Спускаемый аппарат-буксир для снятия космических объектов с орбиты
DESCENT TOW VEHICLE FOR RETRIEVING SPACE OBJECTS FROM ORBITS

Изобретение относится к области космической техники и является средством для транспортировки объектов, находящихся на орбитах искусственных спутников Земли (ИСЗ), и погружения их в атмосферу. Это средство представляет собой спускаемый аппарат-буксир (САБ) для захвата объектов на орбите и спуска их в атмосфере Земли.
Такой спускаемый аппарат-буксир может быть использован для снятия с околоземного космического пространства техногенного «мусора»: отработавших свой ресурс спутников, обломков разрушенных ИСЗ, демонтированных от пилотируемых орбитальных станций крупногабаритных элементов конструкции и др. Пребывание подобных объектов длительное время на орбитах ИСЗ представляет угрозу столкновения с функционирующими объектами, созданными руками человека. С ростом количества запускаемых на орбиты ИСЗ объектов накопление техногенного «мусора» приобретает катастрофические масштабы, и очистка этого пространства становится актуальной проблемой.
Известно простейшее средство для увода ИСЗ с орбиты и погружения его в атмосферу Земли. Для этого снимаемый с орбиты объект снабжается реактивным тормозным двигателем, который в нужное время вырабатывает тормозной импульс, и объект направляется для спуска в заданный район поверхности Земли (Сборник РКК «Энергия» им. С.П. Королева под редакцией Ю.П. Семенова, 1996, с. 342-345 [1]). Однако такое техническое решение реализуется в единичных случаях. Распространение же его на все запускаемые объекты нецелесообразно из-за резкого возрастания (независимо от массы и габаритов объекта) их стоимости, вызываемого установкой двигательной установки. Также не решается задача увода отработавших свой ресурс ИСЗ или обломков их разрушения при аварийных запусках.
Известно также средство для спуска ИСЗ с орбиты путем присоединения к нему укладываемой в компактный объем сферы, развертываемой в космосе при подаче газа в ее герметичную полость (Gossamor Orbit Lowering Device (GOLD); a Lightweight, Low-cost, and Simple De-orbit Sistem. Global Aerospace Corporation. April 16, 2003, 25 c. [2]). Это средство предлагалось для спуска с орбиты российской пилотируемой станции «Мир» массой 140 тонн с помощью присоединяемой к ней сферы диаметром 176 м, изготовленной из термостойкой пленки толщиной 9 микрон. Из-за торможения этой сферы в разреженных слоях атмосферы должно было бы произойти постепенное снижение станции, вход в плотные слои атмосферы в произвольном районе и полное или частичное ее сгорание. Поскольку это средство разрабатывалось исключительно для увода с орбиты и затопления пилотируемой станции «Мир», оно не позволяет проводить операции захвата, снятия с орбиты и транспортировки космических объектов для их увода с орбиты и погружения в атмосферу.
Известна также система, представляющая собой средство, обеспечивающее снятие объекта с орбиты ИСЗ и доставку его на поверхность Земли. Эта система включает в себя многоразовый транспортный космический корабль (МТКК) «Шаттл» с двигательной установкой, систему навигации для поиска, снимаемого с орбиты объекта и сближения с ним, устройство-манипулятор для захвата объекта и размещения его в свободном объеме на борту МТКК, а также поверхность, обеспечивающую эффективное аэродинамическое торможение системы (ж-л Авиация и космонавтика №7, 1988, с. 46-47, и Интернет-сайт «Space Shuttle», раздел «Конструкция» [3]). МТКК «Шаттл» этой системы выполняет маневр по выходу на траекторию снимаемого объекта и подлету к нему, после чего бортовой манипулятор МТКК захватывает и помещает объект на борт корабля, который затем совершает спуск в атмосфере и посадку на поверхность Земли. Однако эта система, с одной стороны, представляет собой достаточно дорогостоящее и сложное по устройству средство для снятия объектов с орбиты, с другой - выход МТКК «Шаттл» как транспортного средства из арсенала космической техники, что исключает возможность его использования для рассматриваемого назначения.
Наиболее близким по совокупности признаков является спускаемый аппарат (Патент РФ №2381967, Финченко B.C., Пичхадзе К.М., Иванков А.А. Способ доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли [4]), имеющий герметичный надувной отсек с гибкой термостойкой оболочкой, выполненной с возможностью приобретения сферической формы при заполнении ее газом. Внутри этого отсека размещают грузовой контейнер и источник газа, прикрепляя грузовой контейнер к гибкой оболочке. После отделения спускаемого аппарата от орбитальной станции осуществляют наддув указанного отсека газом и увеличивают размеры его гибкой оболочки до достижения сферической формы. Торможение спускаемого аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения его в плотной атмосфере осуществляют только за счет аэродинамической силы, возникающей во время полета в разреженных слоях атмосферы.
