Способ изменения орбиты астероида с использованием его собственных ресурсов в качестве топлива для ракетного двигателя, устанавливаемого на нем
Изобретение относится к ракетно-космической технике. В способе изменения орбиты астероида используют его собственные ресурсы в качестве топлива для ракетного двигателя, устанавливаемого на астероиде и создающего импульс силы, направленный через центр массы астероида. После исследования и составления портрета астероида к нему запускают группировку космических аппаратов, содержащих комплекс блоков системы воздействия на астероид, обеспечивают мягкую посадку блоков на поверхность астероида в заданных точках с силовым прикреплением их к поверхности астероида, проводят тестирование и приступают к запуску процесса сбора исходных природных ресурсов для переработки их в компоненты топлива для ракетного двигателя, накопления, хранения и передачи этих компонентов в баки основного ракетного двигателя и двигателей ориентации астероида, создания необходимого запаса и реализации процесса периодического пополнения компонентов топлива с последующим включением основного ракетного двигателя в заданные моменты времени. Техническим результатом изобретений является повышение эффективности воздействия на опасное космическое тело. 10 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области ракетно-космической техники, предназначенной для добычи и использования природных ресурсов на космических объектах.
Минеральные ресурсы являются не возобновляемыми природными ресурсами. Особенно отмечена их ограниченность на Земле по редкоземельным металлам. Подготовленную к освоению часть минеральных ресурсов называют минерально-сырьевой базой. Расширение минерально-сырьевой базы на космические объекты является цивилизационной задачей, решение которой определяет будущее развитие всего человечества.
Большой объем природных ресурсов находится на астероидах. На сегодня открыты и зафиксированы уже несколько сотен тысяч астероидов. Еще тысячи открываются каждый год. Существуют еще сотни тысяч подобных объектов, которые слишком малы, чтобы быть различимыми с Земли.
Разработка технологий по добыче минеральных ресурсов космоса становится за рубежом актуальным трендом. Появились инициаторы и инвесторы решения этой задачи. Компания Deep Space Industries объявила о планах по организации первой в истории коммерческой миссии, предполагающей добычу полезных ископаемых в космосе. Deep Space Industries при поддержке правительства Люксембурга разрабатывает аппарат Prospector-X, предназначенный для тестирования при выводе на низкую околоземную орбиту ключевых технологий для выполнения основной миссии Prospector-1. Проектами освоения астероидов занимается компания Planetary Resources, глобальной некоммерческой организации Space Foundation, которая поддерживает и поощряет проекты, связанные с освоением космоса.
В Международной патентной классификации сформирован раздел «Устройства и способы добычи материала из внеземных источников» - Е21С 51/00. Среди патентов, аналогов защищающих решения по этому направлению: «Способ строительства шахт и рудников на космических объектах» патенты №2423610, №2368784, «Комплекс средств для получения Не 3 из лунного грунта» патенты №2353775, №2328599, «Способ разработки лунного грунта для получения Не-3 и устройство для его осуществления» патент №2055206. Запатентована технология под названием «оптическая добыча», которая позволит извлекать из недр астероидов воду используя солнечную энергию. Выделенная вода, предназначена обеспечить космические корабли недорогим топливом, что снизит стоимость миссий.
Развитие технологий по освоению космических ресурсов вошло в стадию реальных космических решений по проектам и защите прав интеллектуальной собственности; сформированы заинтересованные группы предпринимателей и инвесторов, в том числе с международным сотрудничеством в области освоения космических ресурсов; в США оказывается государственная поддержка коммерческому частному использованию космического пространства.
В настоящее время разрабатываются средства исследования астероидов с помощью космических аппаратов [Т.Ш. Комбаев, Р.И. Гуров, И.С. Верин «Проект по исследованию астероидов главного пояса с помощью космического аппарата (КА) с электроракетной двигательной установкой» Секция 2 «Системные и проектно-конструкторские решения средств выведения…»]
Для эффективного использования ресурсов астероидов требуется решение задачи перемещения астероида с его орбиты на орбиту удобную для его освоения.
