СПОСОБ УСКОРЕНИЯ СХОДА С ОРБИТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, ЗАВЕРШИВШЕГО АКТИВНОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
METHOD FOR ACCELERATING DEORBITAL SPACE VEHICLE THAT COMPLETE ACTIVE FUNCTIONING

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для снятия с орбиты космических аппаратов (КА), завершивших активное функционирование (выработавших свой ресурс).
КА, выработавшие свой ресурс, могут оставаться на орбите в течение многих лет, засоряя таким образом околоземное космическое пространство (ОКП). Наибольший уровень засоренности ОКП - низкоорбитальная, до высот примерно 2000 км [1].
Известен способ очистки ОКП от ненужных объектов, заключающийся в стыковке с этими объектами транспортного корабля и последующем спуске с орбиты образовавшейся связки [2] (Инженерный справочник по космической технике. М.: Воениздат.1977. С. 134-140). Недостатками этого способа являются необходимость систем стыковки, стыковочных узлов и систем ориентации на обоих кораблях, потеря тормозного отсека транспортного корабля и ограниченные возможности по удаляемой спускаемой массе.
Другим аналогом изобретения является способ уборки космического мусора (КМ), включающий выведение на орбиту устройства уборки КМ, при этом осуществляют процесс наблюдения за КМ, перемещают устройства уборки КМ в положение захвата. Устройства уборки КМ близко подводят к космическому мусору, выпускают гарпун в полый фрагмент КМ, соединяют устройства уборки КМ и космический мусор, фиксируют КМ. Тормозят захваченный КМ с помощью сброса проводящего фала [3] (Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора, патент №2574366, Российская Федерация). Недостатком данного способа является сложность технической реализации.
Известен способ формирования управляющих воздействий на КА с помощью силовых электродинамических явлений [4] (Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Физические проблемы космической тяговой энергетики. М.: Атомиздат. 1969. С. 240). Устройством, реализующим способ, может служить электрический парус для поступательного перемещения космического корабля [5] (Электрический парус для поступательного перемещения космического корабля, патент US 7641151). Устройство содержит множество электропроводных удлиненных распределенных элементов, радиально расходящихся от корпуса за счет его вращения. Генератор, установленный в корпусе, заряжает удлиненные элементы таким образом, что все они несут положительный заряд.
Характер формирования управляющих воздействий для изменения высоты орбиты КА после «включения» заряда зависит от углов ориентации в геомагнитной системе координат, отношения заряда к массе КА и продолжительности полета. Приложение управляющих воздействий производится включением и выключением заряда. Недостатком способа является необходимость производить затраты электроэнергии, в том числе для постоянного дополнительного заряда элементов.
Известен также способ снятия спутников с орбиты с использованием технологии аэроторможения. Принцип действия аэродинамических устройств увода КА с рабочих орбит основан на увеличении площади поперечного к направлению потока сечения КА, что приводит к увеличению силы аэродинамического сопротивления, которая направлена противоположно направлению движения КА. В качестве примера технологии увода КА, реализующей аэродинамическое торможение, следует признать аэродинамическое устройство увода космического аппарата с рабочей орбиты по технологии Gossamer Orbit Lowering Device, предложенное в 2011 году доктором Кристин Гейтс (Kristen Gates) [6]. Технология, реализующая устройство увода КА в виде объемной конструкции в форме шара, проста в применении. Эта технология выбрана в качестве прототипа предложенного решения.
Недостатком прототипа является то, что большая площадь поверхности объемной конструкции в форме шара или других надувных форм, повышает риск пробоя объемной конструкции мелким фрагментом космического мусора, что не позволяет сохранить аэродинамическое качество при потере герметичности конструкции и, как следствие, не обеспечивается надежность функционирования данного способа.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении надежности функционирования способа схода с орбиты КА, а также в повышении скорости схода с орбиты КА, завершившего активное функционирование, в плотные слои атмосферы.
Указанный технический результат достигается тем, что для торможения космического аппарата, завершившего активное функционирование на орбите, применяют сеть в виде объемной геометрической конструкции из углеродных нанотрубок, внутри которой размещают надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок. При этом надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью. Причем перед выводом КА на орбиту Земли надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок герметизируют при давлении, близком нормальному атмосферному. Кроме того, во внутренней полости надувных баллонов из пленки из углеродных нанотрубок сохраняют остаточный воздух. Затем надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок в сложенном виде и в сдутом состоянии закладывают во внутренний объем сети из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции. При этом сеть с надувными баллонами в сдутом состоянии упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА. После завершения активного функционирования КА по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, выталкивают или выдвигают из герметичного контейнера. При этом сохраняют жесткую или гибкую механическую связь сети из углеродных нанотрубок с КА. После выхода сети из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера, внутри сети из углеродных нанотрубок разворачивают надувные баллоны за счет давления остаточного воздуха, находящегося в них, и придают сети из углеродных нанотрубок заданную форму. В дальнейшем осуществляют торможение связки КА и сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами за счет давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, взаимодействия электропроводящих нитей сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, а также за счет аэродинамического торможения надувных баллонов в сильно разреженных слоях атмосферы Земли. В результате обеспечивают ускоренный спуск связки КА и сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы.
