Способ забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна и комплекс средств для его реализации Российский патент 2019 года по МПК G01N1/02 B64G4/00 

Группа изобретений относится к космическим технологиям, а именно к способам и средствам экспериментальных исследований в космическом пространстве, в частности, к способам и средствам забора и доставки на Землю проб космической пыли.

Космическая пыль межпланетного и межзвездного пространства является одним из важнейших объектов исследования. Космическая пыль, как природный дисперсный объект, может представлять собой смесь дисперсной фазы как неорганических частиц, так и частиц биологического происхождения. Важность исследования пылевой плазмы, особенно за пределами радиационных поясов Земли, стимулирует поиски способов и средств ее сбора и доставки в лаборатории на Земле.

В настоящее время наблюдается актуализация внимания к точкам либрации, где гравитационное и центробежное ускорения, воздействующие на помещенное в окрестностях точки тело, уравновешиваются, в связи с чем так называемые «малые тела» могут там накапливаться. Особый интерес вызывает открытие «облакоподобных пылевых образований Кордылевского» в окрестностях точек L₄ и L₅ системы Земля-Луна (Г.Л. Сучкин и др. Лагранжевы точки в проблеме поиска жизни во Вселенной. - В кн. Проблема поиска жизни во Вселенной. Москва, «Наука», 1986. С. 136-144).

Известно предложение «использовать окрестности лагранжевых точек в качестве мест дислокации спутников-либроидов с последующим взятием проб-мазков с их поверхности (О.С. Цыганков. Реальные шаги в область эмпирической экзобиологии: программа «Тест» / Авиапанорама, №3, 2014. С. 52). (Либроид - от лат. Librare - раскачивать, либрация - колебания).

Известен способ поиска и обнаружения микроорганизмов в космическом пространстве, заключающийся в том, что выполняют взятие проб с поверхности искусственного космического объекта посредством стерилизованного и гермоизолированного на Земле пробоотборника, после чего последний гермоизолируют в вакууме и возвращают на Землю, при этом пробы берут с поверхности объекта, размещенного в зонах эквидистантных точек либрации L4 и L5 в системе Земля-Луна (Патент RU 2603706, опубл. 27.11.2016, бюл. №33) (прототип).

В прототипе не представлены способы и средства обеспечения доставки тест-объекта в зону точки либрации, доступа к поверхности тест-объекта, а также доставки отобранной пробы на Землю. Указанные недостатки являются весьма существенными препятствиями для осуществления поставленной задачи.

Задачей изобретений является оптимизация способа забора и доставки на Землю космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна и комплекса средств для его реализации.

Техническим результатом изобретений является повышение технической и экономической эффективности, надежности и безопасности способа забора и доставки на Землю космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна и комплекса средств для его реализации путем использования окололунной орбитальной станции и базируемого на ней малого космического аппарата (МКА), а также возвращаемого на Землю модуля.

Технический результат изобретения достигается тем, что способ забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна содержит забор проб с поверхности искусственного тест-объекта, размещенного в зонах точек либрации, посредством стерилизованных и гермоизолированных на Земле пробоотборников, после чего последние изолируют в термоконтейнере, при этом забор проб производят с поверхностей МКА, который перед забором проб размещают вместе с термоконтейнером на окололунной орбитальной станции, шлюзуют, отделяют от упомянутой станции, инициируют его перелет с окололунной орбиты на гало-орбиту вокруг одной из точек либрации, поддерживают корректируемый полет-дрейф МКА по гало-орбите, затем осуществляют его переход с гало-орбиты на орбиту окололунной орбитальной станции, захват с помощью многофункционального робота-манипулятора и причаливание к упомянутой станции, при этом из шлюзового отсека окололунной орбитальной станции выносят термоконтейнер, извлекают из него стерильные пробоотборники, которыми берут пробы-мазки с поверхностей МКА, после чего изолируют пробоотборники в термоконтейнере, выполняют обратное шлюзование МКА и термоконтейнера, доставляют термоконтейнер с пробами на Землю в возвращаемом модуле.

Технический результат достигается тем, что в комплекс средств для реализации способа забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна, содержащий термоконтейнер со стерилизованными, изолированными на Земле пробоотборниками и искусственный тест-объект, введены окололунная орбитальная станция с возвращаемым на Землю модулем, состоящая из шлюзового отсека с выдвижным столом и устройствами фиксации малого космического аппарата, многофункциональный робот-манипулятор, а в качестве искусственного тест-объекта использован малый космический аппарат с двигательной установкой, системой управления, ресурсами для автономного функционирования, при этом малый космический аппарат и термоконтейнер размещены на упомянутой окололунной орбитальной станции.

