Устройство уборки космического мусора

Изобретение относится к космической технике. Аппарат для уборки космического мусора включает реактивный двигатель, энергетический модуль и мусоросборник. Мусоросборник содержит ловушку, представляющую собой емкость в форме эллипсоида с окнами для разгрузки и системой соленоидов, втягивающих мусор, распределенных по всей поверхности эллипсоида. Ловушка содержит электромагниты, стабилизирующие хаотическое движение мусора в ловушке. Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной уборки космического мусора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Мусор в космосе - это любой искусственный объект на орбите вокруг Земли, который больше не выполняет свои функции. Например, ступени ракет-носителей и «умершие» спутники. Мусором называют и мелкие осколки, потерянные во время экспедиций: гайки, болты, мешки, отвертки. 95% космических объектов являются мусором.

70% обломков находится на околоземной орбите, которая простирается примерно на 2000 км над поверхностью Земли. В орбитальном пространстве Земли на данный момент находится не менее 8000 тонн мусора. Большинство объектов, составляющих облако мусора - обломки, размер которых составляет более 1 см. Всего таких обломков насчитывается более 750 тысяч. Основная их опасность - нанесение повреждений спутникам и аппаратам, которые в настоящее время находятся на орбите или выходят на нее. Проект Илона Маска Starlink - сети означает появление на околоземной орбите 42 000 спутников, которые со временем станут мусором. [1,2] США и Китай взорвали спутники, создав дополнительно множество кусков, что усложнило опасную ситуацию.

СРЕДСТВА БОРЬБЫ с космическим мусором:

- если прекратить освоение космоса, то через 10-20 лет весь мусор по спирали опустится на землю, но не весь сгорит в атмосфере;

- при опасном сближении МКС с объектом космического мусора проводят маневрирование станции;

- для автономного поиска и обнаружения опасных объектов на высотах до 50 тыс. км по всей Земле расставлены оптико-электронные комплексы с телескопами;

- транспортировка объектов мусора на дальние стационарные орбиты (создавая проблемы в будущем) или в атмосферу Земли;

- уничтожение объекта взрывом или сжиганием (испарение) лазерным лучом;

- измельчение мусора на орбите и утилизация его в топливо.

Все человечество активно осваивает космос с военной и научной целью и на это выделяются огромные средства, но мало желающий спонсировать уборку космического мусора. Некоторые фирмы России и других ведущих государств делают слабые попытки создания устройств уборки космического мусора.

Британской компании SSTL в сотрудничестве со специалистами из нескольких других европейских стран и Южной Африки разработала спутник - уборщик весом 100 кг, который доставлен на МКС. Спутник отбрасывается от станции на расстоянии 7 м и из него выбрасывается сеть для захвата мусора. Другой спутник для отлова обломков применяет гарпун, который может работать на расстоянии не более 1.5 м от спутника. После завершения операции спутник-уборщик развернет парус для входа в верхние слои атмосферы, после чего сгорит в ней.[3]

Сейчас известно и об альтернативных разработках, ведущихся частными компаниями и научно-исследовательскими организациями. В частности, ученые работают над спутниками-"липучками" и электродинамическими ловушками для снижения скорости движения космического мусора. [4]

Госкорпорация «Роскосмос» разрабатывает проект космического уборщика, который может сдувать (испарять) космический мусор струей реактивного двигателя. [5]

Институт прикладной физики РАН совместно с японскими специалистами планируют установить на МКС лазер для мощных ускорителей следующего поколения Хсап. Лазер каким-то образом будет отклонять траекторию движения опасного объекта.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора, содержащий энергетическую установку, выполненную в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя, систему обнаружения тел, подлежащих уничтожению, устройство генерации и направленной передачи энергии, выполненное в виде лазера, снабженного системой охлаждения, и двигательную установку для маневрирования и коррекции орбиты [6].