При реализации названных известных способов для сближения и захвата космического объекта, обеспечения соответствующей ориентации и торможения до скорости схода с орбиты спускаемого аппарата с грузовым контейнером используется реактивная двигательная установка транспортного космического аппарата (ТКА) - соответственно, МТКК «Шаттл» или орбитальной станции. В результате того, что в доставке груза участвуют эти космические транспортные аппараты, доставка грузов на поверхность Земли обходится чрезвычайно дорого.
Предлагаемое изобретение является более простым по устройству и более дешевым, чем описанные выше, техническим средством для оперативного снятия с орбит ИСЗ и очистки околоземного космического пространства от техногенного «мусора». При этом простота устройства предлагаемого средства обусловлена его целевым предназначением - только для снятия объектов с их орбит, тогда как у прототипа эта функция выполняется транспортным космическим аппаратом. Из простоты вытекает и более низкая стоимость предлагаемого средства.
Кроме того, более низкие затраты при использовании предлагаемого изобретения могут быть обусловлены возможностью доставки САБ на орбиту в качестве попутного груза при запусках различных космических аппаратов.
Очевидно также, что спускаемый аппарат, используемый только совместно с аппаратом МТКК "Шаттл" или пилотируемой орбитальной станцией, не пригоден для оперативного решения задачи доставки грузов на поверхность Земли вне связи со сроками полета аппаратов этого типа.
Известная система для снятия объектов с орбит ИСЗ, описанная в [4], является наиболее близкой к предлагаемому изобретению.
Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в расширении арсенала космической техники путем введения простого и дешевого спускаемого аппарата-буксира для оперативного снятия объектов с орбит искусственных спутников Земли.
Заявленный технический результат достигается тем, что спускаемый аппарат-буксир для снятия объектов с орбит искусственных спутников Земли содержит грузовой контейнер, надувное тормозное устройство с гибкой герметичной термостойкой оболочкой, выполненной с возможностью приобретения аэродинамической формы при заполнении ее газом, источник газа, систему наддува оболочки, причем согласно изобретению грузовой контейнер имеет свободный объем для размещения снимаемого объекта и содержит устройство для захвата снимаемого объекта, систему навигации для поиска снимаемого с орбиты объекта и двигательную установку для маневрирования аппарата.
Заявленный технический результат достигается также тем, что надувное тормозное устройство имеет внешние обводы в форме усеченного конуса и выполнено в виде набора элементов в форме тора.
Заявленный технический результат достигается также тем, что устройство для захвата снимаемого объекта выполнено в виде секторов усеченного конуса, а свободный объем для размещения снимаемого объекта - в виде конического раструба.
Заявленный технический результат достигается также тем, что устройство для захвата снимаемого объекта выполнено в виде элементов надувной конструкции.
Использование спускаемого аппарата-буксира с надувным тормозным устройством и размещение снимаемого объекта в грузовом контейнере позволяет иметь необходимое количество таких аппаратов на борту транспортного космического аппарата ввиду незначительности их массы и объема, который они занимают в состоянии, предшествующем наддуву. В сочетании с торможением такого аппарата в разреженной атмосфере только за счет использования аэродинамической силы это позволяет планировать спуск груза на Землю и осуществлять его оперативно, т.е. полностью независимо от программы полета ТКА. Очевидна также несопоставимость материальных затрат при использовании предлагаемого технического решения по сравнению с доставкой грузов на Землю с помощью возвращаемых аппаратов с жесткой аэродинамической поверхностью.
Использование спускаемого аппарата-буксира, надувное тормозное устройство которого выполнено с возможностью приобретения аэродинамической формы, обеспечивает его самоориентирование в потоке только в одном направлении и устойчивый, без колебаний полет до самой поверхности Земли. Это достигается благодаря аэродинамическим свойствам спускаемого аппарата, который имеет внешние обводы в форме усеченного конуса и центр масс которого смещен вперед по отношению к направлению полета относительно центра давления за счет прикрепления гибкой оболочки надувного тормозного устройства к размещаемому внутри нее грузовому контейнеру.
Оснащение спускаемого аппарата-буксира устройством для захвата снимаемого объекта, системой навигации для поиска, снимаемого с орбиты объекта, и двигательной установкой для маневрирования аппарата позволяет решать весь комплекс задач, связанных с операциями снятия космического объекта с орбиты.
Грузовой контейнер имеет свободный объем для размещения снимаемого объекта, позволяет разместить объект в пределах зоны полезного груза НТУ. Поскольку свободный объем для размещения снимаемого объекта сформирован в виде конического раструба, надутая герметичная оболочка плавно облегает грузовой контейнер, обеспечивая коническую аэродинамическую форму надувного тормозного устройства.
Так как устройство для захвата снимаемого объекта выполнено в виде секторов усеченного конуса, а свободный объем для размещения снимаемого объекта - в виде конического раструба, обводы устройства для захвата снимаемого объекта в рабочем состоянии в сочетании с внутренними обводами грузового контейнера формируют зону полезного груза.
