Способ удаления космического мусора из околоземного пространства Российский патент 2019 года по МПК B64G1/00 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к способам очистки околоземного космического пространства от космического мусора.

Космический мусор это очень большая проблема для современной космонавтики и человечества в целом. Его объемы растут огромными темпами и он представляет значительную угрозу для освоения и использования околоземного космического пространства. Так, по оценкам NASA, над Землей уже скопилась более 4 тыс.действующих и отработавших спутников, 13056 ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и Другой космической техники и ее обломков, 21 тыс.объектов размером более 10 см. Еще примерно 500 тыс.- частицы размером от 1 до 10 см. А количество частиц меньше 1 см превышает 100 млн. Среди космического мусора можно найти все что угодно - спутники, рабочие инструменты и даже перчатки. По грубым подсчетам, общая его масса достигает 7 тысяч тонн.

Если бы эти объекты находились на низких орбитах (до 400 км), через несколько лет они бы сгорели в атмосфере. Однако большинство из них расположено намного выше, где они останутся на тысячи и даже миллионы лет. Иногда это так и задумывалось - например, для выработавших ресурс военных спутников, на которых остается около полутора тонн радиоактивного топлива (урана-235 и плутония-238). Их намеренно выводят для захоронения на высоту 800-1100 км, где они должны оставаться, пока их радиоактивность не снизится - то есть сотни тысяч лет.

Однако в целом такой мусор - угроза космическим программам всех стран. Его обилие может спровоцировать синдром Кесслера: выведение на орбиту новых объектов станет слишком рискованным из-за высокой вероятности столкновения. Человечество перекроет для себя выход в космос и окажется в изоляции.

Сейчас проблемой космического мусора занимается Комитет по использованию космического пространства в мирных целях при ООН, а также Координационный комитет по космическому мусору, образованный несколькими национальными космическими агентствами. В России им занимается Роскосмос в рамках федеральной космической программы «Устойчивость».

Но несмотря на то, что эта проблема известна и ей серьезно занимаются, в настоящее время не имеется действенных средств для ее практического и реалистичного решения.

В разное время предлагались следующие решения:

- отправить в космос спутник для отлавливания обломков с помощью гарпуна и сети -- но какая ловушка удержит объект, летящий со скоростью 10 км/с?

- использовать большие и тонкие воздушные шары для оборачивания объектов, увеличивать их аэродинамическое сопротивление в сотни раз и приводить к их падению в атмосферу Земли;

- применять роботов, двигающих спутники обратно в атмосферу - но стоимость каждой миссии составит порядка 200 млн долларов;

- выпустить на орбиту плотное облако вольфрамовой пыли - она осядет на поверхности обломков, увеличит их вес и заставит сойти с орбиты. Проблема в том, что вместе с мусором с орбиты сойдут также действующие спутники;

- использовать наземные лазеры для создания плазменных вихрей на космическом мусоре; его движение замедлится, и обломки вновь войдут в атмосферу. Реализации, опять же, мешает стоимость - до миллиона долларов на объект.

Были и практические попытки, так в январе 2017-го провалился эксперимент японских ученых по уборке мусора (Kounotori Integrated Tether Experiment). Беспилотный корабль должен был высвободить 700-метровую электродинамическую привязь для захвата обломков - но она сломалась.

Таким образом видно, что основной проблемой при решении данного вопроса является высокая стоимость, низкая надежность, низкая избирательность, а так же проблемы отлова частиц, направление полета которых трудно предсказать, а скорость черезвычайно высока (в 10 и более раз выше, чем скорость пули).

Известно (RU, патент 133096, опубл. 10.10.2013) устройство захвата космических объектов, содержащее космический аппарат, содержащий бортовой комплекс управления, первый выход которого соединен с управляющим входом электропривода, механически связанным с входом вращения барабана, управляющий вход которого подключен к выходу источника электроэнергии, и тросовую систему, выполненную в виде трос-кабеля, механически соединенную с валом барабана, второй выход бортового комплекса управления подключен к управляющему входу источника электроэнергий, управляющий вход трос-кабеля соединен с управляющим входом барабана, кроме того, дополнтельно введена адгезионная площадка, закрепленная на свободном конце трос-кабеля, управляющий вход которой подключен к управляющему выходу трос-кабеля.

Недостатком известного устройства следует признать его сложность, а также взможность удаления с орбиты только одного объекта.

