Космический аппарат с устройством аэродинамического торможения для увода космических объектов с орбиты в атмосферу Земли и способ управления его полетом Российский патент 2021 года по МПК B64G1/00 B64G1/62 

Предлагаемое изобретение относится к области космической техники - к средствам увода космических объектов (КО), находящихся на орбитах искусственного спутника Земли (ИСЗ), и погружения их в атмосферу Земли, с использованием способов и устройств аэродинамического торможения.

Это средство представляет собой космический аппарат с устройством аэродинамического торможения для увода КО с орбит ИСЗ и погружения в атмосферу Земли, где происходит его утилизация (например, сгорание в плотных слоях атмосферы Земли).

Такой КА может быть использован для увода из околоземного космического пространства КО (например, техногенного «мусора», отработавших свой ресурс спутников, обломков разрушенных ИСЗ, демонтированных от пилотируемых орбитальных станций элементов конструкции и др.) с целью их последующей утилизации. Известно, что пребывание подобных объектов длительное время на орбитах ИСЗ представляет угрозу столкновения с функционирующими объектами. С ростом количества запускаемых на орбиты ИСЗ объектов накопление техногенного «мусора» приобретает катастрофические масштабы, и очистка космического пространства становится актуальной проблемой.

Известен космический аппарат, имеющий приспособление для захвата орбитального объекта космического мусора в космосе и устройство для увода объекта космического мусора (КМ). Захват включает в себя надувные пальцы с петлевыми ушками для сгибания надутых пальцев и захвата объекта космического мусора с помощью управляемых двигателей и тяг.

Устройство для увода объекта космического мусора представляет собой аэродинамическое тормозное устройство для выведения мусора с низкой орбиты в атмосферу для сгорания или представляет собой солнечный парус для выведения мусора на внешнюю орбиту захоронения, или является двигателем для транспортировки фрагментов космического мусора с высокой орбиты на внешнюю орбиту захоронения (патент США № US6655637B1/ Ernie Y. Robinson Spacecraft for removal of space orbital debris. https://patents.google.com/patent/US6655637B 1 [1]).

Недостатком устройства является высокая сложность принятых технических решений в части системы захвата КМ и системы увода КМ с орбиты, и, как следствие, высокая стоимость.

Известно устройство для снижения орбиты космического объекта, включающее в себя оболочку, систему наддува для надувания оболочки, систему контроля накачивания для управления системой накачивания и крепежные приспособления для соединения устройства и космического объекта. Раздувание оболочки увеличивает эффективную площадь для увеличения аэродинамического торможения (патент США № US6830222В1/ Kerry Т. Nock, Angus D. McRonald, La Canada, Kim Maynard Aaron, La Crescenta Balloon device for lowering space object orbits. https://patents.google.com/patent/US6830222B 1 [2]).

Недостатком устройства является ограниченная точность входа в атмосферу и невозможность управления на заключительном этапе для обеспечения требуемых условий входа в атмосферу из-за отсутствия средств управления полетом.

Известен возвращаемый с орбиты искусственного спутника Земли научно-исследовательский космический аппарат, содержащий лабораторный отсек с размещаемыми внутри него и на его наружной поверхности лабораторным оборудованием и испытуемыми объектами, соединенный с корпусом приборного отсека, несущего все системы, обеспечивающие функционирование аппарата на орбите ИСЗ и при спуске в атмосфере, и тормозную двигательную установку, отличающийся тем, что в носовой части космического аппарата установлен лобовой аэродинамический экран, состоящий из жесткой центральной части и периферийной части, выполненной в виде основного надувного тормозного устройства, содержащего герметичную термостойкую оболочку, закрепленную по окружной кромке жесткой центральной части и являющуюся продолжением конической поверхности экрана. Аппарат снабжен дополнительным надувным тормозным устройством, установленным в кормовой части космического аппарата, выполненным в виде конической оболочки, являющейся продолжением конической поверхности лобового экрана с соединением по окружной кромке основного надувного тормозного устройства (Патент № 2 634 608 С2 / Финченко B.C., Кульков В.М., Фирсюк CO., Терентьев В.В.Возвращаемый с околоземной орбиты научно-исследовательский аппарат. //https://findpatent.ru/patent/263/2634608.html[3]).

