СПОСОБ ОЧИСТКИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ОТ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
METHOD OF CLEANING OF NEAR-EARTH SPACE ENVIRONMENT FROM SPACE DEBRIS

Изобретение относится к области космической техники, а именно к способам очистки околоземного космического пространства от космического мусора (КМ).
2
2
3
2
2
4
2
5
Известен способ очистки космоса от космического мусора [1], заключающийся в том, что обеспечивается торможение объектов космического мусора с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием объектов в атмосфере Земли. На пути следования объектов космического мусора путем распыления создается препятствие в виде облака пространственно-распределенных частиц. В качестве материала частиц используют продукты окисления азота, предпочтительно оксиды азота I, III, IV, V - NO, NO, NO, NO, NO, агрегатным состоянием вещества частиц является твердое тело. Частицы оказывают ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора. Размер частиц материала для оказания воздействия на объекты космического мусора выбирается в зависимости от размера объектов.
Недостатками данного способа является достаточно низкая эффективность в силу относительно большой разреженности облака, при этом ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора может одновременно привести к дефрагментации отдельных объектов космического мусора, что приведет к увеличению количественного состава космического мусора. Также следует отметить необходимость периодического дополнительного формирования препятствия в виде облака пространственно-распределенных частиц, которое после пролета частиц космического мусора будет рассеиваться.
Известен способ для очистки от космического мусора [2], заключающийся в том, что на геоцентрической орбите размещают пространственную область, обладающую большей силой сопротивления (трения, электромагнитная) и плотности, чем сила сопротивления и плотность атмосферы на данной орбите, и сформированную периферийной поверхностью трубчатого тела. Полое цилиндрическое тело (трубчатое тело) размещено на геоцентрической орбите, на которой движутся удаляемые частицы космического мусора, и включает в себя каркас и замедляющий материал (некоторая пространственная область), «надетый» на каркас для формирования внешней замедляющей поверхности указанного цилиндрического тела. Замедляющий материал имеет более высокую плотность, чем плотность атмосферы на высоте геоцентрической орбиты, где находится цилиндрическое тело. Поэтому замедляющий материал оказывает сопротивление с большей силой трения на проходящие через него частицы космического мусора, чем сила трения атмосферы на данной высоте. В качестве замедляющего материала использован материал с относительно малой плотностью. Плотность данного материала такова, что позволяет частицам космического мусора, которые нужно удалить, проникнуть внутрь почти без разрушения, при взаимодействии на предполагаемой скорости столкновений. К примеру, пенный материал (например, пенный материал из полиамида), аэрогель (например, аэрогель на основе диоксида кремния), пленочный пакет или похожие материалы могут быть использованы в качестве материала с низкой плотностью. Пленочный пакет может быть создан из металлических или пластиковых пленок, уложенных во множество слоев. Периферийная поверхность цилиндрического тела может быть образована сформированным цельным замедляющим материалом или может быть создана путем компоновки различных замедляющих материалов, сегментированных или в тангенциальном, или в аксиальном направлении относительно цилиндрического тела вдоль периферийной поверхности цилиндрического тела. Цилиндрическое тело с вышеописанной пространственной структурой сформировано таким образом, что его размер вдоль центральной оси превышает его диаметр. Цилиндрическое тело, имеющее указанную форму, расположено на геоцентрической орбите в таком положении, что один из открытых торцов направлен к Земле под действием градиента гравитации. В результате частицы космического мусора, двигающиеся по геоцентрической орбите, которая расположена на той же самой высоте, что и геоцентрическая орбита цилиндрического тела, проходят сквозь цилиндрическое тело в радиальном направлении (или параллельно радиальному направлению), вследствие этого через точку, где геоцентрическая орбита частицы пересекает геоцентрическую орбиту цилиндрического тела. То есть частицы космического мусора проходят сквозь цилиндрическое тело в направлении, пересекающем прямую линию, соединяющую открытые торцы цилиндрического тела, и пересекают замедляющий материал в двух местах на периферийной поверхности цилиндрического тела в тангенциальном направлении с некоторым временным промежутком. Замедляющий материал цилиндрического тела изготовлен с заданной толщиной, что позволяет одиночной частице космического мусора при вхождении проходить через замедляющий материал почти без разрушения и может замедлить скорость полета единичной частицы космического мусора посредством приложения силы трения к одиночной частице мусора во время прохождения. Подходящая толщина замедляющего материала может быть определена, к примеру, экспериментально. Изобретение, по мнению заявителя, позволяет удалять КМ без разрушения.
Недостатками данного способа является невозможность его применения на относительно малых высотах (порядка 150-250 км).
