СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ОТ ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
SYSTEM FOR CLEANING OUTER SPACE FROM OBJECTS OF SPACE DEBRIS

Изобретение относится к космической технике, а более точно к космическим аппаратам, которые могут использоваться для борьбы с космическим мусором на заданной орбите.
Известен космический комплекс очистки околоземного космического пространства от малогабаритного космического мусора по патенту RU 2612752 С2 (от 13.03.2017 г.), представляющий собой орбитальную группировку - КА сбора и утилизации малогабаритных объектов КМ и КА проведения измерений параметров орбит малогабаритных объектов КМ, наземный комплекс управления и измерения (НКУИ), радиолинию передачи данных о параметрах орбит объектов КА между передающими устройствами КА проведения измерений и приемным устройством НКУИ для обеспечения передачи исходных данных об обнаруженных объектах КМ и параметрах их движения на орбите, радиолинию управления сбором объектов КМ между передающими устройствами НКУИ и приемными устройствами КА сбора и утилизации с целью обеспечения передачи бортовых программ управления и целеуказания на КА сбора и утилизации малогабаритных объектов КМ. Космический аппарат сбора и утилизации предназначен для сбора малогабаритных объектов КМ в заданном секторе околоземного космического пространства и последующей их утилизации. Решение поставленной задачи достигается применением экрана большой площади и определенной формы, а также выбором требуемой орбиты. Очистка заданного сектора околоземного космического пространства происходит следующим образом. При столкновении объектов космического мусора с экраном происходит уменьшение исходной скорости движения малогабаритных объектов космического мусора, то есть осуществляется тормозная коррекция орбиты объектов КМ, что приводит к сходу объектов КМ с исходной орбиты, дальнейшему их торможению и утилизации в атмосфере Земли. Такое техническое решение представляется более затратным ввиду использования не одного КА, а их группировки и большого количества подсистем в его составе. Кроме того, следует отметить, что при столкновении с экраном фрагмент КМ, затормаживаясь и меняя траекторию, оказывает физическое воздействие на сам аппарат, что может привести к уводу КА с заданной орбиты. Данный комплекс не может быть рассмотрен в качестве близкого по устройству заявляемой системе ввиду разного подхода к решению задачи.
Известно изобретение «Космический аппарат для очистки околоземного пространства от мусора» по патенту РФ №2492125 (МПК B64G 99/00 от 10.09.2013 г.). Космический аппарат для очистки околоземного пространства от мусора содержит систему обнаружения подлежащих уничтожению тел и выстреливаемую капсулу с магнитной присоской, подсоединенную к блоку наддува, к которому прикреплен баллон с газом, тормозящий шар и блок управления. Блок управления собирает информацию с GPS-приемника и блока наддува и передает ее через антенну на Землю. Обеспечивается возможность контролирования координат спуска космического мусора в атмосферу, что позволяет исключить столкновение с ним других космических аппаратов. Космический аппарат обнаруживает космический мусор с помощью системы обнаружения обломков мусора, подлежащих уничтожению. После этого выпускается выстреливаемая капсула, которая с помощью магнитной присоски прикрепляется к космическому мусору. При этом блок наддува подает информацию в баллон с газом, надувая тормозящий шар. Тормозящий шар по размерам в несколько раз превышает размеры космического мусора, играя роль парашюта, тем самым, обуславливая уменьшение скорости космического мусора, что приводит к снижению орбиты вращения КМ вокруг Земли и к последующей его утилизации. При этом обеспечивается возможность контролирования координат опускаемого космического мусора, что позволяет исключить столкновения с ним других космических аппаратов, а также избавление от проблем, связанных с закруткой троса при использовании тросовой системы. Недостатком данного технического решения следует отметить ограниченную возможность применения магнитных присосок, так как для захвата объектов с их помощью требуются поверхности с магнитными свойствами на корпусе объектов захвата с достаточной площадью для прилипания и обладающие минимальной кривизной. Для КА, в конструкции корпусов которых преобладают немагнитные композитные материалы, применение магнитных присосок будет неэффективным.