Недостатками устройства являются ограниченные возможности по уводу КМ с орбиты ввиду отсутствия системы захвата КМ и высокая сложность принятых технических решений в части наличия систем, обеспечивающих функционирование аппарата на орбите ИСЗ и при спуске в атмосфере.

Известен также спускаемый аппарат-буксир для снятия объектов с орбит искусственных спутников Земли, содержащий грузовой контейнер, надувное тормозное устройство с гибкой герметичной термостойкой оболочкой, выполненной с возможностью приобретения аэродинамической формы при заполнении ее газом, источник газа, систему наддува оболочки, Грузовой контейнер имеет свободный объем для размещения снимаемого объекта и содержит устройство для захвата снимаемого объекта (Патент № 2 626 788 С2 /Финченко B.C., Кульков В.М., Алифанов О.М., Фирсюк CO., Терентьев В.В. Спускаемый аппарат-буксир для снятия космических объектов с орбиты //https://findpatent.ru/patent/262/2626788.html [4]).

Недостатками устройства являются низкая оперативность транспортировки КО ввиду длительности процесса увода КО с орбиты из-за ограниченных размеров надувного тормозного устройства, ограниченная точность входа в атмосферу из-за невозможности управления на заключительном этапе для обеспечения требуемых условий входа в атмосферу.

Наиболее близким по совокупности признаков устройством является спускаемый аппарат (Патент РФ № 2381967, Финченко B.C., Пичхадзе К.М., Иванков А.А. "Способ доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли", https://findpatent.ru/patent/238/2381967.html/ [5]), имеющий герметичный надувной отсек с гибкой термостойкой оболочкой, выполненной с возможностью приобретения сферической формы при заполнении ее газом. Внутри этого отсека размещают грузовой контейнер и источник газа, прикрепляя грузовой контейнер к гибкой термостойкой оболочке. После отделения спускаемого аппарата от орбитальной станции осуществляют наддув указанного отсека газом и увеличивают размеры его гибкой оболочки до достижения сферической формы. Торможение спускаемого аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения его в плотной атмосфере осуществляют только за счет аэродинамической силы, возникающей во время полета в разреженных слоях атмосферы.

Наиболее близкий известный способ (Патент РФ № 2381967, Финченко B.C., Пичхадзе К.М., Иванков А.А. "Способ доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли". //https://findpatent.ru/patent/238/2381967.html [5]), включает размещение подлежащего доставке на поверхность Земли груза в грузовом контейнере спускаемого аппарата, отделение спускаемого аппарата от орбитальной станции, торможение для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения спускаемого аппарата в плотной атмосфере, наблюдение с помощью наземных средств за траекторией спуска аппарата в атмосфере, приземление, поиск и эвакуацию контейнера к месту назначения.

Поскольку это средство предназначено исключительно для доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли, оно не позволяет проводить операции захвата, снятия с орбиты и транспортировки космических объектов для их увода с орбиты и погружения в атмосферу. Для спуска в атмосфере Земли аэродинамическое тормозное устройство с гибкой термостойкой оболочкой имеет гибкое теплозащитное покрытие, которое утяжеляет конструкцию тормозного устройства. Кроме того, размеры тормозного устройства ограничены, что снижает эффективность его использования при уводе космических объектов с орбиты. Недостатком этого тормозного устройства является большая относительная масса и низкая точность и оперативность управления полетом однокаскадной системы аэродинамического торможения.

1. Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в расширении арсенала космической техники путем введения простого и дешевого устройства для оперативного снятия объектов с орбит искусственных спутников Земли.

Предлагаемое изобретение является более простым по устройству и более дешевым, чем описанные выше, техническим средством для оперативного снятия с орбит КО и очистки околоземного космического пространства от техногенного «мусора».