Космическое агентство NASA разрабатывает космический аппарат для захвата астероида вес которого составляет 550 т, и перемещения его на орбиту вокруг Луны. Об этом проекте сообщили ученые из Университета KISS (Keck Institute for Space Studies). Проектные параметры космического аппарата по ширине составляют 7 метров, ракета-носитель Atlas V. Стоимость разработки составит около 2,6 миллиарда долларов. Космический аппарат приблизится к астероиду, скоординирует свою скорость с скоростью его вращения, введет астероид в приемный стакан (10 метров в высоту и 15 метров в ширину). Ученые из Университета KISS считают, что данная миссия вполне возможна, при разработке технологии создания мощных установок с солнечными батареями для перемещения астероидов. [Источник: Theverge.com].
Способ исследования астероидов был предложен проектом по перемещению астероида (Asteroid Redirect Mission), или, проектом Keck. Его концепцию разработал Институт космических исследований имени Кека в Пасадене (Калифорния). Уильям Майрон Кек - известный американский филантроп, основавший в 1954 году фонд поддержки научных исследований в США. В проекте в качестве исходного условия принималось, что задача исследования астероида решается с участием человека, иначе говоря, миссия к астероиду должна быть пилотируемая. Но в этом случае длительность всего полета с возвращением на Землю неизбежно составит несколько месяцев. В случае аварийной ситуации это время не может быть сокращено до приемлемых пределов. Поэтому было предложено, не лететь к астероиду, а доставить его, используя беспилотные аппараты к Земле. Но не на поверхность, а на орбиту, подобную лунной, и отправить пилотируемый корабль к ставшему близким астероиду. Этот корабль сблизится с ним, захватит, и космонавты изучат его, возьмут образцы породы и доставят их на Землю. А при аварийной ситуации космонавты смогут вернуться на Землю за время в пределах недели. В качестве основного кандидата на роль перемещаемого таким образом астероида NASA уже выбрало околоземный астероид 2011 MD, относящийся к амурам. Его диаметр от 7 до 15 метров, плотность 1 г/см3, то есть он может выглядеть как рыхлая груда щебня массой около 500 тонн. Его орбита очень близка к орбите Земли, наклонена к эклиптике на 2,5 градуса, а период равен 396,5 суток, чему соответствует большая полуось в 1,056 а.е. Интересно отметить, что астероид открыли 22 июня 2011 года, а 27 июня он пролетел очень близко от Земли - всего в 12000 километров.
Ученые КНР разрабатывают подобную технологию захвата астероидов для добычи его минеральных ресурсов. Сотрудники Национального центра космических наук при Академии наук Китая работают над созданием технологии захвата небольших астероидов и доставки их в атмосферу Земли с последующим извлечением минералов, содержащихся в этих небесных телах. Одним из решений может стать космический корабль с приспособлением, по форме напоминающим чехол, при помощи которого можно изменить траекторию небольших астероидов для доставки на Землю. Второй этап - развертывание теплозащитного щита, предотвращающего сгорание астероида в атмосфере. Перед подходом к Земле скорость движения астероида будет снижена с 12,5 км/с до 140 м/с. На третьей стадии технология должна обеспечить приземление астероида в безлюдной местности. Для эксперимента выбран астероид диаметром 6,4 метра и весом в несколько сот тонн, на расстоянии 100 млн. км. от Земли. Согласно плану, первый космический корабль для захвата астероидов будет выведен на орбиту в 2029 году, а еще через пять лет он вернется на Землю с пойманным космическим объектом. В отличие от миссий США и Японии, когда на астероиде берутся образцы, разработчики КНР планируют доставить астероид на Землю полностью [Источник: EPA/NASA/JPL-CALTECH, газета China Daily от 25.07.2018].
В настоящее время разрабатываются проекты перемещения астероида, например с использованием двигательной установки, размещаемой непосредственно на астероиде и использующей в качестве рабочего тела вещество астероида. [Е.А. Николаева, О.Л. Старинова «Моделирование функционирования систем защиты Земли для отведения астероидной опасности». Инженерный журнал: наука и инновации №7 2017.]
В результате астрономических наблюдений обнаружены астероиды на которых находится вода. Например, на астероиде Фемида (24 Themis), расположенном в поясе астероидов между Марсом и Юпитером на расстоянии 480 миллионов км от Солнца, обнаружены признаки льда. Астероид Фемида имеет диаметр около 200 км.