Недостатком известного устройства является применение лазера ударного действия, приводящее к образованию более мелких обломков, а также большая масса космического аппарата с ядерным преобразователем.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора с двигателем, способным перерабатывать обломки в топливо, сначала измельчая их в порошок, посредством планетарной шаровой мельницы, который затем перетирается вольфрамовыми иглами и превращается в плазму [7] Вызывает сомнение в способе превращения обломков в плазму, особенно - способ измельчения.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора с двигателем, способным перерабатывать обломки в топливо [8, 9]. Главным отличием от приведенного выше аналога является использование псевдожидкого топлива вместо плазмы. Система утилизации космического мусора обеспечивает его переработку в порошок, который, смешиваясь с кислородом и водородом, образует псевдожидкое топливо для двигателей космического аппарата. Аппарат включает ловушку для мусора, систему утилизации и систему поиска космического мусора. Ловушка для космического мусора состоит из деформируемых куполообразной и конусообразной сетей, сходящихся-расходящихся друг относительно друга и связанных между собой тросами, которые затягиваются с помощью телескопического обруча куполообразной сети и телескопических балок конусообразной сети, образуя при этом замкнутую полость.

Система утилизации использует двухваликовый измельчитель и барабанно-шаровую мельницу для получения мелкодисперсного порошка, который, смешиваясь в резервуаре для топлива с кислородом и водородом, полученными из воды с использованием регенератора воды и мембранно-электродного блока, образует псевдожидкое топливо. Внутри корпуса космического аппарата последовательно размещены двухваликовый измельчитель, барабанно-шаровая мельница, мембранно-электродный блок и резервуар для топлива, а регенератор воды вмонтирован в корпус космического аппарата и выполнен в виде труб.

Замысел хороший и такие аппараты будут созданы на дальних планетах с целью получения топлива из местных пород. Проект прекрасный, но утопический. Как можно измельчать куски металла до мелкодисперсного порошка указанным земным оборудованием? Металл только режется или плавится. Шары мельницы в космосе невесомы. Мусор без принуждения под волки другой мельницы не полезет… Как можно пыль подать в смеситель без пневмонагнетателя? Мелкодисперсная металлическая пыль, водород и кислород - вещества взрывоопасные, а в смеси - как бы аппарат не улетел на Луну! Проблема в уборке мусора, а вопрос о его утилизации пока не стоит. Мусорная пыль неоднородна, затруднительно ее использовать как реактивное топливо,- необходимы специальные научные исследования. Ракетный двигатель не топка паровоза, чтоб в нем сжигать мусор в каком то виде.

За неимением лучшего, примем данный аппарат за прототип.

Цель нашего изобретения: создание эффективного аппарата для уборки космического мусора. Для достижения поставленной цели предлагается аппарат с другим способом слежения, вылавливания, размельчения и уничтожения космического мусора.

Аппарат для уборки космического мусора включает: реактивный двигатель, энергетический модуль и мусоросборник. Отличается от прототипа и аппаратов типа «сеть», «гарпун», «лазерная» и «электронная» пушки тем, что мусоросборник состоит из локатора, АСУ, роботизированной площадки и электромагнитной «ловушки» мусора. «Ловушка» представляет собой емкость в форме эллипсоида с окнами для разгрузки и системой соленоидов, втягивающих мусор, распределенных по всей поверхности эллипсоида, по торцам эллипсоида имеются электромагниты, стабилизирующие хаотическое движение мусора в « ловушке».

Для отлавливания и измельчения крупных объектов мусора, несгорающих в атмосфере, имеется роботизированная площадка, состоящая из двух роботов-манипуляторов и робота с системой слежения и управления. Мусор разделывается на столике-магните.

Система слежения за разделкой мусора включает две видеокамеры с программой опознавания образов и дальномера.

Аппарат спереди прикрыт защитными экранами.

Наведение аппарата на объект осуществляется с Земли.

Космические аппараты и мусор движутся вокруг Земли приблизительно с одинаковой скоростью. Для отлавливания мусора требуются небольшие ускорения или « торможения» аппарата. Для транспортировки мусора в атмосферу требуется повышенная мощность аппарата. Увеличить тягу можно: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости истечения струи раскаленных газов из сопла. Создано множество космических двигателей с различными технико-экономическими характеристиками и возможностями маневрировать, набирать скорость и тормозить: ракетный двигатель RS-68, американский двигатель F1, советский РД-170 - эти двигатели предназначены, чтоб нести в космос сотни тон полезного груза. Они не для нашего аппарата. Для коррекции орбиты космических аппаратов использовался с середины 1960-х годов небольшой советский ракетный двигатель - КДУ-414. Его длина составляет всего 70 см и он дает тягу около 200 килограммов. Но он не гарантирует длительной и надежной работы, требуемой в нашем случае. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Для аппарата - мусоросборника такой показатель более чем приемлем. Однако, ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному, они потребляют гигантские запасы горючего с окислителем. [10] Вблизи Земли, как в нашем случае, дозаправка горючего возможна и такие двигатели нам приемлемы.

