Способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора

Изобретение относится к обеспечению безопасности полетов в околоземном космическом пространстве. Способ включает выведение в область очистки от объектов космического мусора (КМ) космического аппарата (КА), снабженного контейнерами с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок, имеющей на своей поверхности надувные баллоны. После обнаружения объекта КМ, измерения параметров его движения и сближения с КА наводят продольную ось контейнера в направлении на объект КМ и выталкивают сеть, разворачивая ее в космосе. Осуществляют захват, охват и/или зацепление сетью объекта КМ и по сигналу соответствующих датчиков производят наддув баллонов. В результате аэродинамического торможения надувных баллонов с сетью и КМ переводят КМ на орбиту входа в плотные слои атмосферы. Технический результат заключается в повышении эффективности очистки околоземного пространства от крупногабаритных объектов КМ, в том числе нестабилизированных. 18 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства (ОКП) от относительно крупного по размеру космического мусора (КМ), такого как прекратившие активное существование космические аппараты (КА), разгонные блоки, последние ступени ракет космического назначения.

Известен способ очистки ОКП от ненужных объектов, заключающийся в стыковке с этими объектами транспортного корабля и последующем спуске с орбиты образовавшейся связки [1]. Недостатками этого способа являются необходимость систем стыковки, стыковочных узлов и систем ориентации на обоих кораблях, потеря тормозного отсека транспортного корабля и ограниченные возможности по удаляемой спускаемой массе.

Другим аналогом изобретения является способ уборки космического мусора, включающий выведение на орбиту устройства уборки КМ, при этом осуществляют процесс наблюдения за КМ, перемещают устройства уборки КМ в положение захвата. Близко подводят устройства уборки КМ к космическому мусору, выпускают гарпун в полый фрагмент КМ. Соединяют устройства уборки КМ и космический мусор, фиксируют КМ. Тормозят захваченный КМ с помощью сброса проводящего фала [2]. Недостатком этого способа является длительное время схода с орбиты КМ.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ очистки ОКП от космических объектов и мелких частиц, предложенный японским космическим агентством JAXA [3]. В предлагаемом агентством JAXA способе металлическая сеть с линейными размерами в несколько километров будет выводиться на орбиту на борту специального спутника. Там сеть разворачивается при помощи установленного на КА манипулятора. После того как сеть наберет достаточно мусора, она будет отсоединяться.

Взаимодействие с магнитным полем Земли приведет к тому, что сеть вместе с собранными обломками космических аппаратов со временем войдет в плотные слои атмосферы. Во время падения сеть сгорит вместе с мусором. Недостатком прототипа является сложная система разворачивания металлической сети при помощи манипулятора и неэффективное использование способа для очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов КМ.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении эффективности очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов КМ, в том числе нестабилизированных.

Указанный технический результат достигается тем, что в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, выводят космический аппарат, проводят последовательно маневры дальнего и ближнего наведения для сближения КА с крупногабаритным объектом КМ. При этом на борту КА транспортируют в качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, на которой в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны. Кроме того, на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек. Перед выводом КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок с надувными баллонами и развертывающими надувными элементами в сдутом состоянии плотно упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА. После вывода КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, с борта КА осуществляют обнаружение крупногабаритного объекта КМ с помощью оптических, и/или лазерных, и/или радиолокационных систем, а также измерение параметров движения крупногабаритного объекта КМ относительно КА. Затем с помощью приемников навигационной системы и бортовой вычислительной системы (БВС), расположенных на борту КА, определяют текущие координаты центра масс КА, углы текущей пространственной ориентации КА. С помощью БВС определяют положение центра масс КА относительно обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Осуществляют сближение КА с крупногабаритным объектом КМ. Далее при помощи БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат КА относительно текущего положения крупногабаритного объекта КМ. Затем с помощью системы ориентации КА осуществляют наведение продольной оси герметичного контейнера в направлении крупногабаритного объекта КМ. Далее по команде от БВС выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера в направлении крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей развертывание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до момента захвата или охвата КМ. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера, ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. В дальнейшем за счет аэродинамического торможения наполненных газом надувных баллонов осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. Обеспечивают переход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами на более низкую орбиту. В результате осуществляют вход крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок вместе с крупногабаритным объектом КМ в плотные слои атмосферы. Вследствие этого происходит сгорание сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ.

Кроме того, сближение КА с крупногабаритным объектом КМ осуществляют на расстояние от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GPS и/или «ГЛОНАСС».

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или «ГЛОНАСС».

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или GPS.

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или «ГЛОНАСС».

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GPS.

Существует вариант, в котором координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GALILEO.

Существует вариант, в котором линейные размеры крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок рассчитывают до запуска КА, транспортирующего сеть, исходя из размеров крупногабаритного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты.

Существует вариант, в котором в качестве материала многослойных гермооболочек развертывающих надувных элементов используют пленку из углеродных нанотрубок.