75% известных астероидов относятся к Классу-С (углеродные). При дальнейшем изучении астероидов Класса-В (входящем а Класс-С) с повышенным альбедо предполагается наличие воды на этих астероидах.
Известны патенты аналоги защищающие техническое решение изменения орбиты астероида с помощью отражателей солнечного света, воздействия взрывом или другими небесными телами.
Например, US 6726153 BA, RU 2266240. Такие способы используют для предотвращения столкновения с опасным космическим телом, но для решения задачи использования ресурсов астероида они не подходят.
Так в качестве прототипа выбран патент RU 2369533 С1 МПК B64G 1/00, B64G 1/66 «Способ изменения траектории движения опасного космического тела и устройство для его реализации» авторы М.Н. Бурдаев, В.Е. Сергеев, А.Н. Головко.
Изобретения относятся к методам и средствам обеспечения безопасности Земли от столкновения с опасным космическим телом (астероидом, кометой и т.п.). Способ заключается в том, что после обнаружения опасного тела производят запуск к нему космического аппарата, несущего набор ударных блоков с зарядами взрывчатого вещества (ВВ). Первый блок оснащают средствами пенетрации. При подходе к опасному телу ударные блоки поочередно выпускают из космического аппарата и позиционируют в пространстве через необходимые интервалы. Первый блок наводят в точку прицеливания на поверхности тела, в которое он затем проникает на расчетную глубину. Там осуществляют детонацию ВВ, в результате чего образуется кратер. Следующий ударный блок направляют в данный кратер, корректируя его траекторию по результатам первого соударения. При этом наводят данный блок, после разлета обломков, с помощью процессора командного отсека космического аппарата и системы самонаведения на тепловое пятно кратера. Следующие ударные блоки корректируются аналогично по результатам предыдущих соударений. Из командного отсека осуществляется не только управление движением ударных блоков, но и контроль результатов их попаданий и изменения движения опасного космического тела. После сообщения на Землю о результатах операции сам космический аппарат может быть использован как ударный блок, будучи направлен в кратер на поверхности опасного тела. Техническим результатом изобретений является повышение эффективности воздействия на опасное космическое тело при одновременном снижении затрат на изменение его траектории.
Недостатком прототипа, при котором используется вещество астероида для изменения его траектории с помощью серии направленных в одно место взрывов, является то, что такой способ может применяться только для каменных, базальтовых астероидов, и предназначен только для решения задачи предотвращения столкновения с Землей. Такой способ изменения орбиты астероида затруднит использование его минеральных ресурсов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в доставке и размещении на астероиде комплекса оборудования, который обеспечивает получение топлива из вещества астероида, например воды, извлечение его, переработку в компоненты топлива для работы ракетного двигателя уставленного на астероиде и управляемую работу этого двигателя для воздействию на астероид с целью изменения параметров его орбиты на наиболее пригодные для использования природных ресурсов астероида или в других целях, например обеспечения безопасности Земли.
Разрабатывается концепция решения задачи перевода астероидов на орбиты, резонансные с орбитой Земли, с тем, чтобы открыть возможность регулярных миссий к таким астероидам с целью их изучения или использования ресурсов. Выбор осуществляется минимизацией необходимого для перевода импульса скорости, допустимая величина которого полагается в пределах, не превышающих 20 м/с.
Способ изменения орбиты астероида с использованием его собственных ресурсов в качестве топлива для ракетного двигателя, устанавливаемого на астероиде и создающего импульс силы, направленный через центр массы астероида тела при предварительной пространственной ориентацией астероида заключается в том, что после исследования и составления портрета астероида к нему запускают группировку космических аппаратов содержащих комплекс блоков системы воздействия на астероид, обеспечивают мягкую посадку блоков на поверхность астероида в соответствии с планом их размещения в заданных точках с силовым прикреплением их к поверхности астероида, включая посадку блока основного ракетного двигателя изменения орбиты космического тела, с последующей юстировкой направления его оси через центр масс астероида, посадку блоков двигателей ориентации астероида, блока энергообеспечения комплекса оборудования, блока системы сбора топливного ресурса астероида, блока подготовки компонентов рабочего топлива для основного ракетного двигателя, оборудования хранения компонентов топлива, система насосной подачи компонентов топлива, система коммуникаций трубопроводов и электрокабелей между блоками, блока системы управления, дальней и ближней связи и необходимых обеспечивающих систем, после чего объединяют электрические, трубопроводные коммуникации между блоками в соответствии с программой их работы, проводят тестирование и приступают к запуску процесса сбора исходных природных ресурсов для переработки их в компоненты топлива для ракетного двигателя, накопления, хранения и передачи этих компонентов в баки основного ракетного двигателя и двигателей ориентации астероида, создания необходимого запаса и реализации процесса периодического пополнения компонентов топлива с последующим включением основного ракетного двигателя в заданные моменты времени по команде блока системы управления согласованно с работой двигателей ориентации астероида и результатами измерения текущих баллистических параметров орбиты небесного тела системой управления.