Имели место попытки запуска спутников в окрестности точек либрации (например, ИС ЕЕ-С, США, 1978). Осуществление подобной миссии к точкам либрации системы Земля-Луна - технически и экономически чрезвычайно затратная акция, равноценная полету на окололунную орбиту. Очевидна целесообразность использовать для этого малые космические аппараты. Однако их применение для полетов в дальнем космосе является проблематичным. Гипотетически можно рассматривать миссии к точкам либрации малых аппаратов, стартующих с доступных геоцентрических орбит. Такие аппараты должны быть выполнены возвращаемыми на Землю или иметь отделяемые модули, гермозащищенные при проходе на спуске через атмосферу Земли. Основная проблема в осуществлении полетов малых аппаратов заключается в жестких ограничениях на массу потребляемого топлива для совершения маневров и возвращения к Земле. Частично острота этой проблемы может быть снижена использованием двигателей с высоким удельным импульсом (электроракетные двигательные установки), использованием солнечного паруса, попутных запусков.

Совместное Заявление ГК «РОСКОСМОС» и NASA о сотрудничестве в области исследования и освоения дальнего космоса, создании Международной окололунной посещаемой платформы Deep Space Gateway (https://roscosmos.ru/print/24136/). проект отечественной Лунной орбитальной станции (Авиапанорама. №4, 2016. С. 23) оптимизируют ситуацию, открывая возможности использования малых космических аппаратов в рамках эксплуатации околунной орбитальной станции.

Изобретение поясняется чертежом на фиг. 1, где:

1 - окололунная орбитальная станция;

2 - шлюзовой отсек;

3 - выдвижной стол;

4 - многофункциональный робот-манипулятор (МРМ);

5 - малый космический аппарат (МКА);

6 - термоконтейнер.

Комплекс средств для реализации способа забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна содержит термоконтейнер 6 со стерилизованными, изолированными на Земле пробоотборниками, окололунную орбитальную станцию 1 с возвращаемым на Землю модулем (не показан на фиг. 1), состоящую из шлюзового отсека 2 с выдвижным столом 3 и устройствами фиксации малого космического аппарата (на фиг. 1 не показаны). Кроме того, комплекс средств содержит многофункциональный робот-манипулятор (МРМ) 4 и искусственный тест-объект, в качестве которого используют малый космический аппарат (МКА) 5 с двигательной установкой, системой управления, ресурсами для автономного функционирования (на фиг. 1 не показаны). МКА 5 и термоконтейнер 6 размещают на окололунной орбитальной станции 1.

Способ забора и доставки на Землю космической пыли из окрестностей точек либрации осуществляется с помощью указанного выше комплекса средств следующим образом.

На Земле пробоотборники стерилизуют, помещают в стерилизованные полости, гермоизолируют в термоконтейнере 6. В модуле окололунной орбитальной станции 1 (или в грузовом корабле снабжения) доставляют на окололунную орбиту МКА 5 и термоконтейнер 6, устанавливают МКА 5 в шлюзовом отсеке 2 на выдвижной стол 3 и выполняют шлюзование, выдвигают стол 3 с размещенным на нем МКА 5, к последнему присоединяют МРМ 4, с помощью которого отделяют МКА 5 от стола 3 и помещают его в стартовую позицию для перелета на гало-орбиту, инициируют и выполняют перелет МКА 5 на гало-орбиту вокруг одной из точек либрации и далее поддерживают периодически корректируемый полет-дрейф МКА 5 по гало-орбите; в период полета по гало-орбите МКА 5 выдвижной стол 3 и шлюзовой отсек 2 приводят в исходное положение, выполнив промежуточное обратное шлюзование, и используют шлюзовой отсек 2 для других задач; по программе полета осуществляют переход МКА 5 с гало-орбиты на орбиту окололунной станции 1, подготавливают шлюзовой отсек 2, для чего космонавты устанавливают на стол 3 термоконтейнер 6, выполняют шлюзование и выдвигают стол 3 с размещенным на нем термоконтейнером 6, при этом выполняют захват МКА 5 посредством МРМ 4, с помощью последнего причаливают МКА 5 к окололунной станции 1 путем перемещения и установки МКА 5 на стол 3, упомянутым МРМ 4 захватывают и извлекают поочередно из термоконтейнера 6 стерильные пробоотборники, манипуляциями МРМ 4 выполняют взятие проб-мазков космической пыли с поверхности МКА 5 и изолируют пробоотборники, возвращая их в термоконтейнер 6 действиями МРМ 4, стол 3 вводят в шлюзовой отсек 2, выполняют обратное шлюзование МКА 5 и термоконтейнера 6, последней с пробами космонавты переносят в возвращаемый модуль (на фиг. 1 не показан) и доставляют на Землю.