Выполнение устройства для захвата снимаемого объекта в виде элементов надувной конструкции позволяет формировать нужную для захвата космического объекта геометрию устройства в рабочем положении и обеспечивает его компактную укладку в транспортном положении.
Описанные выше конструктивные особенности спускаемого аппарата-буксира и схема его полета позволяют оперативно снимать космические объекты с орбиты, обеспечить управляемый вход в атмосферу и аэродинамическое торможение на атмосферном участке траектории, прогнозировать место посадки и обеспечить своевременную эвакуацию доставленного груза.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
- на фиг. 1 показан предлагаемый спускаемый аппарат-буксир (САБ) с надувным тормозным устройством (НТУ) в раскрытом рабочем положении - вид сбоку;
- на фиг. 2 показан САБ с НТУ в раскрытом положении - вид сверху;
- на фиг. 3 показан САБ с НТУ в сложенном транспортном положении.
Основной несущей конструкцией спускаемого аппарата-буксира для снятия объектов с орбит ИСЗ и спуска в атмосфере Земли является составная платформа (1), имеющая цилиндрическую форму, на одной стороне которой размещена двигательная установка (ДУ) (2), а на второй (противоположной) - контейнер (3) с приборно-навигационной аппаратурой. К круговому контуру второй части платформы (1) присоединено надувное тормозное устройство (4), собранное из отдельных элементов (5), выполненных, например, в виде полых торов. Элементы (5) помещены в чехол (6) с образованием, при подаче газа в полости этих элементов раскрывается в космосе НТУ (4) заданной формы, например в виде усеченного конуса с полым объемом между его малым и большим основаниями. На платформе (1) также размещены баки (7) со сжатым газом системы наддува НТУ и топливные баки (8) ДУ (2). Спускаемый аппарат-буксир для захвата транспортируемого объекта (9) содержит устройство (10), удерживающее объект внутри полого объема конуса НТУ (4). Для удержания НТУ (4) в сложенном при транспортировке САБ положении от несанкционированного раскрытия используется система обжатия (11).
Работает предлагаемый спускаемый аппарат-буксир в системе снятия объектов с орбит ИСЗ следующим образом.
Предварительно с помощью станций наземного наблюдения за объектами, находящимися на орбитах ИСЗ, выбирается подлежащий снятию объект. Далее с помощью наземных измерительных пунктов (НИП) определяются параметры орбиты и геометрические размеры этого объекта. Из ассортимента САБ различной тяговооруженности и габаритов выбирается соответствующий аппарат, ДУ которого обеспечит вывод его с опорной орбиты на орбиту объекта, а геометрические параметры НТУ позволят разместить объект в пределах свободного объема НТУ.
Выбранный САБ с НТУ в сложенном положении, показанном на фиг. 3, размещается под головным обтекателем РН либо в качестве попутного груза к запускаемому космическому аппарату, либо как самостоятельная полезная нагрузка РН среднего или малого класса.
После вывода САБ на опорную орбиту рассчитываются баллистические параметры траектории вывода САБ на орбиту транспортируемого объекта. В нужный момент времени по команде с Земли включается ДУ (2) и аппарат выводится на эту орбиту. Система навигации, размещенная в приборном контейнере (3), радиолокационным или оптическим путем обнаруживает необходимый объект, после чего проводится автоматическое управление сближением САБ с объектом с использованием ДУ (2). В момент, близкий к соприкосновению САБ с объектом, по сигналу соответствующего датчика автоматически включается система наполнения газом элементов (5) АТУ (4). В момент соприкосновения объекта с САБ подается газ для наддува удерживающего устройства (10). После этого САБ с объектом совершают совместный полет по орбите. Затем с помощью ДУ (2) связка «САБ+объект» ориентируется в положение готовности к выдаче тормозного импульса для схода с орбиты. Затем в НИП определяют момент включения и величину тормозного импульса двигателя для обеспечения попадания связки в заданную точку условной границы атмосферы. После выдачи тормозного импульса, в случае необходимости спасения транспортируемого объекта, может быть предусмотрено отсоединение части платформы (1), содержащей ДУ, от связки. В этом случае наружные поверхности остающейся второй части платформы (1), НТУ (4) и удерживающего устройства (10) покрываются тепловой защитой. Если же предусматривается затопление всей связки в заданном районе, тепловая защита САБ не выполняется.
Источники информации
1. Сборник РКК «Энергия» им. С.П. Королева под редакцией Ю.П. Семенова, 1996, с. 342-345.
2. Gossamor Orbit Lowering Device (GOLD); a Lightweight, Low-cost, and Simple De-orbit Sistem. Global Aerospace Corporation. April 16, 2003, 25 c.
3. Авиация и космонавтика №7, 1988, с. 46-47, и Интернет-сайт «Space Shuttl», раздел «Конструкция».
4. Патент РФ №2381967, Финченко B.C., Пичхадзе К.М., Иванков А.А. Способ доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли.