СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ИХ ОБЛОМКОВ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК G01S17/74 

Данное изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве наземными службами наблюдения.

Космическая деятельность, осуществляемая мировым сообществом, приводит к увеличению техногенного засорения околоземного космического пространства и, как следствие, к снижению безопасности космических полетов.

Процесс техногенного засорения околоземного космического пространства представляет опасность для Международной космической станции и полетов пилотируемых космических аппаратов и для функционирования всего космического сегмента.

В рамках Федеральной космической программы Российский Центр управления полетами в кооперации с другими организациями ведет контроль движения объектов, входящих в плотные слои атмосферы. Особое внимание при этом уделяется так называемым космическим объектам риска (массивным крупногабаритным космическим объектам либо объектам, содержащим на борту опасные вещества). Прекращение полета и сход с орбиты космических объектов риска представляют особую опасность. Разрушение при входе в атмосферу таких объектов, а также падение их несгоревших фрагментов в густонаселенные районы Земли или в районы с опасным промышленным производством могут иметь отрицательные последствия, вплоть до возникновения чрезвычайной ситуации. С этой целью Институтом прикладной математики имени М.В.Келдыша Российской академии наук была организована международная кооперация наблюдателей - Научная сеть оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений (НСОИ АФН), привлечение которой позволило обеспечить регистрацию объектов на всем протяжении геостационарной орбиты.

НСОИ АФН включает кооперацию оптических обсерваторий из 3-х подсистем (поисково-обзорную, для обнаружения и сопровождения слабых фрагментов космического мусора и для наблюдений высокоэллиптических и низких спутников), 3-х обеспечивающих групп (технической и программной поддержки, отработки новых технологий наблюдения, производства телескопов) и центров планирования наблюдений и обработки измерений по космическому мусору.

В процессе сопровождения фрагментов КМ в ряде случаев степень нарушения безопасности превышала «красный» порог.

Несмотря на то что в настоящее время активно развиваются системы наблюдения за космическим пространством с использованием радиолокационных и оптических средств в широком диапазоне частот, существуют трудности при наблюдении за космическими объектами в околоземном космическом пространстве. Например, орбиты космических аппаратов типа «Молния» являются высокоэллиптическими (400×40000 км) и, как показывает практика, сложными для проведения измерений орбитальных параметров. Космические объекты, находящиеся на таких орбитах, часто срываются с сопровождения. К настоящему времени запущено свыше 160 отечественных КА типа «Молния», продолжают свой полет более 50 КА данного класса. Однако следует отметить, что на орбиты типа «Молния» стали запускаться и другие спутники, принадлежащие разным странам.

В настоящее время отмечена трудность наблюдения за космическими объектами в околоземном космическом пространстве в связи с увеличением их численности и уменьшением размеров, появлением частных спутников несмотря на высокий уровень развития техники наблюдения за космической обстановкой в радиодиапазоне, оптическом диапазоне, при сочетании различных методов наблюдения и исследования космических объектов.

Повышаются требования не только к их обнаружению и ведению их координат, но и к определению их государственной принадлежности, состоянию, прогнозированию поведения. Это вызывает необходимость принятия мер по повышению заметности космических объектов.

Существует ряд технических решений по повышению заметности и наблюдаемости в наземной технике. Широко известны световозвращающие материалы, применяемые, в основном, для обеспечения безопасности. Например, одна из сфер их применения - безопасность дорожного движения, производств дорожных знаков

Лидерами в производстве подобных материалов являются компании: Nikkalite (Япония), LG, Avery Dennison (США), 3 М. Существуют также и другие производители, чья продукция соответствует всем нормам и требованиям, предъявляемым к подобным материалам. Световозвращающие материалы (пленки серии Nikkalite MPG F4300/ EG 58100/ ULS 500/ Crystal 92000 и Avery Dennison), для производства дорожных знаков, прошли обязательную сертификацию согласно ГОСТ 52290-2004.