Кроме того:
- толщина замедляющего слоя не может быть изменена оперативно в зависимости от размеров объекта космического мусора;
- размещение трубчатого тела на определенной высоте предполагает, что это тело будет двигаться по геоцентрической орбите со скоростью, соответствующей данной высоте, и нет определенности, каким образом будет обеспечено сближение трубчатого тела с космическим мусором на выбранной высоте и движущимся с той же скоростью;
- расчеты по выбору толщины периферийного слоя сделаны, когда трубчатое тело имеет нулевую скорость относительно скорости движения объекта КМ;
- расчеты сделаны под определенную модель космического мусора - шар диаметром 1 см из алюминия и не учитывается разнообразие соотношений габариты/масса/плотность материала объектов космического мусора.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что для реализации указанного способа на орбиту очистки выводят и развертывают крупногабаритную тонкую пленку, ориентируя ее нормально (перпендикулярно) к направлению полета и поддерживая натяжение и ориентацию пленки в том числе после соударений со встречными объектами космического мусора, посредством реактивных двигателей, установленных на концах выдвижных штанг каркаса, соединенных с прямоугольной пленкой по меньшим ее сторонам. Для того чтобы избежать столкновение с активными объектами, пленку разворачивают вокруг продольной или поперечной оси на 90°, после чего возвращают в исходное положение. При соударении объекта космического мусора и пленки происходит разрушение объекта космического мусора на мелкие частицы с образованием в пленке при каждом соударении бреши. Удар не влияет на ориентацию устройства, а незначительные отклонения, если они возникнут, могут быть устранены с помощью системы ориентации. Образовавшиеся частицы тормозятся гораздо интенсивнее, чем первоначальный объект космического мусора, за счет резкого увеличения их баллистического коэффициента. Это обеспечивает быстрое вхождение их в плотные слои атмосферы и сгорание.
Недостатками данного способа является ее невысокая эффективность, так как при столкновении объектов космического мусора с пленкой происходит частичное нарушение ее целостности, и в дальнейшем воздействие пленки на пролетающие сквозь нее фрагменты космического мусора уменьшается. А также следует отметить недостаточную эффективность ударно-кинетического воздействия тонкой маломассивной пленки при столкновении с относительно крупными частицами. Необходимо отметить также сложность механизма разворачивания такой пленки и обеспечения жесткости конструкции - в момент удара рабочая поверхность подвергнется волновым колебаниям с труднопрогнозируемой амплитудой и направлением, которые могут привести к скручиванию пленки, в этом случае алгоритм синхронизации работы реактивных двигателей стабилизации и растягивания пленки не может быть реализован в автоматическом режиме из-за непредсказуемости изменения направления их вектора тяги.
Общим недостатком известных способов очистки околоземного космического пространства от космического мусора является то, что ни один из них не является однозначным и не гарантирует заявленный сбор космического мусора и эффективную очистку заданного околоземного космического пространства.
Целью изобретения является способ очистки околоземного космического пространства от космического мусора, обеспечивающий эффективную очистку заданного околоземного космического пространства.
Указанная цель достигается тем, что в заявляемом способе осуществляют изменение параметров орбиты малогабаритных элементов космического мусора путем уменьшения его исходной скорости при соударении об экран, который размещают на космическом аппарате-сборщике (КАС). Способ позволяет избежать возможности увеличения объектов космического мусора в результате его дефрагментации и реализуется следующим образом.
На фиг. 1, 2 представлено пояснение способа.
Способ заключается в изменении параметров орбиты малогабаритных элементов космического мусора (менее 10 см) путем уменьшения его исходной скорости после соударении об экран (фиг. 1), размещенный на космическом аппарате-сборщике (КАС). После соударения космического мусора об экран уменьшается высота его исходной орбиты и тем самым осуществляется торможение и естественная утилизация (сгорание) космического мусора в атмосфере Земли (фиг. 2).
Столкновение космического мусора с экраном равноценно проведению тормозной коррекции орбиты объектов КМ.
п
Актуальность очистки космического пространства от малогоабаритного космического мусора описана в [2]. Кроме того, известно, что малогабаритные элементы КМ формируют движущиеся потоки с определенной плотностью и имеют, как правило, круговую орбиту и орбитальную скорость, соответствующую высоте орбиты 1 (фиг. 2) [4]. Для реализации предлагаемого способа КАС размещается на вытянутой эллиптической орбите с диапазоном высот перигея 150 км≤Н≤250 км и высотой апогея, соответствующей диапазону высот потока КМ. Учитывая сверхвысокую кинетическую энергию движения элементов КМ, параметры орбиты КАС выбирают таким образом, чтобы направления движения КАС в апогее и потока элементов КМ совпадали (точное совпадение не обязательно), и обеспечивалось естественное замедление движения КАС с тормозным экраном в апогейной части орбиты до скоростей меньших средней скорости движения элементов КМ в потоке, доводя скорость соударения элементов КМ об экран в интервале от нескольких десятков до нескольких сотен метров в секунду.
