обладающего высокими показателями пластичности и липучести ("Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No 7, Release Date: 16.11.2016). Основой установки, способной обеспечить необходимую скорость снаряда, является рельсотрон (RU 2094934 С1) или его аналоги. С помощью которого возможно получить скорость до 13-15 км/с метаемого снаряда при выходе из ствола.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен пример технической реализации предлагаемого способа, который содержит:
1. защищаемый космический аппарат;
2. установка;
3. снаряд;
4. потенциально опасные объекты.
Для осуществления данного способа в состав установки предлагается включить:
1. систему управления установкой, которая позволит определять подконтрольную зону защиты, выявлять опасные объекты и осуществлять нацеливание на них;
2. источники электропитания, представляющие собой солнечные батареи, выступающие в качестве источника энергии, и батарею конденсаторов, которая создает короткий токовый импульс большой мощности и вырабатывает энергию для приводов системы наведения;
3. коммутирующее устройство, представляющее собой систему кабелей, предназначенных для передачи накопленной энергии;
4. пусковую установку, представляющую собой ствол с параллельными электродами, усиленный силовыми элементами для обеспечения стойкости конструкции к высоким нагрузкам;
5. двигательную установку, необходимую для компенсации силы противодействия после выстрелов и придания заданного положения всей конструкции в пространстве.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: при реагировании системы обнаружения установки на приближение потенциально опасных объектов 4 к аппарату 1 система управления установки 2 рассчитывает необходимые параметры для осуществления выстрела снарядом 3. В рассчитанный момент времени производят выстрел. В момент выстрела осуществляют включение двигательной установки, которая компенсирует силу противодействия. При столкновении с потенциально опасным объектом 4 снаряда 3 происходит их соединение и перераспределение механического импульса вследствие неупругого удара, что ведет к изменению траектории движения опасного объекта. Если система обнаружения установки отмечает, что опасный объект все еще представляет угрозу защищаемому КА 1, то процесс повторяется до исключения опасности.
Ускорение метаемого снаряда описывается системой уравнений разряда LCR-цепи на индуктивную нагрузку, увеличивающуюся во времени (Б.Н. Дуванов, М.В. Сахаров, М.Ф. Колдунов, А.А. Воробьев. Физические установки. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2011 - 321 с.):
где m, V - масса и скорость метаемого тела;
0
ϕ - начальное напряжение на источнике электроэнергии;
0
L, L - индуктивности канала ускорения и подводящих линий;
R - сопротивление подводящих линий и плазменной перемычки;
D
F - сопротивление трения снаряда, обусловленное его контактом с рельсами.
В общем случае система уравнений (1-3) решается численно. Считая, что тело ускоряется равномерно, получается следующая оценка скорости снаряда на расстоянии х от начала ствола предлагаемой электромагнитной метательной установки:
где X - индуктивность на единицу длины рельсотрона;
m - масса снаряда;
I - сила тока.
На основе анализа имеющегося технического задела в области разработки ускорительных установок [5] можно сделать вывод, что предлагаемый способ реализуем с помощью ускорителя твердых тел массой до 15 т, длиной до 10 м, диаметром миделя до 4 м. Доставка данного устройства на орбиту Земли возможна с использованием ракеты-носителя тяжелого класса, например семейства «Протон».
В качестве снаряда предлагается использовать тело шарообразной формы из указанного ранее материала массой около 2-3 кг. Так при выстреле из установки со скоростью 8 км/с, снаряд будет иметь импульс до 24 (кг*км)/с.
2
1
1
2
к
Затем при столкновении специального снаряда с массой равной т с опасным объектом с массой равной m, направление движения полученной системы тел в отличии от первоначального направления движения предполагаемой угрозы меняется в соответствии с изменением направления ее вектора импульса, которое находится на основе правила векторного сложения импульсов тел (фиг. 2), где p и р - импульсы потенциально опасного объекта и метаемого снаряда соответственно, а р - конечный импульс системы после взаимодействия. Угол α характеризует угол отклонения объекта воздействия от первоначальной траектории.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять защиту объектов на значительных расстояниях, за счет большой дальности прямого выстрела, получаемой из технологии, реализованной в ускорителях твердых тел, и при этом не создает новых угроз вследствие разрушения крупного объекта и образования мелких, а путем изменения траектории опасных объектов.
Таким образом, способ способен обеспечивать длительную защиту космических аппаратов. Высокая эффективность защиты достигается возможностью многократного применения способа до полного устранения опасности столкновения, а также возможностью восполнения запаса топлива и материала метательных снарядов.
Литература
1. Патент РФ RU 2374150. Способ защиты космических аппаратов.
2. Патент РФ RU 2209161 С2. Способ защиты космического аппарата и устройство для его осуществления.
3. Патент РФ RU 2294866 С1. Способ защиты космических объектов.
4. Патент РФ RU 2094934 С1. Рельсотрон.
5. Б.Н. Дуванов, М.В. Сахаров, М.Ф. Колдунов, А.А. Воробьев. Физические установки. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2011. 335 с.
6. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С.Физика: Учебное пособие: В 3 кн. Кн.1. Механика. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001 - 352 с.
7. "Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No 7, Release Date: 16.11.2016.