Маломощные, но более экономичные и надежные, могущие работать в космосе годами являются ионные и плазменные установки, которые сегодня применяются на многих спутниках для их удержания на орбите. Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу. Для межпланетных полетов потребуются мощные ионные или плазменные двигатели с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Существуют проекты « солнечного» и « электрического» паруса и т.д. Но это не относится к проблеме уборки космического мусора.

Наведение аппарата на объект осуществляется с Земли. При приближении к объекту управление передается локатору, АСУ мусоросборника и блоку управления энергетического модуля. При соприкосновении аппарата с объектом в управление включается система слежения и управления роботизированной площадки. Один из роботов захватывает выбранный объект и перекладывает его на магнитный столик. Второй робот, используя набор инструментов из « магазина», разрезает объект мусора на части, гарантированно сгораемые в атмосфере. Первый робот куски мусора переносит на корпус « ловушки», где соленоиды втягивают их вовнутрь эллипсоида.

Компьютерная программа, управляющая процессом отлавливания крупных объектов мусора и их измельчением тремя роботами, довольно сложна.

Сигналы датчиков аппарата по той же АСУ передаются на Землю для анализа.

На фиг. 1 представлен общий вид аппарата в сборке, состоящий из реактивного двигателя - 1, энергетического модуля - 2 и мусоросборника - 3.

Энергетический модуль имеет энергетический блок - 4 и блок управления - 5.

В энергетическом блоке - 4 находятся: электрогенератор, трансформатор энергии и аккумулятор, сверху блока установлены солнечные панели. Блок управления - 5 используется для управления аппарата при работе мусоросборника и транспортировке груза в пределы атмосферы и возврата на орбиту.

Мусоросборник - 3 состоит из локатора - 6, АСУ - 7, роботизированной площадки - 8 и электромагнитной «ловушки» мусора - 9. «Ловушка»-9 представляет собой емкость в форме эллипсоида - 10 с окнами для разгрузки и систему соленоидов 11, распределенных по всей поверхности эллипсоида; по торцам эллипсоида имеются электромагниты - 12, 13

На фиг. 2 представлена роботизированная площадка 3 для измельчения крупных объектов мусора, состоящая из двух роботов-манипуляторов 14, 15 и робота 16 с системой слежения 17 и системы управления - 18. Мусор разделывается на столике-магните - 19. При транспортировки аппарата в атмосферу площадка 3 убирается вовнутрь мусоросборника - 3.

Система слежения 17 за разделкой мусора включает две видеокамеры - 20, 21 с программой опознавания образов и дальномера - 22. Для роботов имеется магазин съемных инструментов: «ножницы», «захват», «кусачки», «вилы», «болгарка» и т.д.

Аппарат наводится на объекты дистанционно с Земли. Движение аппарата корректируется с помощью локатора - 6. Сигналы с Земли и от локатора обрабатываются АСУ-7. Управляющие движением сигналы поступают от АСУ-7 в блок управления 5.

Двигатель 1 подводит аппарат к объекту, один из роботов 14, 15 захватывает объект и переносит его на разделочный магнитный столик 19 и удерживает его. Другой робот, используя один из рабочих инструментов, разделяет объект на части, сгораемые в атмосфере.

Первый робот куски переносит на корпус « ловушки» - 9, где соленоиды 11 втягивают их внутрь «ловушки». За всеми операторами следит третий робот - 16 с двумя видеокамерами - 20, 21 и дальномером - 22. Система - 18 управляет совместной работой 3-х роботов - 14, 15, 16 по улавливанию и разделки крупных объектов мусора, для чего требуется довольно сложная компьютерная программа.

По мере заполнения «ловушки» с Земли поступает сигнал на перемещение аппарата в атмосферу планеты. Там мусор приобретает вес и легко выгружается через окна в «ловушке». Далее, аппарат возвращается на орбиту, а мусор сгорает полностью в атмосфере Земли.