2
Относительная разность скорости КАС и элементов КМ (скорость столкновения) рассчитывают исходя из прочностных характеристик конструкции тормозного экрана и выбранного материала его покрытия (например, экраны из кевлара выдерживают попадание пули при скорости от 400 до 900 м/с). Например, для орбиты с высотой 800 км достаточно уменьшить скорость объекта на 200 м/с, чтобы опустить высоту перигея менее 100 км [2]. Также расчет скорости столкновения учитывает максимально возможное тормозное воздействие на элементы КМ. Форму экрана формируют в виде конусообразной воронки или в виде параболоида вращения с площадью рабочей поверхности не менее 900 м (30 м×30 м).
При вхождении КАС в поток космического мусора экран ориентируют по нормали к вектору скорости элементов КМ и такую ориентацию сохраняют на восходящем и нисходящем участках орбиты (фиг. 1) до перигейного участка. В момент столкновения с экраном элементы космического мусора 2 (фиг. 2) приобретают отрицательное приращение скорости, пропорциональное разности скоростей КАС и элементов КМ. В зависимости от упругости материала рабочей поверхности экрана возможны два варианта расположения элементов КМ относительно тормозного экрана при сохранении целостности экрана и с учетом его формы:
- остаются в объеме ограниченном формой тормозного экрана;
- выходят за срез краев экрана.
В обоих случаях, после столкновения с экраном элементы космического мусора изменяют свою орбиту 3 (фиг. 2) - уменьшается ее эксцентриситет, орбита становится вытянутой и тормозное влияние атмосферы Земли становиться более заметным. В связи с увеличением плотности атмосферы 4 (фиг. 2) высота апогея и перигея эллиптической орбиты элементов КМ становятся ниже, и в результате достаточно быстрой эволюции орбиты за счет все более возрастающего тормозного влияния атмосферы Земли за короткий срок происходит утилизация (сгорание) элементов КМ (в зависимости от параметров приобретенной траектории 3 (фиг. 2)).
п
Утилизация элементов космического мусора, которые остались в объеме тормозного экрана, будет происходить более быстро и однозначно - в течение одних суток за счет естественных факторов. Захваченные элементы космического мусора будут сразу уводиться по штатной орбите КАС и в перигее (Н≤250 км) накопленный КМ будет сбрасываться, а КАС будет уводиться в результате коррекции орбиты по компенсации влияния атмосферы Земли и солнечного ветра (фиг. 1).
Расчеты показывают, что на высоте не более 250 км тормозное влияние атмосферы на малогабаритные элементы КМ (до 10 см) остается значительным и они будут утилизированы в течение одного-двух витков.
Для проведения разгонной коррекция орбиты в ее перигее КАС будут ориентировать таким образом, чтобы открытая плоскость тормозного экрана была направлена к Земле (параллельно вектору скорости КАС) и в момент включения двигателя коррекции будет осуществлен сброс накопленного космического мусора.
Преимуществом заявляемого способа очистки околоземного космического пространства от космического мусора являются:
- однозначность увода с исходной орбиты и быстрой утилизации малогабаритных объектов КМ;
- многократность использования технических средств, реализующих данный способ;
- количество циклов зависит от прочностных характеристик материала рабочей поверхности экрана и запаса топлива на борту КАС для поддержания рабочей орбиты;
- техническая доступность реализации способа, учитывая развитость технологий создания космических платформ для КАС и развертываемых крупногабаритных конструкций для тормозного экрана, а также наличие прочных и легких материалов для создания рабочей поверхности экрана;
- способ не требует больших энергетических затрат и высокой точности наведения для сбора и увода элементов космического мусора из движущегося потока космического мусора;
- возможность использования способа для сбора малогабаритного мусора независимо от высоты его орбит и возможность перевода экрана с орбиты на орбиту в зависимости от результатов очистки, используя возможности штатной бортовой двигательной установки КАС.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2478062 «Способ очистки космоса от космического мусора». МПК B64G 1/00, B64G 99/00, опубл. 27.03.2013 г.
2. Патент РФ на изобретение №2524325 «Способ для очистки от космического мусора». МПК B64G 1/56, опубл. 27.07.2014 г.
3. Патент РФ на изобретение №2092409 «Способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления». МПК B64G 9/00, опубл. 10.10.1997 г.
4. А.И. Киселев, А.А. Медведев, В.А. Меньшиков. Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2002 г.