Кроме того, недостатком является невозможность сбора объектов космического мусора с размерами до 10 см, составляющих огромное количество в околоземном космическом пространстве. Также следует отметить, что указанное изобретение отличается от заявляемого иным путем решения задачи.
Известно изобретение «Космический сачок» по патенту РФ №2046081 (МПК B64G 1/00, B64G 99/00 от 27.03.2013 г.). Сущность изобретения заключается в том, что космический сачок содержит космический аппарат (КА) и связанный с ним экран, взаимодействующий с внешней средой, выполненный в виде двух поверхностей из гибкой пленки, размещенных по разные стороны от космического аппарата и связанных с ним посредством тросов регулируемой длины, причем тросы ориентированы в пространстве вдоль местной вертикали, на свободном конце каждого троса закреплен ориентированный вдоль него контейнер для сбора мусора, внутренний торец которого выполнен в виде воронки, связанной с примыкающим к ней краем пленки, а его внешний по отношению к космическому аппарату торец снабжен люком. При взаимодействии космического мусора с материалом пленки происходит гашение относительной скорости частиц, после чего эти частицы под действием центробежных сил поступают в контейнеры для сбора мусора. Космический сачок доставляется в заданную область космического пространства и развертывается таким образом, чтобы тросы были ориентированы вдоль местной вертикали. Недостатком данного технического решения является несовершенство конструкции устройства, обусловленное тросовой системой разворачивания экрана, опасной для самого космического аппарата, невозможность длительного поддержания ориентации и жесткости конструкции, а также ограниченная возможность сбора космического мусора (КМ). Данное изобретение отличается от заявляемого способом решения поставленной задачи по очистке космического пространства от космического мусора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является высокотемпературная солнечная печь по патенту 4706401/06 (МПК: F24J 2/00 от 30.01.1996 г.), направленная на использование в металлургии, в полупроводниковой промышленности для получения сверхчистых металлов и полупроводников. Солнечная печь содержит гелиоконцентратор, состоящий из трех оптически сопряженных зеркал, фокусирующих солнечное излучение на плоскость выходного окна фокона, в котором размещен светопроводный элемент, выполненный в виде жгута волоконные световодов, выходные торцы которых введены в сферическую высокотемпературную камеру через сквозные отверстия. Предлагается использовать данное изобретение для получения сверхчистых металлов и полупроводников, иные способы использования не рассмотрены. Гелиоконцентратор, состоящий из трех оптически сопряженных зеркал, не рассматривается в качестве единственного варианта технического исполнения части предлагаемой системы «космический аппарат-солнечная печь» и может представлять собой как одну фокусирующую линзу, так и несколько - в зависимости от параметров и характеристик целевых обломков на орбите. Данное изобретение отличается от заявляемого целью использования.
Как чисто теоретическая, проблема космического мусора возникла в пятидесятые годы прошлого века, когда начались запуски первых искусственных спутников Земли. Обломки и частицы космической техники на орбите уже представляют угрозу для действующих космических аппаратов, особенно пилотируемых. На данный момент эффективных мер защиты от обломков особенно малых размеров нет. Самый мелкий мусор - это чаще всего краска или металлическая стружка, но, несмотря на свой размер, эти частицы могут достигать скорости более 27 тысяч км в час. Этого может быть достаточно, чтобы нанести значительный ущерб действующим космическим аппаратам.
Вопрос космического мусора носит международный характер. В 2016 году ученые головного научного института Роскосмоса ЦНИИмаш пришли к выводу, что если не заниматься решением данной проблемы, то через 100 лет развитие космической деятельности может прекратиться - вся околоземная орбита будет усыпана обломками космической техники. Основная опасность космического мусора заключается в том, что его количество увеличивается в геометрической прогрессии.
Поставлена задача создания системы, конструктивное исполнение которой позволит эффективно удалять элементы космического мусора на орбите без необходимости их перевода на другие орбиты или спуска в слои атмосферы. В то же время ставятся задачи обеспечения безопасной эксплуатации системы по борьбе с засорением космического пространства и экономичности.