Известен способ очистки космоса от космического мусора (RU, патент 2478062, опубл. 27.03.2013) заключающийся в том, что обеспечивают 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 - N₂O, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅, 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 (RU, патент 2046081, опубл. 20.10.1995) космический сачок, содержащий космический аппарат и связанный с ним экран, взаимодействующий с внешней средой, причем экран выполнен в виде двух поверхностей из гибкой пленки, размещенных по разные стороны от космического аппарата и связанных с ним посредством тросов регулируемой длины, причем тросы ориентированы в пространстве вдоль местной вертикали, на свободном конце каждого троса закреплен ориентированный вдоль него контейнер для сбора мусора, внутренний торец которого выполнен в виде воронки, связанной с примыкающим к ней краем пленки, а его внешний по отношению к космическому аппарату торец снабжен люком.

Космический сачок работает следующим образом. Космический сачок доставляют в заданную область космического пространства и развертывают таким образом, чтобы тросы были ориентированы вдоль местной вертикали. При взаимодействии космического мусора с материалом пленки происходит гашение относительной скорости частиц, после чего эти частицы под действием центробежных сил поступают в контейнеры для сбора мусора.

Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения - только удаление мелкого космического мусора - частиц.

Известное решение принято в качестве ближайшего аналога разработанного способа.

Техническая задача, решаемая посредством реализаци разработанного способа, состоит в обеспечении возможности удаления космического мусора из околоземного пространства.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в упрощении способа удаления космического мусора из околоземного пространства при одновременном расширении ассортимента удаляемых фрагментов космического мусора.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ удаления космического мусора из околоземного пространства. Согласно разработанному способу удаления космического мусора из околоземного пространства путем его сбора и удаления с околоземной орбиты в очищаемую область околоземного пространства запускают космический аппарат, способный выпускать капсулы с самораскрывающимися автономными мобильными сетями, снабженными управляемыми маневренными двигателями. После достижения касулами заданной скорости движения сети раскрываются, причем устанавленные на сетях датчики попадания передают информацию о задержанном сетью предмете на имеющийся пульт управления, который вырабатывает команду на закрытие сети или иной способ фиксаций пойманных объектов и включение маневренных двигателей для выполнения маневра по уборке мусора с орбиты.

Указанный пульт управления может находится на самой сети, космическом аппарате, в центре управления полетом, так и на капсуле.

В некоторых вариантах реализации способа заполненные сети с использованием маневреных двигателей направляют в сторону земли с последующим приводнением или затоплением содержимого или сгоранием его в атмосфере.

В других вариантах реализации способа заполненные сети с использованием маневреных двигателей направляют в сторону от земли с последующим выводом на более высокую орбиту или в заданную точку.

На сетях дополнительно Дополнительно могут быть размещены средства магнитного и электромагнитного удержания космического мусора.

Капсулы (носители сети) мгут дополнительно содержать средства обнаружения космического мусора.

В некоторых вариантах реализации разработанного способа заполненные сети с использованием маневреных двигателей направляют в сторону земли с последующей мягкой посадкой производимой посредством имеющейся системы мягкой посадки, в частности, парашютной или приводнения.

В некоторых вариантах реализации разработаного способа заполненные сети с использованием маневреных двигателей первоначально перемещаются в направлении земли, а затем выпускают пойманное, которое сгорит в атмосфере, после чего выполняют повторный маневр захода в зону сбора мусора.

В некоторых вариантах реализации разработаного способа выпущенная капсула располагается в заданном районе околоземного пространства с закрытой сетью в ожидании команды на начало работ по захвата мусора, поступающей как от собственных датчиков, так и от внешних устройств управления.

Согласно разработанному способу предлагается запускать в нужную область околоземного пространства аппарат, который в по заданной программе выпускал бы специальные капсулы с самораскрывющймися автономными мобильными сетям, и имеющими различные характеристики, такие например как собственный размер (начиная от крохотного, с ладонь или меньше, и до огромных), размер ячейки, материал изготовления, размер двигателей, запас энергии, наличие систем мягкой посадки и т д. в зависимости от решаемой задачи.

Эти капсулы после получения заданной скорости раскрывают сети, которые какое-то время собирали то, что в Них попадает, не схлопываясь, благодаря имеющимся маневровым двигателям, избегая при этом фатальных повреждений благодаря сетчатой структуре и уравненной скорости, так же получая информацию от датчиков попадания и пересылая ее в пункт управления, а потом, при необходимости захватывают собранное (механически захлопываясь, включая электромагниты, или другим способом), по команде или по заране заложенной программе давали бы импульс двигателем в нужном направлении и либо сгорали в атмосфере/затапливались в океане, либо, если груз нужен - на парашюте его опускали бы в заданный район. Так же возможна ситуация, когда пойманный мусор переводят на более высокую орбиту или в заданную точку, например в будущем там могла бы быть станция автоматической переработки мусора, чтобы съэкономить на доставке материалов, допустим для строящейся международной космической базы, межпланетного или межзведного корабля.