Изобретения и технические решения по созданию светоотражающих, световозвращающих покрытий могут рассматриваться в качестве аналогов предлагаемому изобретению.

Широко известен способ световозвращения с помощью уголковых отражателей, часто используемый для выполнения линейных измерений в пространстве, в том числе в космической области.

Например, известно решение RU 2005126848 «Пластина, содержащая кубические уголковые элементы, и световозвращающее покрытие» 2006-07-27, Изобретатель: СМИТ Кеннет Л. (US), Заявитель: ЗМ Инновейтив Пропертиз Компапи (US). Номер заявки: RU 20050126848 20040226. Номера приоритетных документов: US 20030452464P 20030306; US 20030404265 20030401.

Используя данное решение на космических аппаратах, можно повысить их наблюдаемость в околоземном космическом пространстве.

Однако такая конструкция недостаточно компактна, что особенно неприемлемо при создании малогабаритных космических аппаратов, а также сложна и дорогостояща. Решение по заявке RU 2005126848 принято в качестве прототипа.

Существо предлагаемого изобретения заключается в нанесении маркирующих покрытий на КА при их изготовлении, содержащих информацию о КА, таким образом, чтобы эта информация легко считывалась наземными средствами наблюдения. Для реализации этого способа предлагается использовать вещество на основе светоотражающего покрытия, включающего композицию веществ, которые наиболее легко определяются методами спектроскопии. По составу композиции наблюдатель с Земли определяет информацию о данном КА, например о названии, типе КА, запускающем государстве, собственнике и т.д.

Кодирование информации осуществляют на основе разработанного справочника, который содержит кодировочную таблицу соответствия спектрометрических характеристик применяемых веществ с технической и правовой информацией о космических аппаратах.

Такое кодирование представляется целесообразным стандартизировать, не только на уровне государства, но и на международном уровне, как для запускаемых государственных объектов, так и для частных.

Предлагается вариант способа идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве с использованием лазерной локации, при котором на наружную поверхность корпуса космического аппарата и солнечные батареи наносят маркирующее покрытие с включением светоотражающих элементов, которое составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическим аппарате, причем идентификацию космического аппарата и его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом станции наземного наблюдения и считывают информацию спектрометрическими средствами, используя кодировочпую таблицу соответствия спектрометрических характеристик применяемых веществ с технической и правовой информацией о космических аппаратах.

Второй вариант способа идентификации обломков космических аппаратов с использованием лазерной локации, заключается в том, что на внутреннюю поверхность замкнутых объемов космического аппарата и его труднодоступные места наносят покрытие с включением светоотражающих элементов, которое составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическим аппарате, причем идентификацию космического аппарата и его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом станции наземного наблюдения и считывают информацию спектрометрическими средствами, используя кодировочную таблицу соответствия спектрометрических характеристик применяемых веществ с технической и правовой информацией о космических аппаратах.

Существо изобретения иллюстрируют рисунки:

фиг.1 - космический аппарат с нанесенным маркирующим покрытием на наружных поверхностях;

фиг.2 - космический аппарат с маркирующим покрытием на внутренних поверхностях его элементов;

фиг.3 - схема реализации способа идентификации космического аппарата и его обломков в околоземном космическом пространстве;

фиг.4 - маркирующее покрытие;

фиг.5 - идентификация обломков космического аппарата и анализ его разрушения;

фиг.6 - оценка отражательной способности маркирующего покрытия по схеме Международного комитета освещения.

Способ идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве с использованием лазерной локации наземной станции наблюдения заключается в том, что на наружную поверхность 1 (фиг.1) корпуса 2 космического аппарата 3, выступающие части 4, солнечные батареи 5 (на обратной стороне) в наиболее удобных местах для наблюдения наносят маркирующее покрытие 6, которое составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическим аппарате, с включением светоотражающих элементов на подслое или в составе композиции, причем идентификацию космического аппарата или его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом 7 наземной станции наблюдения и считывают информацию спектроскопическими средствами.

