Способ ограничения срока пассивного существования элементов космического аппарата в околоземном космическом пространстве и устройство для его осуществления
METHOD FOR LIMITATION OF PASSIVE EXISTENCE PERIOD OF ELEMENTS OF SPACECRAFT IN CIRCUMTERRESTRIAL SPACE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение предназначено для использования в ракетно-космической технике для предотвращения техногенного засорения околоземного космического пространства.
После окончания срока активного существования космического аппарата начинается его срок пассивного существования. С этого момента космический аппарат становиться космическим мусором и представляет опасность для космической деятельности.
Известны способы и устройства для устранения техногенного засорения околоземного космического пространства.
Известен способ разрушения фрагментов космического мусора путем воздействия на них лазерным излучением. Например, Исследовательский центр НАСА имени Эймса под руководством Джеймса Мейсона разрабатывает лазер средней мощности (около 5 кВт), который будет воздействовать на объекты в течение одного-двух часов в день. За сутки можно облучить до 10 объектов космического мусора на низкой околоземной орбите [http://www.dailytechinfo.org/space/2199-nasa-sobiraetsya-sbivat-kosmicheskij-musor-s-pomoshhyu-nazemnogo-lazera.html]. Недостатком данного способа являются большие энергозатраты и его низкая производительность при разрушении пространственно распределенных фрагментов космического мусора.
Аналогами предлагаемого изобретения являются технические решения по удалению крупногабаритных фрагментов космического мусора, включая нефункционирующие космические аппараты, с использованием специализированных космических аппаратов, захватывающих космический мусор, или воздействующими на него и удаляющих с орбиты. Аналогами являются патенты №№ RU 2040448, RU 2040449, RU 2046081, RU 2000259.
Аналогами предлагаемого изобретения в другой области являются способы саморазрушения предметов после окончания их функционального использования с целью соблюдения экологических требований: бытовые пленки, тара и т.д. С 2012 года Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) занимается реализацией проекта создания растворимой электроники. Эта программа подразумевает разработку электронных схем и компонентов, которые при необходимости можно было бы растворить в воде. В программе задействована американская компания IBM и Университет штата Айова. Параллельно еще несколько компаний и университетов занимаются созданием самоуничтожающейся электроники. В конце мая 2015 года инженеры Иллинойского университета в Урбане-Шампейне объявили о создании первой полностью самоуничтожающейся под действием тепла микросхемы. В ее состав также входит радиоконтроллер, позволяющий запускать процесс самоуничтожения по команде извне [https://nplus1.ru/news/2015/10/09/vanishing, Journal of Polymer Science, Volume 27, Issue 25 July 1, 2015, https://nplus1.ru/news/2015/05/23/your-mission-complete].
Самоуничтожающееся устройство состоит из электронной схемы, напечатанной с помощью магния на тонкой и гибкой пленке из циклического полимера фталевого альдегида. Сверху они покрыты слоем воска, в который заключено множество микроскопических капелек слабой кислоты. Если устройство нагревается до определенной температуры, воск начинает плавиться, микрокапельки кислоты высвобождаются и при нагревании в полимере фталевого альдегида начинается реакция деполимеризации. Поэтому состоящая из него пленка быстро разлагается. Затем начинается кислотная деградация металлических деталей. Спустя непродолжительное время устройство как объект исчезает.
Весь процесс может быть запущен в любой момент по команде извне. Для этого в устройство включены радиочастотный датчик и индуцирующая тепло катушка. Пользователь может послать специальный сигнал, который включит эту катушку. Она начнет нагреваться и даст старт самоуничтожению микросхемы. Процесс разложения задается посредством изменения толщины слоя воска, концентрации кислоты и температуры нагрева. Микросхема полностью распадается за 20 секунд, после двух минут нагрева.
В развитие направления самоуничтожающихся объектов научно-исследовательский центр Xerox PARC создал разрушающуюся микросхему из закаленного стекла Gorilla Glass [http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201501180/abstract].
Саморазрушающаяся электроника предназначена для применения в биомедицинских имплантатах или самоуничтожающейся военной технике. Использование подобных технологий уменьшит количество мусора, трудно разлагающегося в природных условиях.
Агентство перспективных оборонных разработок (DARPA) задает разработку «исчезающих» беспилотных летательных аппаратов, которые будут использоваться силами специальных операций. Такие аппараты будут доставлять бойцам спецподразделений важное оборудование, а затем исчезать без следа. В октябре 2015 года DARPA инициировало проект разработки «исчезающих» беспилотников. Проект получил название ICARUS. Разработку беспилотника планируется завершить в течение 26 месяцев после заключения контракта с одной из американских компаний [Defense Systems, https://nplus1.ru/news/2015/10/09/vanishing].
Исследователи из Университета Карнеги-Меллон разрабатывают полимеры, способные разрушаться до мономеров под воздействием электрического импульса. Полимеры планируется использовать при разработке «исчезающих» парашютов, которые после доставки груза или бойца с самолета на землю будут очень быстро и практически бесследно разлагаться. Разработка разлагаемого электричеством полимера ведется в качестве побочного проекта программы ICARUS. Исследователи из Университета Карнеги-Меллон объявили, что уже создали нужный полимер, но пока не смогли разработать технологию производства нитей и тканей из него. Сам полимер устойчив, чтобы сделанный из него парашют выдержал нагрузку и смог безопасно доставить груз на землю. Если исследователям удастся создать из полимера нити, которые смогут пропускать через себя электрический ток и под его воздействием «исчезать», то сам процесс «исчезновения» всего парашюта будет занимать от 20 минут до двух часов. Подробности о полимере не раскрываются [http://aviationweek.com].
Отработанные способы уничтожения подрывом ракетных блоков для космических аппаратов в условиях космического пространства не применимы, так как создают облако обломков, которое становится космическим мусором.
7
3
Наиболее близким техническим решением в классе МПК B64G, принятым за прототип, является способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения (патент № RU 2204508 «Способ разрушения фрагментов космического мусора»). По этому способу для уничтожения фрагментов космического мусора в околоземном космическом пространстве создают препятствия на траектории его орбиты. Препятствие образуют распылением мелкодисперсных частиц, причем в качестве материала частиц используют взрывчатое вещество со скоростью детонации, превышающей скорость соударения с фрагментами космического мусора. В качестве взрывчатого вещества используют гексоген с плотностью 1,7…1,8 г/см, а характерный размер частиц составляет не менее 1,5 мм. Технический результат при реализации изобретения по этому способу заключается в повышении производительности способа за счет воздействия на фрагмент космического мусора энергией взрыва частиц, дополнительной к ударно-кинетическому воздействию. Препятствие - пространственно распределенные частицы
(облако) взрывчатого вещества после их детонации с фрагментами космического мусора превращаются в газ, не увеличивая общую массу фрагментов.
Способ по патенту № RU 2204508 выбран прототипом изобретения.
Недостатками способа по прототипу являются необходимость вывода специализированного космического аппарата для удаления космического мусора, а также последствия дальнейшего распространения фрагментов, образующихся в результате воздействия микровзрывов на разрушаемый объект космического мусора.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что элементы космического аппарата изготавливают из материалов, подобранных таким образом, что после выполнения своих функций, их переводят в газообразное состояние, используя процессы сублимации вещества в условиях космического вакуума.
Запуск таких процессов приводит к сокращению срока пассивного существования космического аппарата с возможностью его полного самоуничтожении.
Неполное самоуничтожение космического аппарата также дает положительный эффект за счет значительного снижения его массы как космического мусора, что уменьшает опасность столкновения с действующими космическими аппаратами.
Способ ограничения срока пассивного существования космического аппарата в околоземном космическом пространстве за счет перевода его элементов в газообразное состояние после окончания срока активного существования космического аппарата, заключается в том, что элементы космического аппарата изготавливают из материалов, обладающих свойством сублимации под воздействием факторов космического пространства, причем после окончания срока активного существования космического аппарата активизируют фазовый переход элементов комического аппарата из твердого состояния в газообразное, для чегосоздают условия ускоренной сублимации этих элементов, обеспечивая потерю их массы в заданном порядке, не допускающим образования обломков и отделяющихся частей.
Реализация способа заключается в том, что после окончания срока активного существования космического аппарата на элементах космического аппарата удаляют пленку, защищающую эти элементы от воздействия факторов космического пространства, например электрохимическим или тепловым воздействием, и обеспечивают ускоренную потерю массы этих элементов.
Реализация способа заключается в том, что после окончания срока активного существования космического аппарата элементы космического аппарата нагревают до температуры ускоренной сублимации этих элементов и поддерживают ее для потери массы элементов за счет перехода в газообразное состояние.
Устройство для ограничения срока пассивного существования космического аппарата содержит блок управления космическим аппаратом, подключенный к блоку самоуничтожения космического аппарата, в память которого введена модель уничтожения космического аппарата с программой очередности и времени запуска механизмов активизации перевода в газообразное состояние элементов космического аппарата, электрически связанному с механизмами запуска активизации ускоренной сублимации элементов, механизмами запуска нагрева элементов космического аппарата и связанному со счетчиком времени активного существования космического аппарата, выдающего команду на самоуничтожение космического аппарата после окончания заданного ресурса, причем блок самоуничтожения космического
аппарата через канал радиосвязи и блок управления космическим аппаратом связан с наземным центром управления для получения команды на самоуничтожение при нештатной потере работоспособности космического аппарата.
Существо предлагаемого способа иллюстрируют следующие рисунки.
Фиг. 1 - элемент космического аппарата, подготовленный для самоуничтожения.
Фиг. 2 - снятие защитной пленки с элемента космического аппарата для активизации его сублимации в условиях космического вакуума.
Фиг. 3 - сублимация элемента космического аппарата в условиях космического вакуума.
Фиг. 4 - скорости испарения в вакууме наиболее часто применяемых материалов.
-4
Фиг. 5 - расчетные температуры, соответствующие 10%-ным потерям органического вещества в год при р=1,333*10 Па.
Фиг. 6 - график испытания образца материала в условиях космического вакуума.
Фиг. 7 - солнечная батарея как элемент космического аппарата, оснащаемого для самоуничтожения.
Фиг. 8 - космический аппарат в рабочем состоянии.
Фиг. 9 - включение активизации сублимации элементов космического аппарата первой очереди после окончания срока его активного существования.
Фиг. 10 - остатки космического аппарата после этапа включения сублимации.
Фиг. 11 - включение подогрева остатков космического аппарата для перевода их в газообразное состояние.
Фиг. 12 - конечные результаты самоуничтожения космического аппарата.
Фиг. 13 - упрощенная схема устройства для самоуничтожения элементов космического аппарата в условиях космического вакуума.
На фиг. 1 показан разрез элемента космического аппарата 1, который изготавливают из материала 2, обладающего, наряду с необходимыми конструктивными свойствами, свойством активной сублимации в условиях космического вакуума. От влияния космического вакуума материал защищен защитной пленкой 3. Под защитной пленкой на элемент космического аппарата наносят покрытие 4 для уничтожения защитной пленки. При электрохимическом воздействии при подключении электрического тока от источника 5 с помощью схемы управления 6 после окончания срока активного существования космического аппарата запускается реакция, снимающая защитную пленку. При тепловом разрушении защитной пленки, по другому варианту, покрытие 4 выполняют из энергоконцентрированного материала, например, пиротехнического состава - смеси из горючего, окислителя, цементатора и специальных примесей, которое запускается электрическим током, и выделяет тепло 7, достаточное для снятия защитной пленки с материала 2 (фиг. 2).
В результате элемент космического аппарата 2 после окончания срока активного существования самоуничтожается под воздействием космического вакуума и солнечного излучения, теряя массу в процессе сублимации 8 (фиг. 3).
2
Скорость испарения вещества в вакууме G (в г/см×с) описывается формулой Ленгмюра
,
н
где р - давление насыщенного пара данного вещества, Па;
μ - молярная масса вещества, г/моль;
Т - температура испаряющейся поверхности, К.
Формула выведена для абсолютного вакуума, поэтому реально скорость испарения вещества в реальном космическом пространстве будет несколько меньше расчетной.
2.
Для металлов, используемых в качестве конструкционных материалов и покрытий, графики расчетных зависимостей скорости испарения lg G, г\смс от температуры Т К показаны на фиг 4.
Из графиков видно, что в реальном диапазоне температур (123-423 К) металлы, используемых в качестве конструкционных материалов КА, довольно устойчивы к испарению в вакууме; наименьшей стойкостью обладают кадмий и цинк.
Неорганические материалы (керамика), состоящие из окислов и других соединений, обладающих низким давлением паров, пригодные для длительного использования в космическом пространстве, наиболее трудны для самоуничтожения и требуют значительного теплового воздействия на основе взрывчатых веществ, таких, как, например, трициклическая мочевина.
Органические материалы, в отличие от металлов, теряют вещество не только за счет испарения или сублимации с поверхности, но и при воздействии ультрафиолетового излучения, главным образом за счет разложения, протекающего по всему объему детали или элемента.
-4
Свойства некоторых органических материалов приведены в таблице (фиг. 5). Расчетные температуры соответствуют 10%-ным потерям вещества в год при р=1,333*10 Па. Значительный разброс температур объясняется различием мономеров, полимеров, наличием в полимерах примесей и присадок, особенно катализаторов, используемых при полимеризации.
Сублимацию уменьшают нанесением на поверхность защитных пленок, например, применяют фосфатирование и оксидирование в качестве покрытия, как на органические, так и на неорганические вещества, пластмассовые оболочки металлизируют - покрывают слоем алюминия, иногда золота. Из защитных пленок при реализации предлагаемого способа выбирают те, которые технологически удобно удалить с элементов космического аппарата.
На фиг. 6 приведен график потери массы материала конструкционного элемента М % при воздействии на него космического вакуума за время t на примере испытания лабораторного образца в вакуумной камере.
Кривые на графике показывают:
1 - потери атмосферных газов, сорбированных материалом;
2 - потери загрязнений и (или) добавок;
3 - потери в результате испарения (сублимации) материала лабораторного образца;
4 - суммарные потери массы лабораторного образца материала конструкционного элемента под воздействием космического вакуума.
F - окончание экспозиции лабораторного образца в условиях космического вакуума.
R - частичное восстановление массы лабораторного образца после взаимодействия с воздухом атмосферы.
α, β - характеристики скорости протекания процесса потери массы.
[М.Д. Нусинов. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. Научно-техническое общество приборостроительной промышленности им. Академика С.И. Вавилова. 1987.]
На фиг. 7 показан разрез солнечной батареи, где: защитное стекло 9, прозрачный клей 10, просветляющее покрытие 11, область p-n перехода 12, кремневая пластина 13, металлические контакты 14.
Для самоуничтожения солнечной батареи защитное стекло подбирают из материала со свойством ускоренной сублимации (например, органического вещества) и обеспечивают его защиту в период рабочего функционирования и снятие защиты после окончания срока активного существования.
Для составных частей солнечной батареи добавляют тепловыделяющие покрытия, обеспечивающие при их запуске после окончания срока активного существования перевод этих частей в газообразное состояние не только при сублимации, но и при плавлении их в разогретом состоянии.
На фиг. 8 показан космический аппарат 15, функционирующий в рабочем состоянии в течение срока активного существования.
На фиг. 9 показан процесс перевода космического аппарата после окончания срока его активного существования в газообразное состояние при включении активизации сублимации элементов космического аппарата первой очереди. Показаны области начинающейся сублимации материалов элементов космического аппарата. На фиг. 10 показан результат самоуничтожения элементов космического аппарата 15 после первого этапа и оставшиеся части конструкции и аппаратуры космического аппарата.
На фиг. 11 показано включение зажигания тепловыделяющих покрытий и перевод оставшихся элементов космического аппарата 15 в газообразное состояние за счет нагревания этих элементов в соответствии с задаваемой программой самоуничтожения.
На фиг. 12 показаны конечные результаты самоуничтожения космического аппарата, при недостижении его стопроцентного перевода в газообразное состояние. Для полного снятия опасности космического мусора эти остатки удаляются другими известными способами. Полученные пылевые частицы размером в несколько микрометров покидают околоземное космическое пространство в соответствии с эффектом Пойнтинга - Робертсона. Это процесс, благодаря которому в Солнечной системе пылевые частицы медленно падают по спирали в сторону Солнца.
На фиг. 13 показана упрощенная схема устройства для реализации предлагаемого способа. Блок управления 19 космическим аппаратам содержит программу 20 самоуничтожения космического аппарата в заданное время.
Программа 20 обеспечивает с помощью электрической связи 21 после окончания срока активного существования космического аппарата через блок управления 19 выдачу сигнала на активизацию сублимации элементов космического аппарата запуском снятия защитных покрытий от сублимации (солнечных батарей - электросвязь а; корпуса космического аппарата - электросвязь б) в порядке, не допускающем получение обломков и отделяющихся частей, и затем выдачу сигнала на включение тепловыделяющих покрытий (элементов космического аппарата - электросвязь в; аппаратуры космического аппарата - электросвязь г) и расплавление остальных элементов и аппаратуры 16 таким образом, чтобы потеря массы была по возможности полной при переходе в газообразное состояние в условиях космического вакуума.
Команда на самоуничтожение может поступить как из памяти блока управления 19 в соответствии с заложенной программой 20, так и с наземного пункта 22 управления через радиоканал приемо-передающей аппаратуры 23 космического аппарата с антенно-фидерным устройством 24. Дублирующим устройством является независимый блок 25 счетчика ресурса, который выдает команду на самоуничтожение космического аппарата по заложенному значению максимального срока функционирования космического аппарата.
Программа самоуничтожения космического аппарата включает модель его самоуничтожения. В ней определяют последовательность самоуничтожения элементов космического аппарата, при которой выполняются требования Руководящих принципов Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях по предупреждению образования космического мусора. В соответствии с ними не допускается создание, образование обломков, деталей, осколков, отделяющихся от космического аппарата.
Технический эффект от использования способа заключается в повышении эффективности предотвращения техногенного засорения околоземного космического пространства за счет удаления космических аппаратов способом самоуничтожения в заданный период времени путем перевода их в газообразное состояние.
Экономическая эффективность при использовании способа самоуничтожения космического аппарата после его использования обеспечивается за счет сокращения затрат по сравнению со способами аналогами и прототипом, так как при этом не требуется запусков дорогостоящих космических аппаратов уборщиков космического мусора или постановщиков объектов воздействия на космический мусор, а также использования лазерных комплексов для воздействия на космический мусор наземными средствами.