Для удешевления такие сети могли бы быть многоразовыми, т.е. поймав и закрепив мусор они были бы придавали ему имульс в сторну земли, который бы снижал орбиту мусора и отпускали бы его, что вело бы к его попаданию в атмосферу и сгоранию. Сама бы сеть могла бы вернуться в заданную зону и продолжить работу до исчерпания запасов энергии или серьезной поломки.

Так же существует проблема неконтролируемых, неисправных, выведенных из эксплуатации, но не уничтоженных спутников, которые представляют несомненную угрозу, в том числе И в случае, если бы из них начали бы вываливаться различные, в том числе и опасные для жизни нашей планеты, части. Данная сеть могла бы дежурить рядом с таким спутником, как в закрытом, так и в открытом состоянии и по команде захватывать его, далее действуя по команде или автономной программе. Так же она могла бы перехватывать выпадающие из таких спутников опасные части в том числе и автономно, для чего в ее состав могли бы входить соответствующие датчики обнаружения такого события(например оптические или магнитные).

Помимо физического захвата в данной сети возможен и магнитный и электро-магнитный способ захвата объектов.

Поскольку в космосе находятся объекты различающиеся по массе, скорости движения и направлению, то для повышения эфффективности отлова и снижения вероятности поврежедний можно ставить такие сети двигающиеся с соответсвующей относительной скоростью, направлением и с соответсвующим размером самой сети, ячейки и двигателей, например запуская сети последовательно, согласно ранее разведанной обстановки и отлавливая сначала быстрые и крупные (большая ячейка), а затем все более медленные и мелкие объекты.

Преимущества данного решения:

- простота, длительный срок хранения;

- большой выбор размеров сетей (от крошечных до огромных) с разнообразными параметрами и комплектацией для решения различных задач;

- большая легкость, маленький объем и вес, а значит можно послать их очень много, а так же доукомплектовывать ими запускаемые обычные корабли;

- высокая надежность, т.к. из-за конструкции сети она слабо подвержена возможным повреждениям и даже в случае обрыва может остаться вполне работоспособной;

- способ не требует какого-либо научно-технического прорыва, а базируется на существующих технологиях и материалах, что снижает время на разработку и тестирование;

- из всего этого следует сравнительно низкая стоимость реализации данного способа.

Изобретение относится к способам очистки околоземного космического пространства от космического мусора (КМ). В очищаемую область пространства запускают космический аппарат с самораскрывающимися автономными мобильными сетями, снабженными управляемыми маневренными двигателями и средствами (электро)магнитного удержания КМ. В требуемый момент сети раскрываются, а установленные на них датчики, в случае захвата фрагментов КМ, передают информацию об этих фрагментах на пульт управления. Последний вырабатывает команду на закрытие сети или иной способ (например, электромагнитный) фиксации фрагментов КМ и включение маневренных двигателей для выполнения маневра по уборке мусора с орбиты. Технический результат состоит в расширении оперативных возможностей и ассортимента удаляемых фрагментов КМ. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ удаления космического мусора из околоземного пространства путем его сбора и удаления с околоземной орбиты, отличающийся тем, что в очищаемую область околоземного пространства запускают аппарат, способный выпускать капсулы с самораскрывающимися автономными мобильными сетями, снабженными управляемыми маневренными двигателями, после достижения капсулами заданной скорости движения сети раскрываются, причем установленные на сетях датчики попадания передают информацию о задержанном сетью предмете на имеющийся пульт управления, который вырабатывает команду на закрытие сети или иной способ фиксации пойманных объектов и включение маневренных двигателей для выполнения маневра по уборке мусора с орбиты, при этом на сетях дополнительно размещаются средства магнитного и электромагнитного удержания космического мусора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполненные сети с использованием маневренных двигателей направляют в сторону Земли с последующим приводнением или затоплением содержимого или сгоранием его в атмосфере.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполненные сети с использованием маневренных двигателей направляют в сторону от Земли с последующим выводом на более высокую орбиту или в заданную точку.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что капсула-носитель сети дополнительно содержит средства обнаружения космического мусора.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполненные сети с использованием маневренных двигателей направляют в сторону Земли с последующей мягкой посадкой, производимой посредством имеющейся системы мягкой посадки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполненные сети с использованием маневренных двигателей выполняют направление содержимого в нужную сторону, затем выпускают пойманное, которое будет двигаться само в заданном направлении, а освободившаяся сеть выполняет сбор уже другого мусора.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выпущенная капсула расположена в заданном районе с закрытой сетью в ожидании команды на начало работ по захвату мусора, поступающей как от собственных датчиков, так и от внешних устройств управления.