2. Технический результат заключается также в обеспечении высокой оперативности увода в атмосферу Земли при одновременном обеспечении входа в атмосферу с заданной скоростью и расчетным углом входа в атмосферу, необходимых для гарантированного разрушения КО и его сгорания в плотных слоях атмосферы.

Быстрое торможение космического аппарата для оперативного схода с орбиты, снижение за счет аэродинамической силы в разреженных слоях атмосферы и вход в атмосферу с достаточно большим углом обеспечивается надувной оболочкой с большой площадью миделя.

3. Предлагаемое изобретение направлено также на получение технического результата, заключающегося в обеспечении управляемого входа в атмосферу в заданном районе для безопасности в случае падения на поверхность Земли несгоревших фрагментов утилизируемого КО.

Для этого определяют параметры траектории торможения и уточняют время и координаты входа аппарата в плотные слои атмосферы. Управление заключается в последовательном сбрасывании дополнительной надувной оболочки, развертывании и сбрасывании термостойкой надувной оболочки в расчетные моменты времени для осуществления входа в атмосферу Земли в заданном районе и погружения космического объекта в плотные слои.

Заявленный технический результат достигается тем, что космический аппарат с устройством аэродинамического торможения для увода космических объектов с орбиты ИСЗ в атмосферу Земли, содержит грузовой контейнер и кормовой отсек с термостойкой надувной оболочкой, выполненной из газонепроницаемого материала с возможностью приобретения сферической формы при заполнении ее газом от источника газа, размещенного внутри отсека и обеспечивающего наддув оболочки.

Грузовой контейнер, расположенный в носовой части космического аппарата, снабжен захватным устройством.

Кормовой отсек содержит дополнительную надувную оболочку, выполненную из газонепроницаемого материала с возможностью ее свободного раскрытия при наддуве от источника газа, а термостойкая надувная оболочка и дополнительная надувная оболочка уложены на выдвижных платформах, обеспечивающих перемещение оболочек наружу, при этом грузовой контейнер и кормовой отсек объединены в едином корпусе с отсеком служебных систем, содержащем блок управления, блок навигации и блок ориентации и стабилизации.

Заявленный технический результат достигается также тем, что захватное устройство выполнено в виде набора жестких лепестков, шарнирно закрепленных по контуру грузового контейнера, имеющих возможность складывания в транспортном положении и поворота в рабочее положение при захвате космического объекта, формируя свободный объем в виде конического раструба.

Заявленный технический результат достигается также тем, что захватное устройство выполнено в виде набора упругих сужающихся от основания к вершине металлических лент желобкового сечения, закрепленных по контуру грузового контейнера, которые в транспортном положении имеют возможность скручиваться компактно на барабан и раскручиваться в рабочее положение за счет пружинящих свойств упругой металлической ленты.

Заявленный технический результат достигается также тем, что захватное устройство выполнено в виде набора надувных полых лепестков, выполненных из эластичных оболочек, закрепленных по контуру грузового контейнера, которые в транспортном положении имеют возможность скручиваться компактно в рулон и раскручиваться в рабочее положение за счет наддува от источника газа полых лепестков захватного устройства.

Заявленный технический результат достигается также тем, что термостойкая надувная оболочка выполнена из эластичного многослойного пакета, содержащего герметичный слой и силовой слой с радиационным теплозащитным покрытием, теплостойкость материала которого должна соответствовать тепловым нагрузкам на высоте входа в атмосферу Земли при выбранном диаметре оболочки, соответствующем требуемому углу входа в атмосферу на заданной высоте, дополнительная надувная оболочка выполнена герметичной из эластичного материала с диаметром, соответствующим заданной продолжительности увода с орбиты космического объекта заданной массы.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в качестве источника газа используют газобаллонную систему наддува.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в качестве источника газа используют генератор холодного газа.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в качестве источника газа используют таблетированный сублимационный материал.