Существует вариант, в котором развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек размещают и закрепляют радиально, и/или продольно, и/или по периметру крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.

Существует вариант, в котором в качестве материала надувных баллонов используют пленку из углеродных нанотрубок.

Существует вариант, в котором для аэродинамического торможения осуществляют наполнение (наддув) надувных баллонов газом.

Существует вариант, в котором наполнение (наддув) надувных баллонов осуществляют от малогабаритного картриджа с газом.

Существует вариант, в котором малогабаритные картриджи с газом размещают на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.

Существует вариант, в котором надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью.

Существует вариант, в котором в качестве пленки с высокой отражающей способностью используют пленку из диоксида титана.

Существует вариант, в котором на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают два и более надувных баллона.

Существует вариант, в котором размеры и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА, исходя из высоты орбиты и массы крупногабаритного объекта КМ, а также прогнозируемым временем входа КМ в плотные слои атмосферы.

Предложенный способ реализуется следующим образом. В область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, выводят КА, проводят последовательно маневры дальнего и ближнего наведения для сближения КА с крупногабаритным объектом КМ. В качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ на борту КА транспортируют крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, на которой в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны. Кроме того, на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек.

Перед выводом КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок с надувными баллонами и развертывающими надувными элементами в сдутом состоянии плотно упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА. После вывода КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, осуществляют обнаружение крупногабаритного объекта КМ с помощью оптических, и/или лазерных, и/или радиолокационных систем с борта КА, а также измерение параметров его движения относительно КА. Причем обнаружение крупногабаритного объекта КМ осуществляют либо по априорным данным от наземного информационного комплекса, либо путем автономного сканирования космического пространства [8]. Затем с помощью приемников навигационной системы и бортовой вычислительной системы, расположенных на борту КА, определяют текущие координаты центра масс КА, углы текущей пространственной ориентации КА. С помощью БВС определяют положение центра масс КА относительно обнаруженного крупногабаритного объекта КМ. Осуществляют сближение КА с крупногабаритным объектом КМ на расстояние от нескольких десятков метров до нескольких километров. Далее БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат КА относительно текущего положения крупногабаритного объекта КМ. С помощью системы ориентации КА осуществляют наведение продольной оси герметичного контейнера в направлении на крупногабаритный объект КМ. Затем по команде от БВС прицельно выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера в направлении крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей ее развертывание до момента встречи с крупногабаритным объектом КМ. При выходе из герметичного контейнера крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, сначала ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов. Затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. Сеть обволакивает КМ и таким образом создается механическая связь крупноячеистой сети с КМ.

Далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве. В дальнейшем за счет аэродинамического торможения наполненными газом надувных баллонов осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. Обеспечивают переход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами на более низкую орбиту и последующий ее вход в плотные слои атмосферы.

В дальнейшем после выталкивания или «отстрела» крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из контейнера по команде от БВС, либо по команде или программе, передаваемой по радиолинии с наземных средств контроля космического пространства, осуществляют перенацеливание КА на другой крупногабаритный объект КМ.

По завершении космическим аппаратом миссии очистки ОКП от крупногабаритных объектов КМ осуществляют сход КА с орбиты и вход в плотные слои атмосферы за счет собственного аэродинамического тормоза.

Использование надувных баллонов увеличивает площадь миделя связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами. Торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами происходит в результате силы аэродинамического сопротивления, которая вызывает тормозное ускорение.

Таким образом, осуществляют постепенный переход крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с захваченным крупногабаритным объектом КМ на более низкую орбиту и вход сети вместе с КМ в плотные слои атмосферы.

В результате срок пребывания неиспользуемых крупногабаритных объектов КМ на орбите может быть сокращен со столетий до нескольких месяцев.

Использование развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек значительно упрощает процесс раскрытия крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок. При этом используется эффект саморазворачивания крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок в условиях открытого космоса под давлением остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов в виде полых многослойных гермооболочек.

Применение пленки из углеродных нанотрубок для изготовления надувных баллонов и развертывающих надувных элементов обеспечивает их высокую стойкость к пробою при столкновении с мелкими частицами космического мусора. Предел прочности пленки из углеродных нанотрубок составляет 9,6 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности кевларовых волокон составляет всего 3,7 гигапаскаля [4].

Таким образом, обеспечивается сохранение свойства надувных баллонов как аэродинамического тормоза в процессе схода с орбиты связки крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ.

При этом пленка из углеродных нанотрубок обладает исключительно малой массой [5].

Хорошая эффективность упаковки в транспортном положении, низкая удельная масса пленки из углеродных нанотрубок позволяет разместить на КА несколько десятков герметичных контейнеров с упакованными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок. В результате один маневрирующий КА способен удалить с орбиты десятки крупногабаритных объектов КМ, количество которых определяется запасом топлива на борту КА и числом герметичных контейнеров с крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок, размещаемых на борту КА.