Для определения технической и правовой информации о космическом аппарате используют справочник, в котором в кодировочной таблице спектрометрические характеристики веществ, используемых в композиции для маркирующих покрытий, однозначно соответствуют конкретным позициям технической и правовой информации о данном конкретном космическом аппарате.

Таким образом, композиция веществ для конкретного КА содержит данные о нем в спектрометрическом виде - «спектрометрический паспорт».

Кроме составления композиции веществ возможно применение в маркирующем покрытии участков с различными веществами по спектрам, например полос, геометрических фигур и других элементов, наиболее пригодных для наблюдения.

Предлагаемый вариант способа идентификации космического аппарата и его обломков космических аппаратов с использованием лазерной локации при процессе его разрушения заключается в том, что на внутреннюю поверхность 8 (фиг.2) замкнутых объемов элементов космического аппарата 3 и его труднодоступные места 9 наносят маркировочное покрытие, которое составляют их композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическим аппарате, с включением светоотражающих элементов на подслое или в составе композиции. По появлению сигналов от маркирующего покрытия внутренних поверхностей замкнутых объемов элементов космического аппарата при облучении космического аппарата лазерным светом 7 наземной станции наблюдения считывают информацию спектрометрическими или оптическими средствами, с помощью кодировочной таблицы определяют техническую и правовую информацию о космическом аппарате и получают информацию о характере и процессе разрушения космического аппарата с идентификацией его обломков.

По появлению сигналов от маркирующего покрытия, которое находилось в труднодоступном месте, существует возможность при идентификации обломков разрушившегося КА определить элемент или узел, который разрушен, и получить информацию о процессе разрушения КА и его состоянии.

Применение предлагаемого способа дает возможность сделать выводы для экспертного заключения о причинах и процессах разрушения КА в дополнение к информации, необходимой для наблюдения и сопровождения обломков в околоземном космическом пространстве.

На фиг.3 показана схема реализации способа идентификации космического аппарата и его обломков в околоземном космическом пространстве.

Лазерный луч 7 станции наземного наблюдения 10 освещает космический аппарат 3. В поле облучения попадает маркирующее покрытие 6 на корпусе аппарата 2, на выступающих частях 4, на солнечных батареях 5.

Отраженный свет 11 фиксируют наземные спектрометрические средства 12. Считывая полученный спектр, используя кодировочную таблицу соответствия спектрометрических характеристик применяемых веществ с технической и правовой информацией о космических аппаратах, определяют технические и правовые характеристики данного космического аппарата. Полученные сведения передают в систему контроля 16 космического пространства и заинтересованным организациям и экспертным комиссиям.

Для реализации предлагаемого способа необходимо применение маркирующего покрытия со светоотражающими, световозвращающими свойствами.

На фиг.4 показан срез вещества для маркирующего покрытия космического аппарата.

Маркирующее покрытие для идентификации космических аппаратов или его обломков в космическом пространстве наносят на наружную или внутреннюю поверхность космического аппарата, и оно должно содержать состоять из:

- основы покрытия 17, например поликарбанатов, эпоксидной смолы. Требования к основе - прозрачность, хорошие свойства адгезии, стойкость в большом диапазоне рабочих температур, стойкость против растрескивания;

- композиции веществ 18 с заданными спектрометрическими свойствами компонентов, спектр отражения которых кодирует техническую и правовую информации о космическом аппарате, например гетероэлектриков, получаемых с использованием нанотехнологий, защищенных «зонтиковым» патентом РФ №2249277. Ведущий разработчик - Научный Центр Прикладных Исследований Объединенного института ядерных исследований. В предлагаемом способе используют свойства гетероэлектриков обеспечивать заданные спектральные характеристики поглощения для создания необходимого «спектрометрического паспорта» КА;

- светоотражательных, световозвращающих элементов 19. Микрошарики, светоотражащая подложка под покрытием, стеклянные микрошарики на подслое, светоотражающая пленка.