Энергию аппарат получает от двигателя - 1 и солнечных панелей - 23, 24, Спереди аппарат прикрыт защитным экраном - 25.

«Ловушку» можно делать огромных размеров, если она будет сборной или надувной. Практически, работы по уборки космического мусора не проводятся, «пока гром не ударит».

[1] // NASA Technical Reports Server (NTRS).

http://arxiv.Org/pdf/l 102.1289.pdf.

[2] C.C. Вениаминов, A.M. Червонов, Космический мусор - угроза человечеству / М: ИКИ РАН, 2012, ISSN 2075-6836.

[3] https://habr.com/ru/post/414989/.

[4] https://scienceandtech.ru/articles/musor-v-kosmose/.

[5] yandex.ru/efir, 2016.

[6] RU 2040448 C1 1995.07.25.

[7] httpx://arxiv.org/abc/1511.07246.Лей и др., «Сборщик космического мусора: потенциальный охотник за космическим мусором», 2015.

[8] httpx://pikabu.ru/story/v_rossiirazrabotali_kompleks_dlya_pererabotki_musora_v_k6643670.

[9] https://www.bnkomi.ru/'data/news/93089/.

[10] https://nauka.tass.ru/tech/6820950.

1. Аппарат для уборки космического мусора, включающий реактивный двигатель, энергетический модуль и мусоросборник, отличающийся тем, что мусоросборник состоит из локатора, АСУ, роботизированной площадки и электромагнитной ловушки мусора, представляющей собой емкость в форме эллипсоида с окнами для разгрузки и системой соленоидов, втягивающих мусор, которые распределены по всей поверхности эллипсоида, по торцам эллипсоида имеются электромагниты, стабилизирующие хаотическое движение мусора в ловушке.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая роботизированная площадка состоит из двух роботов-манипуляторов и робота с системой слежения и управления, а также магнитный столик, на котором измельчается мусор роботами.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к средствам и методам исследования внеземного вещества. Первоначально исследованный в наземных условиях метеоритный образец размещают внутри космического аппарата (КА) и доставляют на орбиту Луны.
Изобретение относится к области освоения малых небесных тел. Участок ровной ледяной поверхности астероида или ядра кометы накрывают куполом с нагревательным элементом, посредством которого расплавляют лед под куполом.

Изобретение относится к области космического приборостроения оптико-электронной аппаратуры (ОЭА). Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов (МКА ДЗЗ), при котором объектив и цифровой детектор ОЭА согласуют по критерию Найквиста и обеспечивают достижение дифракционного предела инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства (ОКП) от относительно крупного по размеру космического мусора, такого как прекратившие активное существование космические аппараты (КА), разгонные блоки (РБ), последние ступени ракет (ПСР).

Изобретение относится к устройствам герметизации мест пробоя высокоскоростными метеоритными или техногенными частицами оболочек космических объектов. Устройство герметизации дефектов оболочек космических объектов содержит крышку (1), ручку (2), отверстия (3) для заливки герметика, прижим (4).

Группа изобретений относится к космической технике, в частности к средствам неразрушающего контроля технического состояния конструктивных элементов. Система контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией содержит устройство для забора проб и снабжена, по крайнем мере, двумя смотровыми окнами.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения теплофизических характеристик грунта, в том числе лунного грунта и грунта других небесных тел. Заявлено устройство для измерения теплофизических характеристик грунта, которое содержит закрепленные на космическом аппарате термозонд и внешний корпус.

Изобретение относится к инструментам и приспособлениям, используемым главным образом космонавтами в условиях невесомости. Фиксатор содержит достаточно пластичную проволоку в неметаллической оболочке с кольцами на концах.

Группа изобретений относится, преимущественно к средствам обеспечения внекорабельной деятельности (ВКД). Устройство содержит режущий инструмент (не показан) и шаблон в виде двух параллельных направляющих (1, 2) уголкового профиля.

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов с помощью реактивной силы, создаваемой двигательной установкой большой тяги, и с использованием возмущений от Луны, Солнца, нецентральности земного гравитационного поля, светового давления, приводящих к долгопериодическим колебаниям наклонения орбит пассивных объектов из окрестности геостационарной орбиты.
Наверх