Различные окололунные орбиты представляют определенный интерес из естественного побуждения изучать Луну не только в зонах проекции орбиты окололунной станции на поверхность Луны.

На современном этапе исследования и освоения космического пространства отмечается тенденция к активизации создания и использования малых космических аппаратов мини-размерности с научными, коммуникационными и двойного назначения задачами, преимущественно в околоземном пространстве.

МКА могут эффективно использоваться для широкого спектра задач на окололунных орбитах при условии их базирования на окололунной орбитальной станции, исключив таким образом из использования МКА перелет с большими затратами характеристической скорости по маршруту Земля - окололунные орбиты. Так, например, перелет с окололунной высокоэллиптической гало-орбиты (за которой признается ряд преимуществ для орбитальной станции), на низкую круговую орбиту (удобную для исследования поверхности Луны) (Yury Makushenko. The cislunur space port: approach for the crew delivery to the lunar surface) // IAC-17-A5/1/2), no затратам характеристической скорости становится высокоэкономичным по сравнению с перелетом Земля-Луна. Базирование МКА на окололунной станции открывает возможности для их дозаправки, полетного технического обслуживания, замены датчиковой аппаратуры, дооснащения, т.е. создавать их как многоразовые и многоцелевые аппараты с модернизационным потенциалом. Таким образом, МКА (аппараты-либроиды) могут быть пионерами в ряду космической техники аналогичного предназначения.

Группа изобретений относится к технологиям проведения исследований в космическом пространстве. Способ включает запуск с борта окололунной орбитальной станции (ООС) малого космического аппарата (МКА) на гало-орбиту вокруг одной из точек либрации и, через некоторое время полёта (дрейфа) по этой орбите, возвращение МКА к ООС и его захват роботом-манипулятором станции. Затем из шлюзового отсека ООС выносят гермоконтейнер со стерильными пробоотборниками и берут пробы-мазки с поверхностей МКА. Пробоотборники с мазками изолируют в гермоконтейнере и затем доставляют на Землю в возвращаемом модуле. Для осуществления данного способа предусмотрен соответствующий комплекс средств, в котором МКА и гермоконтейнер базируются на ООС. Техническим результатом является обеспечение эффективности, надежности и безопасности сбора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна, включающий забор проб с поверхности искусственного тест-объекта, размещенного в зонах точек либрации, посредством стерилизованных и гермоизолированных на Земле пробоотборников, после чего последние изолируют в гермоконтейнере, отличающийся тем, что забор проб производят с поверхностей малого космического аппарата, который перед забором проб размещают вместе с гермоконтейнером на окололунной орбитальной станции, шлюзуют, отделяют от упомянутой станции, инициируют его перелет с окололунной орбиты на гало-орбиту вокруг одной из точек либрации, поддерживают корректируемый полет-дрейф малого космического аппарата по гало-орбите, затем осуществляют его переход с гало-орбиты на орбиту окололунной орбитальной станции, захват с помощью многофункционального робота-манипулятора и причаливание к упомянутой станции, при этом из шлюзового отсека окололунной орбитальной станции выносят гермоконтейнер, извлекают из него стерильные пробоотборники, которыми берут пробы-мазки с поверхностей малого космического аппарата, после чего изолируют пробоотборники в гермоконтейнере, выполняют обратное шлюзование малого космического аппарата и гермоконтейнера, доставляют гермоконтейнер с пробами на Землю в возвращаемом модуле.

2. Комплекс средств для реализации способа забора и доставки на Землю проб космической пыли из окрестностей точек либрации системы Земля-Луна, содержащий гермоконтейнер со стерилизованными, изолированными на Земле пробоотборниками и искусственный тест-объект, отличающийся тем, что в состав комплекса введены окололунная орбитальная станция с возвращаемым на Землю модулем, состоящая из шлюзового отсека с выдвижным столом и устройствами фиксации малого космического аппарата, многофункциональный робот-манипулятор, а в качестве искусственного тест-объекта использован малый космический аппарат с двигательной установкой, системой управления, ресурсами для автономного функционирования, при этом малый космический аппарат и гермоконтейнер размещены на упомянутой окололунной орбитальной станции.