Заявленный технический результат достигается также тем, что способ увода космических объектов с орбиты в атмосферу Земли с использованием аэродинамического торможения включает отделение космического аппарата от носителя, наддув надувной термостойкой оболочки от источника газа по команде, подаваемой от датчика времени, находящегося на космическом аппарате или по радиокоманде с носителя, с увеличением размеров надувной термостойкой оболочки до достижения сферической формы, торможение аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения за счет аэродинамической силы в разреженных слоях атмосферы, наблюдение за траекторией торможения с определением параметров траектории аппарата и уточнением времени и координат входа аппарата в плотные слои атмосферы, вход в плотные слои атмосферы. Наддув дополнительной надувной оболочки и аэродинамическое торможение космического аппарата для увода космических объектов с орбиты ИСЗ начинают после захвата космического объекта с помощью захватного устройства, а управление торможением осуществляют сбрасыванием оболочки в определенный момент, рассчитываемый исходя из прогнозируемого времени и координат входа в атмосферу, и соответствущий требуемому углу входа в атмосферу на заданной высоте.

Заявленный технический результат достигается также тем, что торможение космического аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения за счет аэродинамической силы в разреженных слоях атмосферы обеспечивается дополнительной надувной оболочкой до момента, когда определяют параметры траектории торможения и уточняют время и координаты входа аппарата в плотные слои атмосферы. После этого, с задержкой по расчетному времени, сбрасывают дополнительную надувную оболочку, а затем, с задержкой по расчетному времени, проводят наддув от источника газа надувной термостойкой оболочки, которая функционирует до момента сброса этой оболочки, предшествующего входу в атмосферу, определяемому по параметрам траектории торможения для осуществления входа в атмосферу Земли в заданном районе и погружения космического объекта в плотные слои атмосферы.

Заявленный технический результат достигается также тем, что наблюдение за траекторией торможения для определения параметров траектории КА с целью прогнозирования точных координат входа в атмосферу в заданном районе и уточнения времени раскрытия и сброса термостойкой надувной оболочки с помощью бортовых средств, осуществляется, например, с помощью систем «ГЛОНАСС» или «GPS».

Заявленный технический результат достигается также тем, что подача газа в дополнительную надувную оболочку и надувную термостойкую оболочку начинается по сигналу, подаваемому от блока управления или с наземного комплекса управления по командной радиолинии на борт космического аппарата.

Использование КА с устройством аэродинамического торможения с применением захватного устройства позволяет осуществить захват космических объектов для увода их с орбиты ИСЗ с погружением в верхние слои атмосферы Земли и сгорания космических объектов в плотных слоях атмосферы, тем самым, обеспечивая оперативное снятие объектов с орбит искусственных спутников Земли.

Оснащение КА устройством для захвата снимаемого с орбиты космического объекта, системой навигации для поиска КО и проведения траекторных измерений, и дополнительной надувной оболочкой для торможения аппарата позволяет решать весь комплекс задач, связанных с операциями снятия космического объекта с орбиты, его захвата и увода с орбиты с последующим торможением и входом в плотные слои атмосферы для утилизации КМ.

Так как устройство для захвата снимаемого космического объекта выполнено в виде набора жестких лепестков, шарнирно закрепленных по контуру грузового контейнера, имеющих возможность складывания в транспортном положении и поворота в рабочее положение при захвате космического объекта, а свободный объем для размещения снимаемого объекта - в виде конического раструба, то обводы устройства для захвата снимаемого объекта в рабочем состоянии в сочетании с внутренними обводами грузового контейнера формируют зону полезного груза.

Выполнение устройства для захвата снимаемого объекта в виде упругих элементов или полых лепестков надувной конструкции позволяет формировать нужную для захвата космического объекта геометрию устройства в рабочем положении и обеспечивает компактную укладку захватного устройства по контуру грузового контейнера в транспортном положении.

Торможение космического объекта в разреженной атмосфере при использовании аэродинамической силы позволяет обеспечивать более высокую скорость торможения за счет увеличения баллистического коэффициента для увода в атмосферу Земли при одновременном обеспечении входа в атмосферу с заданной скоростью и расчетным углом входа в атмосферу, необходимых для гарантированного разрушения КО и его сгорания в плотных слоях атмосферы.

Использование КА, дополнительная надувная оболочка которого выполнена с возможностью приобретения аэродинамической формы, обеспечивает его самоориентирование в потоке только в одном направлении и устойчивый, без колебаний полет до входа в плотные слои атмосферы. Это достигается благодаря аэродинамическим свойствам оболочки, которая имеет внешние обводы в форме сферы и центр давления которого смещен назад по отношению к направлению полета относительно центра масс за счет прикрепления оболочки к кормовому отсеку.

Диаметр дополнительной надувной оболочки выбирается в зависимости от продолжительности увода с орбиты космического объекта, а теплостойкость материала радиационного теплозащитного покрытия термостойкой надувной оболочки должна соответствовать тепловым нагрузкам на высоте входа в атмосферу Земли. Это обеспечивает оперативный увод КО с орбиты, вход в атмосферу с заданной скоростью и расчетным углом входа в атмосферу, необходимыми для гарантированного разрушения КО и его сгорания в плотных слоях атмосферы.

Дополнительная и термостойкая надувные оболочки могут быть уложены компактно в кормовом отсеке КА в транспортном положении и свободно раскрываться до значительных размеров при наддуве от источника газа по сравнению с первоначальным объемом.

По сравнению с устройствами, которые взяты в предложенном изобретении за прототипы, конструктивные особенности КА и схема его полета позволяют оперативно снимать космические объекты с орбиты, обеспечить управляемый вход в атмосферу и аэродинамическое торможение на атмосферном участке траектории, прогнозировать место входа в атмосферу и обеспечить гарантированную утилизацию КМ. Изобретение иллюстрируется рисунками:

- на фиг. 1 показана схема общего вида КА для увода КО с орбиты ИСЗ;

Обозначения: 1 - грузовой контейнер; 2 - отсек служебных систем; 3 - кормовой отсек; 4 - элементы захватного устройства; 5 - дополнительная надувная оболочка; 6 - термостойкая надувная оболочка; 7 - выдвижная платформа для дополнительной надувной оболочки; 8 - выдвижная платформа для термостойкой надувной оболочки; 9 - блок управления и бортовой вычислительный комплекс; 10 - блок системы навигации; 11 -трехстепенной блок двигателей-маховиков системы ориентации и стабилизации КА.

- на фиг. 2 показана схема общего вида КА с развернутой дополнительной надувной оболочкой, используемой при торможении с орбиты ИСЗ до входа в атмосферу;

- на фиг. 3 показана схема аэродинамического торможения КА с орбиты ИСЗ до входа в атмосферу с поэтапным использованием дополнительной и термостойкой надувных оболочек;

- на фиг. 4 показана схема аэродинамического торможения КА с орбиты КА массой 400 кг до входа в атмосферу с поэтапным использованием дополнительной и термостойкой надувных оболочек.

- на фиг. 5 показана циклограмма использования надувных оболочек по времени на двух этапах с одинаковым баллистическим параметром;

- на фиг. 6 показаны графики по времени существования КА массой 400 кг с дополнительной надувной оболочкой в зависимости от ее диаметра при использовании для увода КО с начальной высоты 400 км при различных уровнях солнечной активности;

- на фиг. 7 показаны графики изменения максимальной температуры термостойкой надувной оболочки в зависимости от ее диаметра при различной высоте;

- на фиг. 8 показаны графики изменения угла входа в атмосферу КА с термостойкой надувной оболочкой в зависимости от ее диаметра на различных высотах входа в атмосферу Земли.

Космический аппарат с устройством аэродинамического торможения для увода космических объектов с орбиты ИСЗ в атмосферу Земли, включает грузовой контейнер (1) с устройствами захвата КО (4), соединенный с отсеком служебных систем (2), обеспечивающих функционирование аппарата на орбите ИСЗ, и кормовой отсек (3) с надувными оболочками (5) и (6) для торможения и увода КО с орбиты и погружения в атмосферу Земли.