Для достижения этой цели обеспечивают предварительную разведку свойств астероида, уточнение баллистических показателей движения, геологический и химический состав космического тела, картографирование поверхности, экономическую оценку природных ресурсов астероида с расчетом затрат на выполнение миссии по изменению параметров орбиты астероида.
Группировкой космических аппаратов доставляют к астероиду комплекс оборудования состав которого включает:
блок основного ракетного двигателя для изменения орбиты космического тела;
блоки двигателей ориентации положения космического тела;
блок Энергообеспечения комплекса оборудования размещаемого на космическом теле;
блок системы добычи топливного ресурса космического тела (например воды): забора открытой воды на космическом теле, забор закрытой воды в глубине космического тела, извлечение воды другими методами (например выпариванием и сбором воды);
блок подготовки компонентов рабочего топлива для основного ракетного двигателя (Электролитическое разложение воды на водород и кислород);
емкости для воды;
оборудование хранения компонентов топлива водорода, кислорода;
система насосной подачи;
система трубопроводов между блоками;
блок управления, дальней и ближней связи и необходимых обеспечивающих систем включая контролирующие, демпфирующие устройства, дублирующие и запасные элементы.
Программа реализации способа изменения орбиты астероида с использованием его собственных ресурсов в качестве топлива для ракетного двигателя устанавливаемого на нем содержит следующие этапы:
разведка выбранного астероида и оценка эффективности его использования;
доставка группировки космических аппаратов к астероиду; осуществление посадки космических аппаратов на выбранные посадочные места на астероиде;
соединение электрических и трубопроводных коммуникаций между блоками космических аппаратов;
тестирование оборудования блоков, объединенных в систему;
забор воды находящейся на астероиде мобильным сборщиком и доставка ее в блок обработки;
обработка собранной воды, получение компонентов топлива и наполнение баков компонентами топлива;
перекачивание компонентов топлива в баки двигателей основного двигателя и двигателей ориентации:
выполнение этапа изменения орбиты астероида:
включение двигателей ориентации;
включение основного двигателя;
контроль и управление изменением баллистических показателей астероида;
повторение операций по включению основного двигателя астероида на конечном участке траектории.
Сущность изобретения иллюстрируют следующие рисунки:
фиг. 1 - разведка астероида: навигационная, геологическая фотографическая;
фиг. 2 - доставка к астероиду группировки космических средства;
фиг. 3 - посадка на астероид и размещение космических средств;
фиг. 4 - объединение трубопроводными и энергетическими связями;
фиг. 5 - сбор воды с астероида и получение компонентов топлива;
фиг. 6 - заполнение баков ракетного двигателя и подготовка к запуску;
фиг. 7 - работа двигателей ориентации астероида;
фиг. 8 - работа основного двигателя перемещения астероида;
фиг. 9 - траектория перемещения астероида;
фиг. 10 - стыковочно-заправочный узел на астероиде.
Реализацию способа осуществляют следующим образом.
Выбирают астероид 1 (фиг. 1) с запасами воды 2, центром массы М, вектором скорости V находящегося на орбите О и представляющий технико-экономический интерес по предварительным признакам его доступности, целесообразности использования и осуществляют его разведку астрономическими наблюдательными методами 3, полетами космических аппаратов 4, обеспечивающими получение необходимых видов информации фотографическими методами спектрометрическими с контактным воздействием для получения геологической информации 5. Создают подробный портрет астероида с навигационной привязкой к его поверхности, оснащением навигационным маяком 6.