Решение задачи достигается тем, что предлагаемая в качестве изобретения система включает в себя взаимосвязанные посредством сборочных операций космический аппарат и гелиоконцентратор, функциональные параметры которых определяются исходя из параметров и характеристик обломков, которые необходимо устранить. При этом космический аппарат размещается на орбите, находясь на которой спутники получают достаточно солнечной энергии, например, на солнечно-синхронной орбите (ССО) Земли, которая позволяет спутнику никогда не уходить в тень Земли, всегда оставаясь на солнце вблизи границы дня и ночи. При этом космический аппарат содержит систему управления и систему ориентации и стабилизации. При этом гелиоконцентратор может представлять собой одно и более зеркал. При этом система имеет одно или более трансформируемое зеркало, развертываемое таким образом, чтобы солнечное излучение лучом заданного диаметра фокусировалось на целевом объекте.
Технический результат заявленного изобретения заключается в фактическом полном или частичном испарении малоразмерных обломков космического мусора на орбите, а также в расширении арсенала имеющихся средств борьбы с засорением космического пространства.
Преимущества такого технического решения следующие:
- Эффективность уборки малоразмерных обломков космического мусора, при этом мусор не уводится на более высокую орбиту, создавая проблемы для будущих поколений, а напрямую испаряется;
- Снижаются затраты на конструкцию ввиду использования солнечной энергии для устранения обломков;
- Улучшаются энергетические показатели системы, так как солнечная энергия аккумулируется и используется для самого аппарата;
- Расположение предлагаемой системы на солнечно-синхронной или иных орбитах, находясь на которых аппараты получают достаточно солнечной энергии, позволяет предлагаемому техническому решению эффективно бороться с обломками космического мусора.
На рис. 1 и 2 схематично показан один из возможных примеров осуществления системы для очистки космического пространства от объектов космического мусора.
Описываемая система для очистки космического пространства от объектов космического мусора, представляющая собой космический аппарат с гелиоконцентратором, в общем виде включает в себя КА 1, одно или несколько оптически сопряженных зеркал 2, фокусирующих солнечное излучение в одной точке требуемого диаметра, систему управления 3 (на рис. не отображено), при этом изобретение предполагает наличие системы передачи данных 4 (на рис. не отображено), при этом имеется система стабилизации и ориентации КА 5 (на рис. не отображено), допускается наличие устройства, аккумулирующего солнечную энергию и тепло от гелиоконцентратора для дополнительного питания аппарата 6 (на рис. не отображено).
После сброса головного обтекателя ракеты-носителя, система для борьбы с космическим мусором выходит на заданную орбиту, и происходит ее развертывание. Затем с помощью системы обнаружения, которая может быть представлена в виде бортового технического зрения или через транслируемые с Земли данные, происходит обнаружение фрагментов космического мусора и данные об объектах передаются на Землю. После получения задания устранения элементов космического мусора, происходит наведение гелиоконцентратора на элемент и на Солнце и удержание объекта космического мусора в фокусе, пока он не будет испарен или расплавлен.
Предлагаемая система обладает высокой экономичностью, ввиду того, что использует солнечную энергию для устранения обломков космического мусора, а также, при наличии аккумулирующего устройства, сама может обеспечивать себя энергией для функционирования. Система может иметь в своем составе МКА, например, класса CubeSat, что может способствовать дополнительной экономичности предлагаемого технического решения ввиду невысокой стоимости CubeSat относительно КА стандартного размера. Предложенная система отличается надежностью функционирования и не требует применения сложных устройств для устранения элементов космического мусора, например, робототехнических. Доступность и простота предлагаемого решения позволяют использовать его повсюду.
Таким образом, эффективность от осуществления предложенного технического решения состоит в фактическом устранении малоразмерных обломков космического мусора на орбите, в расширении арсенала имеющихся средств борьбы с засорением космического, а также в экономичности системы ввиду простоты конструкции и возможности использовать малый космический аппарат. Предложенная система отличается надежностью функционирования и не требует выполнения сложных алгоритмов действий для устранения мусора, таких как фактический захват обломков или перемещение фрагментов мусора на более высокие орбиты, оставляя проблему будущим поколениям.
Вышеуказанные достоинства предлагаемой системы позволяют создать не просто универсальную и высокоэффективную, но и относительно простую систему для устранения космического мусора.