Основными элементами захватного устройства являются: поворотные лепестки жесткой формы, шарнирно закрепленные по контуру грузового контейнера, имеющие возможность складывания в транспортном положении и поворота в рабочее положение; или, упругие металлические ленты желобкового сечения, закрепленные по контуру грузового контейнера, предварительно свернутые на барабан в транспортном положении, а в рабочее положение раскручиваются за счет упругих (пружинящих) свойств; или, надувные лепестки, выполненные из газонепроницаемого гибкого термостойкого материала, закрепленные по основаниям по контуру грузового контейнера, в транспортном положении лепестки упакованы в компактный объем, а в рабочем положении приобретают форму надувных лепестков за счет наддува газа от источника газа.

В кормовом отсеке (3), в транспортном положении, упакованы термостойкая надувная оболочка (6) и дополнительная надувная оболочка (5), выполненные из газонепроницаемого материала, с возможностью приобретения ими сферической формы при заполнении газом от источника газа, обеспечивающего их наддув. Источник газа размещается внутри кормового отсека.

В качестве источника газа используют газобаллонную систему наддува, генератор холодного газа или таблетированный сублимационный материал.

Дополнительная надувная оболочка (5) и термостойкая надувная оболочка (6), поочередно, в расчетное время, перемещаются с помощью выдвижных платформ (7) и (8) по направляющим к краю герметичного отсека для их свободного раскрытия при наддуве оболочек от источника газа для приобретения ими сферической формы. Дополнительная и термостойкая надувные оболочки предназначены для торможения и увода КО с орбиты ИСЗ до входа в атмосферу Земли.

Для операций сближения с КО, его захвата и транспортировки КА имеет блок управления (9), блок навигации (10), трехстепенной блок двигателей-маховиков ориентации и стабилизации (11) КА и бортовой вычислительный комплекс.

Способ управления полетом космического аппарата осуществляется следующим образом (фиг. 3).

Отделение КА от носителя происходит на орбите ИСЗ, на которой средствами бортовых систем управления, навигации, ориентации и стабилизации КА производится сближение с КО, предназначенного для увода с орбиты ИСЗ. При сближении с КО, по сигналу, подаваемому по командной радиолинии с наземного комплекса управления на борт космического аппарата, происходит контакт с ограничением возможного вращения КО с помощью лепестков захватного устройства. После операций захвата дальнейшее движение по орбите продолжается уже в связке "космический аппарат - космический объект" («КА-КО»).

На последующем этапе осуществляется подача газа от источника газа для наддува и развертывания дополнительной надувной оболочки, выполненной в виде герметичной сферической оболочки из эластичного материала. Размеры дополнительной надувной оболочки увеличиваются до достижения ею сферической формы с необходимой площадью миделя для торможения и схода с орбиты связки «КА-КО» и перехода на траекторию снижения за счет аэродинамической силы, причем диаметр оболочки выбирается в зависимости от продолжительности увода с орбиты космического объекта. При этом происходит наблюдение за траекторией торможения, определяются параметры траектории связки «КА-КО» и уточняются время и координаты заданного района входа в атмосферу после сброса дополнительной надувной оболочки.

Для осуществления входа в атмосферу в заданном районе используется термостойкая надувная оболочка, выполненная из эластичного многослойного пакета, содержащего герметичный слой и силовой слой с радиационным теплозащитным покрытием, причем диаметр оболочки выбирается в зависимости от ограничения по максимальной температуре нагрева оболочки, а теплостойкость материала радиационного теплозащитного покрытия должна соответствовать тепловым нагрузкам на высоте входа в атмосферу Земли. При этом определяются параметры траектории КА, по которым уточняют прогнозируемые время и координаты входа КА в плотные слои атмосферы.