На основании портрета астероида разрабатывают карту посадочных мест группировки космических средств 7 (фиг. 2) в местных координатах. Обеспечивают доставку группировки космических средств 8 к астероиду 1 в соответствии с графиком полета и расписанием подхода средств к астероиду на позицию включения посадочного режима.
Осуществляют мягкую посадку космических аппаратов группировки 8 (фиг. 3) на выбранные посадочные места на астероиде 1 в соответствии с планом их размещения на астероиде. Включают устройство прикрепления блоков после посадки к астероиду и выравнивания положения относительно вертикали к центру масс астероида М в местных координатах. Мягкую посадку блока основного ракетного двигателя изменения орбиты космического тела, осуществляют с последующей юстировкой направления его оси через центр масс астероида,
Комплекс оборудования доставленного группировкой космических аппаратов на астероид включает:
блок основного ракетного двигателя для изменения орбиты космического тела 9;
блоки двигателей ориентации положения космического тела 10;
блок энергообеспечения комплекса оборудования размещаемого на космическом теле 11;
платформа 13 мобильного аппарата робота сборщика воды 12, включая забор открытой воды на космическом теле, забор закрытой воды в глубине космического тела, извлечение воды другими методами (например выпариванием);
блок подготовки компонентов топлива для основного ракетного двигателя 14 (например электролитическим разложением воды на водород и кислород) и двигателей ориентации;
емкости для хранения воды 15, хранения компонентов топлива водорода, кислорода 16;
система компрессорной и насосной подачи компонентов топлива 17;
блок средств обеспечения коммуникаций трубопроводных, электрокабельных 18;
блок управления 19, система дальней связи, ближнем управлением на астероиде и необходимых обеспечивающих систем, включая контролирующие, демпфирующие устройства, дублирующие и запасные элементы;
баки для компонентов топлива основного ракетного двигателя 20.
На фиг. 4 показано объединение устройств космического комплекса трубопроводными 21 и электрическими соединениями 22. При этом для разворачивания шлангов и кабелей и их подключения к соответствующим блокам используют автоматические устройства или пилотируемые средства. Обеспечивают сбор воды с поверхности астероида 1 перемещающимися по его поверхности роботом сборщиком воды 12 который доставляет воду к приемному приспособлению 23 блока подготовки компонентов топлива устройства переработки воды на компоненты топлива 14.
В устройстве переработки воды 23 (фиг. 5) на компоненты заполняется бак воды 15, перерабатывается вода в компоненты топлива и заполняют баки 16.
С помощью системы компрессорной и насосной подачи компонентов топлива 17 заполняют баки ракетного двигателя 24 компонентами топлива (фиг. 6) и осуществляют подготовку к запуску ракетного двигателя.
С помощью работы двигателей ориентации астероида 10 обеспечивают (фиг. 7) заданное положение астероида в местных координатах относительно вектора движения астероида 
на угол α.
Включают основной двигатель 9 установленный на астероиде (фиг. 8) и сообщают импульс силы для изменения траектории астероида. В результате воздействия приложенной силы траектория астероида изменяется в расчетных переделах.
Пример расчет импульсов для перемещения астероидов в таблице 
[Астероиды - источники опасности и объекты исследований. «НАУКА И ЖИЗНЬ» №1, 2015]
В результате (фиг. 9) осуществляют изменение естественной орбиты 0 астероида 1 на траекторию перемещения 25 в заданных параметрах с последующей стабилизацией на расчетной орбите 26 использования астероида где Солнце 27, Земля 28, Луна 29.
На (фиг. 10) показан пример использования астероида 1 в качестве заправочной станции для космических аппаратов, при оснащении его комплексом оборудования для получения компонентов топлива из воды, находящейся на астероиде. Для этого на астероиде устанавливают стартово-посадочный блок 30 оснащенный узлом заправки компонентами топлива 31 через трубопровод 32 связанный с системой получения и хранения компонентов топлива. В процессе использования астероида в качестве заправочной станции для космических средств осуществляют посадку заправщика 33 на стартово-посадочный блок 30, заполнение его баков 34 компонентами топлива, затем осуществляют взлет с астероида 1 и производят доставку топлива потребителю в заданную область космического пространства.