Существует вариант, в котором на борту КА размещают более одного герметичного контейнера с сетью из углеродных нанотрубок, внутри которой помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.
Существует вариант, в котором при размещении на борту КА более одного герметичного контейнера с сетью из углеродных нанотрубок, сети разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.
Существует вариант, в котором линейные размеры надувных баллонов выполняют больше размера ячейки сети из углеродных нанотрубок.
Существует вариант, в котором в качестве пленки с высокой отражающей способностью используют пленку из диоксида титана.
Существует вариант, в котором внутри объемной геометрической конструкции сети из углеродных нанотрубок размещают от десяти до нескольких сотен надувных баллонов.
Существует вариант, в котором размеры и объем геометрической конструкции сети из углеродных нанотрубок и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА, исходя из высоты орбиты и массы КА.
Существует вариант, в котором для аэродинамического торможения КА применяют сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой размещены надувные баллоны, имеющие площадь миделевого сечения не менее чем на порядок больше, чем площадь миделевого сечения КА.
Существует вариант, в котором на борту КА дополнительно размещают резервные герметичные контейнеры с резервными сетями из углеродных нанотрубок, внутри которых помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.
Существует вариант, в котором ускоряют процесс торможения КА и снижение высоты его орбиты путем дополнительного увеличения его площади миделевого сечения в результате разворачивания резервных сетей из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами.
Существует вариант, в котором команды и/или программу на срабатывание резервных герметичных контейнеров с резервными сетями из углеродных нанотрубок с надувными баллонами для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты передают по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы.
Существует вариант, в котором резервные сети из углеродных нанотрубок для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.
Существует вариант, в котором используют сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции конической формы.
Существует вариант, в котором используют сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции в форме шара.
Предложенный способ реализуется следующим образом. Для торможения КА, завершившего активное функционирование, используют естественные внешние силы: давление солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, взаимодействие электропроводящих нитей сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, а также аэродинамическое торможение развернутых надувных баллонов в сильно разреженных слоях атмосферы Земли.
С этой целью на орбите применяют сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции. Внутри сети из углеродных нанотрубок размещают надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок. При этом надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью. Причем перед выводом КА на орбиту Земли надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок герметизируют при давлении, близком нормальному атмосферному, при этом во внутренней полости надувных баллонов из пленки из углеродных нанотрубок сохраняют остаточный воздух. Затем надувные баллоны из пленки из углеродных нанотрубок в сложенном виде и в сдутом состоянии закладывают во внутренний объем сети из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции. При этом сеть с надувными баллонами в сдутом состоянии упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА. После завершения активного функционирования КА по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, выталкивают или выдвигают из герметичного контейнера. При этом сохраняют жесткую или гибкую механическую связь сети из углеродных нанотрубок с КА. После выхода сети из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера, внутри сети из углеродных нанотрубок разворачивают надувные баллоны за счет давления остаточного воздуха, находящегося в них, и придают сети из углеродных нанотрубок заданную форму.
В дальнейшем осуществляют торможение связки КА и сети из углеродных нанотрубок за счет давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрыта пленкой с высокой отражающей способностью, взаимодействия электропроводящих нитей сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, а также за счет аэродинамического торможения надувных баллонов в сильно разреженных слоях атмосферы Земли.
В результате обеспечивают ускоренный спуск связки КА и сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы.
Размещение на поверхности надувных баллонов пленки с высокой отражающей способностью способствует сходу КА с орбиты за счет давления солнечного света. На высоте полета КА 500 км <h<700 км влияние светового давления и сопротивления атмосферы приблизительно одинаково, а для высоты полета h>700 км световое давление становится более значимым, чем сопротивление атмосферы [8] стр. 100-101. Это позволяет ускорить процесс снижения КА на начальном этапе, когда плотность атмосферы очень мала.
Использование надувных баллонов, имеющих площадь миделевого сечения не менее чем на порядок больше, чем площадь миделевого сечения КА, значительно увеличивает площадь миделя (площадь поперечного сечения) связки КА и сети из углеродных нанотрубок. При этом возрастает сила аэродинамического сопротивления связки КА и сети из углеродных нанотрубок, которая вызывает тормозное ускорение даже в очень сильно разреженных слоях атмосферы Земли.
Сверх того, разворачивание сети из углеродных нанотрубок на орбите приводит к взаимодействию электропроводящих нитей сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, что способствует торможению КА и вхождению его в плотные слои атмосферы [7]. Углеродные нанотрубки кроме высокой прочности обладают хорошими значениями электропроводности [10].
В итоге осуществляется переход КА с сетью из углеродных нанотрубок с надувными баллонами на более низкую орбиту и вход КА в плотные слои атмосферы.
В результате срок пребывания неиспользуемых КА на орбите может быть сокращен до нескольких месяцев.