Спектр отражения светоотражательных элементов может быть различным и входить в состав кодированной информации для создания «спектрометрического паспорта» космического аппарата.

Фиг.5 - идентификация обломков космического аппарата и анализ его разрушения.

При разрушении замкнутого пространства, например взрыве баллона 21, в спектре отражения космического аппарата появляется сигнал 11 от маркирующего покрытия 6, нанесенного внутри этого баллона. Это обеспечивает получение достоверной информации о происходящих процессах на космическом аппарате, что позволяет делать выводы о причинах разрушения, о дальнейшей работоспособности космического аппарата, масштабах разрушения и т.д.

Для оценки эффективности маркирующего покрытия, получения необходимых характеристик «спектрометрического паспорта» космического аппарата и отработки считывания информации с космического аппарата производят наземные измерения на стенде в соответствии с методом оценки отражательной способности маркирующего покрытия по схеме Международного комитета освещения.

На фиг.6 показана схема использования метода оценки отражательной способности маркирующего покрытия при облучении лучом лазера по схеме Международного комитета освещения, где

1 - первая ось; 2 - вторая ось; I - ось освещения; О - ось наблюдения; R - исходная ось; α - угол наблюдения; β₁, β₂ - углы падения; ε - угол поворота.

Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого изобретения заключается в том, что данный способ маркировки космических аппаратов повысит уровень надежности их идентификации за счет повышения заметности и информативности таких объектов для наземных служб наблюдения.

Реализация предлагаемого решения позволит, в дополнение к информации о космическом аппарате, полученной при регистрации запусков КА в соответствии с Конвенцией о регистрации объектов, запускаемых в космическое пространство 1975 г. (Конвенция о регистрации), надежно вести идентифицированные КА в режиме полета для отслеживания оперативной обстановки в околоземном космическом пространстве службами наблюдения. Необходимость в этом усиливается при увеличении числа космических объектов в околоземном космическом пространстве и повышении их разнообразия как по международной принадлежности, так и по изготовителям, собственникам, функциям и другим показателям.

Идентификация КА и их обломков - информация, необходимая для расследования возможных конфликтных ситуаций в космическом пространстве, связанных со столкновениями, повреждениями космических спутников. Наблюдение за КА и их обломками, идентификация, определение их собственников особенно необходимы в случаях, которые подпадают под действие Конвенции о международной ответственности за ущерб, причиненный космическими объектами (Конвенция об ответственности) 1972 г.

Способ маркировки космических аппаратов может быть включен в систему национальной стандартизации, решающей вопросы безопасности космической деятельности.

Предлагаемое изобретение может служить основой для разработки проекта международного соглашения об опознавательной маркировке космических средств изготовителями космической техники и запускающими государствами с целью повышения уровня доверия и транспарентности в космической деятельности.

На наружную поверхность корпуса космического аппарата и солнечные батареи наносят маркирующее покрытие. Покрытие составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическим аппарате. Включают светоотражающие элементы на подслое или в составе композиции. Идентификацию космического аппарата или его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом станции наземного наблюдения и считывают информацию спектрометрическими средствами. Технический результат - повышение надежности идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве с использованием лазерной локации, отличающийся тем, что на наружную поверхность корпуса космического аппарата и солнечные батареи наносят маркирующее покрытие, которое составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическом аппарате, с включением светоотражающих элементов на подслое или в составе композиции, причем идентификацию космического аппарата или его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом станции наземного наблюдения и считывают информацию спектрометрическими средствами.

2. Способ идентификации космических аппаратов и их обломков в космическом пространстве с использованием лазерной локации, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность замкнутых объемов космического аппарата и его труднодоступные места наносят покрытие, которое составляют из композиции веществ, спектр отражения которой кодирует техническую и правовую информацию о космическом аппарате, с включением светоотражающих элементов на подслое или в составе композиции, причем идентификацию космического аппарата или его обломков осуществляют при облучении покрытия лазерным светом станции наземного наблюдения и считывают информацию спектрометрическими средствами.