При моделировании реализации способа изменения орбиты небесного тела с использованием его собственных ресурсов в качестве топлива для ракетного двигателя устанавливаемого на этом теле определяют зону экономической эффективности этой реализации с учетом степени готовности необходимых космических технологий. При этом рассматривают следующие основные ключевые показатели: суммарную массу комплекса оборудования; массу необходимых средств выведения для доставки комплекса оборудования к астероиду; стоимость доставки к выбранному астероиду. Производят оценку характеристик выбранного астероида включая параметры его орбиты, массу и объем содержащейся на нем воды. Оценивают эффективность технологии воздействия на астероид оценивая параметры комплекса получения и обработки воды, производительность обработки воды, энергозатратность, объем получаемых компонентов топлива, срок хранения компонентов. Решают задачу баллистическое обеспечение силового воздействия на астероид реактивной тягой многоразового двигателя установленного на астероиде.
Математическая модель функционирования систем изменения траектории астероида с помощью размещенной на астероиде двигательной установки.
Уравнение движения астероида с изменяемой массой и реактивной
тягой.
Где 
- расстояние между астероидов и Солнцем;
m2 - масса Солнца;
Р - тяга двигателя;
- скорость астероида; m1 - масса астероида;
α=
- секундный расход рабочего тела;
G - гравитационная постоянная.
При достижении области конечного назначения повторяется процесс подготовки, ориентации астероида и запуск двигателя астероида для перехода на заданную орбиту.
Технический эффект при реализации изобретения заключается в получении возможности использования природных ресурсов космического тела за счет замены природной орбиты астероида сложной конфигурации, с неопределенностью собственного орбитального движения, значительными изменениями расстояния от него до Земли на расчетную эллиптическую или круговую орбиты наиболее удобную для применения космических средств освоения его ресурсов и доставки потребителю природных ресурсов астероида на минимальном удалении от старта этих средств.
Изменение траектории астероида имеет преимущество перед вариантом многоразовых челночных полетов к астероиду на его первоначальной орбите.
Экономический эффект определяется превышением стоимости получаемых природных ресурсов с астероида над затратами по из получению и доставки природных ресурсов потребителю, включая затраты на создание и реализацию космических средств изменения траектории орбиты астероида и перевода на орбиту его промышленного освоения.
Экономический эффект от изменения траектории орбиты астероида может быть получен для варианта конечного использования природных ресурсов астероида не только на Земли но и в условиях космического пространства или небесных тел Луны, Марса.
В результате использования способа может быть получен социальный эффект по повышению безопасности Земли или космической деятельности при изменении траектории астероида в целях реализации системы защиты Земли от опасных космических объектов.
Способ изменения орбиты астероида с использованием его собственных ресурсов в качестве топлива для ракетного двигателя, устанавливаемого на нем и создающего импульс силы, направленный через центр массы астероида тела при предварительной пространственной ориентации астероида, отличающий тем, что после исследования и составления портрета астероида к нему запускают группировку космических аппаратов, содержащих комплекс блоков системы воздействия на астероид, обеспечивают мягкую посадку блоков на поверхность астероида в соответствии с планом их размещения в заданных точках с силовым прикреплением их к поверхности астероида, включая посадку блока основного ракетного двигателя изменения орбиты космического тела, с последующей юстировкой направления его оси через центр масс астероида, посадку блоков двигателей ориентации астероида, блока энергообеспечения комплекса оборудования, блока системы сбора топливного ресурса астероида, блока подготовки компонентов рабочего топлива для основного ракетного двигателя, оборудования хранения компонентов топлива, системы насосной подачи компонентов топлива, системы коммуникаций трубопроводов и электрокабелей между блоками, блока системы управления, дальней и ближней связи и необходимых обеспечивающих систем, после чего объединяют электрические, трубопроводные коммуникации между блоками в соответствии с программой их работы, проводят тестирование и приступают к запуску процесса сбора исходных природных ресурсов для переработки их в компоненты топлива для ракетного двигателя, накопления, хранения и передачи этих компонентов в баки основного ракетного двигателя и двигателей ориентации астероида, создания необходимого запаса и реализации процесса периодического пополнения компонентов топлива с последующим включением основного ракетного двигателя в заданные моменты времени по команде блока системы управления согласованно с работой двигателей ориентации астероида и результатами измерения текущих баллистических параметров орбиты небесного тела системой управления.