Применение пленки из углеродных нанотрубок для изготовления надувных баллонов обеспечивает их высокую стойкость к пробою при столкновении с мелкими частицами космического мусора. Предел прочности пленки из углеродных нанотрубок составляет 9,6 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности кевларовых волокон составляет всего 3,7 гигапаскаля [9].
Следовательно, обеспечивается сохранение свойства надувных баллонов как аэродинамического тормоза в процессе схода с орбиты связки КА и сети из углеродных нанотрубок.
При этом сеть и пленка из углеродных нанотрубок обладают исключительно малой массой [10]. В результате в условиях жестких массогабаритных ограничений надувные баллоны и сеть из углеродных нанотрубок могут иметь размеры от нескольких десятков до нескольких сотен метров соответственно. Такие размеры надувных баллонов значительно увеличивают площадь миделя (площадь поперечного сечения) связки КА и сети из углеродных нанотрубок и в результате увеличивают тормозное ускорение.
Хорошая эффективность упаковки в транспортном положении, малая масса сети и надувных баллонов позволяет установить на КА несколько десятков герметичных контейнеров с упакованными сетями из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами. В результате часть контейнеров с упакованными сетями из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами в сдутом состоянии может находиться в резерве.
При этом при перфорации мелким космическим мусором надувных баллонов, или потере герметичности надувных баллонов в развернутой из углеродных нанотрубок сети по сигналу от датчиков, расположенных на поверхностях сети или надувных баллонов, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, разворачивают резервную сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии.
Кроме того, размещение внутри объемной геометрической конструкции сети из углеродных нанотрубок от десяти до нескольких сотен надувных баллонов позволяет сохранить аэродинамическое качество при потере герметичности одного или нескольких надувных баллонов.
В результате обеспечивается надежность функционирования предлагаемого способа ускорения схода с орбиты космического аппарата, выработавшего свой ресурс. Кроме того, наличие резервных герметичных контейнеров с упакованными сетями из углеродных нанотрубок позволяет управлять скоростью схода КА с орбиты за счет разворачивания дополнительных сетей из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами. Управление этим процессом возможно по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, на срабатывание резервных герметичных контейнеров с сетями из углеродных нанотрубок с надувными баллонами на борту КА.
Размещение на поверхности надувных баллонов пленки с высокой отражающей способностью, например, из диоксида титана, кроме торможения КА за счет давления солнечного излучения, повышает оптическую заметность сходящей с орбиты связки КА и сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами. В результате связка КА и сети из углеродных нанотрубок хорошо видима для наблюдения средствами контроля космического пространства.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о возможности практического использования предлагаемого способа ускорения схода с орбиты космического аппарата, завершившего активное функционирование (выработавшего свой ресурс).
Более того, предлагаемое изобретение может быть применено к любому объекту, выводимому на орбиту, в частности, таким как разгонные блоки, элементы ракет-носителей (РН) или орбитальные конструкции, для которых желательна возможность снятия их с орбиты [8]. Использование предлагаемого технического решения может обеспечить конкурентные преимущества отечественным РН перед зарубежными [1] стр. 125.
Эффективность торможения КА и надежность функционирования предлагаемого способа ускорения схода с орбиты космического аппарата, завершившего активное функционирование, обеспечивается интегральным воздействием на КА тормозного ускорения за счет:
- давления солнечного излучения, действующего на надувные баллоны, поверхность которых покрывают пленкой с высокой отражающей способностью;
- взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли;
- аэродинамического торможения надувных баллонов.
Предлагаемый способ ускорения схода с орбиты космического аппарата обещает быть наиболее эффективным для объектов, находящихся на высотах 750-900 километров.
Источники информации
1. Шатров Я.Т. Развитие исследований по выбору трасс пусков и районов падения отделяющихся частей ракет-носителей в целях обеспечения экологической безопасности. Космонавтика и ракетостроение. №1. 2017. С. 124-125.
2. Инженерный справочник по космической технике. М: Воениздат. 1977. С. 134-140.
8
3. Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора: патент №2574366 Российская Федерация: МПК B64G 1/56. Китадзава Юкихито [и др.]; патентообладатель АйЭйчАй Корпорейшен (JP), АйЭйчАй Аэроспейс КО., ЛТД (JP), - №2014122190/11; заявл. 01.11.2012; опубл. 10.12.2015. Бюл. №4, 2016.
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Физические проблемы космической тяговой энергетики. М.: Атомиздат. 1969. С. 240.
5. Электрический парус для поступательного перемещения космического корабля. Патент US 7641151 В2, 02.03.2006, B64G 1/22, B64G 1/40.
6. Клюшников В.Ю. Как очистить околоземное пространство от космического мусора? // Воздушно-космическая сфера. 2019. №1. С. 96-107.
7. Космический мусор в рыболовные сети. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. X. №7. 2011. С. 26.
8. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппаратов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. С. 100-101, с. 382, с. 486.
9. Углеродная нанопленка прочнее кевлара и углеродного волокна. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. XV. №5. 2016. С. 24.
10. Колмаков А.Г., Баринов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит. 2013. С. 134.