Таким образом, транспортировка КО с торможением и погружением его в атмосферу Земли в заданном районе осуществляется с помощью предварительного управления при последовательном использовании дополнительной надувной оболочки и термостойкой надувной оболочки (фиг. 3, 4). Управление торможением связки «КА-КО» производится по расчетной циклограмме (фиг. 5), включающей отделение от носителя в момент t₀, раскрытие дополнительной надувной оболочки в момент t₁, сбрасывание дополнительной надувной оболочки в момент t₂, наблюдение за траекторией торможения с определением параметров траектории аппарата и прогнозированием времени и координат входа аппарата раскрытие термостойкой надувной оболочки в момент t₃, вход в атмосферу в момент t_f в определенной зоне на границе атмосферы с заданной скоростью и расчетным углом входа в атмосферу для последующего разрушения и сгорания КО при спуске в плотных слоях атмосферы.

Длительность участка увода КО с орбиты t₁-t₂ при известном уровне солнечной активности F0 определяется диаметром дополнительной надувной оболочки (фиг. 6).

Управление полетом на заключительном участке обеспечивается выбором момента сбрасывания термостойкой надувной оболочки в момент t₄.

При этом высота полета ограничена температурой термостойкой надувной оболочки при заданном диаметре (фиг. 7). Для гарантированного сгорания КО необходимо, чтобы угол входа в атмосферу превышал требуемое значение, зависящее от диаметра оболочки (фиг.8).

Источники информации

1. Патент США № US6655637B1, Ernie Y. Robinson Spacecraft for removal of space orbital debris.

2. Патент США № US6830222B1, Kerry Т. Nock, Angus D. McRonald, La Canada, Kim Maynard Aaron, La Crescenta Balloon device for lowering space object orbits.

3. Патент № 2634608 C2, Финченко Валерий Семенович, Кульков Владимир Михайлович, Фирсюк Сергей Олегович, Терентьев Вадим Васильевич Возвращаемый с околоземной орбиты научно-исследовательский космический аппарат.

4. Патент РФ №2626788 С2, Финченко Валерий Семенович, Алифанов Олег Михайлович, Кульков Владимир Михайлович, Фирсюк Сергей Олегович, Терентьев Вадим Васильевич Спускаемый аппарат-буксир для снятия космических объектов с орбиты.

5. Патент РФ №2381967, Финченко B.C., Пичхадзе К.М., Иванков А.А. Способ доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли.

Группа изобретений относится к средствам и методам увода космических объектов (КО) с орбит ИСЗ в атмосферу Земли. Космический аппарат (КА) для увода КО содержит в носовой части грузовой контейнер (1) с захватным устройством (4), соединенный с отсеком служебных систем (2), и кормовой отсек (3) с упакованными в нем термостойкой (6) и дополнительной (5) надувными оболочками. Наддув дополнительной оболочки (5) и аэродинамическое торможение КА начинают после захвата КО устройством (4). Сброс оболочки (5) и последующий наддув оболочки (6) производят в моменты, определяемые исходя из прогнозируемого времени и координат входа КА в атмосферу на ее условной границе (когда оболочка (6) отделена). Обе оболочки поочередно перемещаются платформами (7) и (8) к краю отсека (3) для их раскрытия до сферической формы при наддуве. Технический результат состоит в повышении оперативности и упрощении конструкции КА для увода КО с орбиты при обеспечении его гарантированного разрушения в плотной атмосфере. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Космический аппарат с устройством аэродинамического торможения для увода космических объектов с орбиты ИСЗ в атмосферу Земли, включающий грузовой контейнер и кормовой отсек с термостойкой надувной оболочкой, выполненной из газонепроницаемого материала с возможностью приобретения сферической формы при заполнении ее газом от источника газа, размещенного внутри отсека и обеспечивающего наддув оболочки, отличающийся тем, что грузовой контейнер, расположенный в носовой части космического аппарата, содержит захватное устройство, кормовой отсек содержит дополнительную надувную оболочку, выполненную из газонепроницаемого материала с возможностью ее свободного раскрытия при наддуве от источника газа, а термостойкая надувная оболочка и дополнительная надувная оболочка уложены на выдвижных платформах, обеспечивающих перемещение оболочек наружу, при этом грузовой контейнер и кормовой отсек объединены в едином корпусе с отсеком служебных систем, содержащем блок управления, блок навигации и блок ориентации и стабилизации.

2. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что захватное устройство выполнено в виде набора жестких лепестков, шарнирно закрепленных по контуру грузового контейнера, имеющих возможность складывания в транспортном положении и поворота в рабочее положение при захвате космического объекта, формируя свободный объем в виде конического раструба.

3. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что захватное устройство выполнено в виде набора упругих сужающихся от основания к вершине металлических лент желобкового сечения, закрепленных по контуру грузового контейнера, которые в транспортном положении имеют возможность скручиваться компактно на барабан и раскручиваться в рабочее положение за счет пружинящих свойств упругой металлической ленты.

4. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что захватное устройство выполнено в виде набора надувных полых лепестков, выполненных из эластичных оболочек, закрепленных по контуру грузового контейнера, которые в транспортном положении имеют возможность скручиваться компактно в рулон и раскручиваться в рабочее положение за счет наддува от источника газа полых лепестков захватного устройства.

5. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что термостойкая надувная оболочка выполнена из эластичного многослойного пакета, содержащего герметичный слой и силовой слой с радиационным теплозащитным покрытием, теплостойкость материала которого должна соответствовать тепловым нагрузкам на высоте входа в атмосферу Земли при выбранном диаметре оболочки, соответствующем требуемому углу входа в атмосферу на заданной высоте, дополнительная надувная оболочка выполнена герметичной из эластичного материала с диаметром, соответствующим заданной продолжительности увода с орбиты космического объекта заданной массы.

6. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника газа используют газобаллонную систему наддува.

7. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника газа используют генератор холодного газа.

8. Космический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника газа используют таблетированный сублимационный материал.

9. Способ увода космических объектов с орбиты в атмосферу Земли с использованием аэродинамического торможения, включающий отделение космического аппарата от носителя, наддув термостойкой надувной оболочки от источника газа по команде, подаваемой от датчика времени, находящегося на космическом аппарате или по радиокоманде с носителя, с увеличением размеров термостойкой надувной оболочки до достижения сферической формы, торможение аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения за счет аэродинамической силы в разреженных слоях атмосферы, наблюдение за траекторией торможения с определением параметров траектории аппарата и уточнением времени и координат входа аппарата в плотные слои атмосферы, вход в плотные слои атмосферы, отличающийся тем, что после захвата космического объекта с помощью захватного устройства начинают наддув дополнительной надувной оболочки и аэродинамическое торможение космического аппарата для увода космических объектов с орбиты ИСЗ, а управление торможением осуществляют сбрасыванием этой оболочки в определенный момент, рассчитываемый исходя из прогнозируемого времени и координат входа в атмосферу и соответствующий требуемому углу входа в атмосферу на заданной высоте.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что торможение космического аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения за счет аэродинамической силы в разреженных слоях атмосферы обеспечивается дополнительной надувной оболочкой до момента, когда определяют параметры траектории торможения и уточняют время и координаты входа аппарата в плотные слои атмосферы, после чего, с задержкой по расчетному времени, сбрасывают дополнительную надувную оболочку, а затем, с задержкой по расчетному времени, проводят наддув от источника газа термостойкой надувной оболочки, которая функционирует до момента сброса этой оболочки, предшествующего входу в атмосферу, определяемому по параметрам траектории торможения для осуществления входа в атмосферу Земли в заданном районе и погружения космического объекта в плотные слои атмосферы.

11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что наблюдение за траекторией торможения для определения параметров траектории КА с целью прогнозирования точных координат входа в атмосферу в заданном районе и уточнения времени раскрытия и сброса термостойкой надувной оболочки с помощью бортовых средств осуществляется с помощью систем ГЛОНАСС или GPS.

12. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что подача газа в дополнительную надувную оболочку и термостойкую надувную оболочку начинается по сигналу, подаваемому от блока управления или с наземного комплекса управления по командной радиолинии на борт космического аппарата.