Размещение пленки с высокой отражающей способностью, например, из диоксида титана, на поверхности надувных баллонов повышает оптическую заметность сходящей с орбиты связки крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с крупногабаритным объектом КМ и делает ее хорошо видимой для наблюдения средствами контроля космического пространства.

Более того, предлагаемый способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора выгоден тем, что обеспечивает механический захват или охват любого объекта, находящегося на орбите, имеющего сложное быстрое вращательное движение вокруг своего центра масс.

Таким образом, предлагаемый способ значительно повышает эффективность очистки ОКП от крупногабаритных объектов КМ, в том числе нестабилизированных. Источники информации.

1. Инженерный справочник по космической технике. М.: Воениздат.1977. С. 134-140.

2. Патент №2574366 «Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора».

3. Космический мусор в рыболовные сети. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. X. №7. 2011. С. 26.

4. Углеродная нанопленка прочнее кевлара и углеродного волокна. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. XV. №5. 2016. С. 24.

5. Колмаков А.Г., Баринов СМ., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит.2013. С. 134.

6. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству. М.: ФГБУН Институт космических исследований Российской академии наук. 2013. С. 34-54, с. 168-179.

7. Малые космические аппараты информационного обеспечения / под ред. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника. 2010. С. 82-93.

8. Инфраструктура малых космических аппаратов / под ред. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника. 2011. С. 25, с. 315-347.

1. Способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора, заключающийся в выведении космического аппарата (КА) в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора (КМ), последовательных маневрах дальнего и ближнего наведения для сближения с крупногабаритным объектом КМ, при этом в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ на борту КА в качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ транспортируют сеть, отличающийся тем, что для захвата и торможения крупногабаритных объектов КМ используют крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, на которой в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны, кроме того, на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают и закрепляют развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек, перед выводом КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок с надувными баллонами и развертывающими надувными элементами в сдутом состоянии плотно упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА, после вывода КА в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов КМ, осуществляют обнаружение с помощью оптических, и/или лазерных, и/или радиолокационных систем с борта КА крупногабаритного объекта КМ, а также измерение параметров его движения относительно КА, затем с помощью приемников навигационной системы и бортовой вычислительной системы (БВС), расположенных на борту КА, определяют текущие координаты центра масс КА, углы текущей пространственной ориентации КА, с помощью БВС определяют положение центра масс КА относительно обнаруженного крупногабаритного объекта КМ, осуществляют сближение КА с крупногабаритным объектом КМ, далее БВС определяют ориентацию осей связанной системы координат КА относительно текущего положения крупногабаритного объекта КМ, с помощью системы ориентации КА осуществляют наведение продольной оси герметичного контейнера в направлении крупногабаритного объекта КМ и по команде от БВС выталкивают или «отстреливают» крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера в направлении крупногабаритного объекта КМ с относительной скоростью, обеспечивающей развертывание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок до момента захвата или охвата крупногабаритного объекта КМ, после выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок из герметичного контейнера ее разворачивают в космосе и придают заданную форму за счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов, затем осуществляют захват или охват крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ, далее по сигналу датчиков, расположенных на КА и/или на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, фиксирующих факт механической связи крупноячеистой сети с крупногабаритным объектом КМ, или по команде с наземных средств контроля космического пространства наполняют надувные баллоны газом и разворачивают их в космическом пространстве, в дальнейшем за счет аэродинамического торможения наполненных газом надувных баллонов осуществляют торможение связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами, обеспечивают ее переход на более низкую орбиту и последующий вход связки крупногабаритного объекта КМ и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с развернутыми надувными баллонами в плотные слои атмосферы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сближение КА с крупногабаритным объектом КМ осуществляют на расстояние от нескольких десятков метров до нескольких километров.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GPS и/или «ГЛОНАСС».

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или «ГЛОНАСС».

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы GALILEO и/или GPS.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или «ГЛОНАСС».

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GPS.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что координаты центра масс КА и углы текущей пространственной ориентации КА определяют при помощи приемников навигационной системы BeiDou и/или GALILEO.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что линейные размеры крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок рассчитывают до запуска КА, транспортирующего сеть, исходя из размеров крупногабаритного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала многослойных гермооболочек развертывающих надувных элементов используют пленку из углеродных нанотрубок.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек размещают и закрепляют радиально, и/или продольно, и/или по периметру крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала надувных баллонов используют пленку из углеродных нанотрубок.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для аэродинамического торможения осуществляют наполнение (наддув) надувных баллонов газом.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что наполнение (наддув) надувных баллонов осуществляют от малогабаритного картриджа с газом.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что малогабаритные картриджи с газом размещают на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что надувные баллоны покрывают пленкой с высокой отражающей способностью.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что в качестве пленки с высокой отражающей способностью используют пленку из диоксида титана.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают два и более надувных баллона.

19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размеры и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА исходя из высоты орбиты и массы крупногабаритного объекта КМ, а также прогнозируемого времени входа КМ в плотные слои атмосферы.