Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора и импульсная лазерная система для его реализации Российский патент 2021 года по МПК B64G99/00 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства от засоряющих его частиц космического мусора (КМ).

Согласно ранее проведенным исследованиям Eichler и др. [1-4] большая часть КМ находится на высотах от 400 км до примерно 2000 км с двумя вершинами около 800 км и 1500 км. Существуют предложения различных мировых центров по утилизации КМ крупных, средних и малых габаритов, которые уже долгое время находятся в стадии всестороннего обсуждения с точки зрения актуальности и эффективности, а также технической и финансовой реализуемости, например, [3, 4] и др.

В настоящее время разрабатывается несколько проектов по удалению КМ с околоземной орбиты с использованием мощных лазеров. Одним из таких проектов является ORION, предложенный Photonics Associates Company и поддержанный NASA (США) [5, 6]. Можно выделить следующие направления использования мощных лазерных комплексов для удаления КМ.

Лазер на Земле. Лазерные комплексы наземного базирования должны обеспечивать надежное прохождение лазерного пучка через атмосферу. Необходимым требованием для этого является высокая мощность и качество выходного излучения, обеспечивающее расходимость пучка, близкую к дифракционной. Для наиболее эффективного воздействия на КМ предлагается использовать высокочастотные импульсно-периодические DF-лазеры с длиной волны 3,8 мкм, или твердотельные лазеры с длиной волны 1,06 мкм. В этом случае, пиковые значения интенсивности падающего на КМ излучения возрастают на порядки по сравнению с непрерывным режимом. Импульсные лазеры с их возможностью достижения максимальной пиковой мощности могут подавать импульсы с земной поверхности, замедляя космический мусор, который затем может достаточно быстро входить в атмосферу Земли, сгорать или падать в океан. Однако имеющиеся на данном этапе уровень развития технологий потребуют затрат на один объект до 1 миллиона долларов.

Лазер на орбите. Известны предложения для полного уничтожения КМ за счет лазерного испарения, требующие размещения на орбите суперлазера, прикрепленного к космическому телескопу, а также способы замедления или изменения направления движения КМ. В исследованиях Апполонова В.В. [7] было показано, что оптимальная с точки зрения наибольшего энергосъема и эффективного преодоления плазменного экрана частота модуляции составляет ~100 кГц, а превышение пиковой мощности над средней составляет 2-3 порядка. Длительность импульсов в обоих случаях находится в диапазоне 10^-7 - 10^-8 с. Опытный вариант подобной системы готовится в Китае и России для экспериментов на МКС, куда предполагается доставить рекордный для космоса телескоп с диаметром зеркала в 3 метра и лазер с 10000 опто-волокон.

В работе Фанга [8] описан пример использования импульсного лазера, размещенного на космической лазерной платформе, с целью удаления обломков КМ сантиметровых размеров. Обсуждаются возможные риски столкновений МКС с опасными обломками на низкой околоземной орбите. В результате долговременного импульсно-периодического лазерного облучения КМ сантиметровых размеров, находящихся в условиях высокоскоростного движения (до 8-10 км/с) на низкой околоземной орбите, высота перигея КМ понижается незначительно (до 244,2 км).

Недостатками предлагаемого способа является то, что замедление движения КМ достигается путем многократного и долговременного облучения лазерными импульсами (в количестве более 5000). При этом периоды облучения специальным образом определяются, когда возникают благоприятные условия (и появляются так называемые окна), и понижаются угрозы столкновения между осколками КМ и МКС.

Известны изобретения по патентам [9] RU 2001109184 B64G 9/00, 05.04.2001 г. и [10] RU 2001109185, 05.04.2001 г., заявитель ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, где описаны аппараты для очистки космического пространства от КМ. Аппараты содержат энергетическую установку, систему обнаружения частиц, подлежащих уничтожению, устройство генерации лазерного излучения с системой охлаждения и систему направленной передачи энергии частице, подлежащей уничтожению. Согласно изобретению, устройство генерации лазерного излучения выполнено в виде импульсного газоразрядного лазера на атомных переходах с лазерной средой в виде паров металлов с возбуждением электрическим разрядом. В указанных патентах предложена концепция очистки космоса от мелкого мусора (метеорных частиц) размером от 0.1 до 10 миллиметров с помощью маневрирующего космического аппарата (КА) с ядерной электро-двигательной установкой (ЯЭРДУ) мощностью 150 кВт и питаемой от нее лазерной системы, обеспечивающей дистанционную передачу энергии испаряемой метеорной частице на расстояние до 10 км. Цель - очистка космического пространства от малоразмерного техногенного засорения в диапазоне высот от 800 до 1500-2000 км. Объекты воздействия - метеорные частицы искусственного происхождения, размером менее 3 мм и более нескольких сотен микрон. Частицы таких размеров - за пределами возможной каталогазации с использованием системы слежения за околоземным космическим пространством, но выше порогового размера, представляющего опасность для целостности систем космических аппаратов (скафандров, гермоотсеков и пр.). Недостатком предлагаемого способа является существенное ограничение размеров КМ до миллиметровых размеров.

В работе Schall [11] рекомендуется использовать мощные лазеры для удаления небольших осколков КМ диаметром до 10 см. Предполагается, что данные для наиболее вероятной орбиты столкновения с осколками известны. Оцениваются реальные скорости выброса паров осколков при лазерном облучении, и рассчитывается ускорение осколков. Это позволяет изменить орбиту осколков и обеспечить их повторный вход в атмосферу Земли или наоборот полный выход из гравитационного поля Земли. Вместе с тем, с появлением очень мощных лазеров может стать доступным метод, использующий такие лазеры для полного уничтожения (путем испарения) большей части мелкого мусора на низкой околоземной орбите (LEO) и, возможно, даже на геостационарной орбите (GEO).. Согласно оценкам Schall [11], лазер класса мегаватт будет необходим для объектов с размерами до 10 см. Лазеры класса мегаватт довольно габаритные (большие по размерам) и обычно не используются в космосе для гражданских целей. Недостатком такого способа является возможность перехода объекта на более высокую орбиту. Полное испарение мелких осколков мусора также не эффективно, потому, что необходимо выводить на орбиту или использовать стационарно установленный на Земле лазер с повышенной мощностью, габаритами и весом.

В качестве прототипа к предлагаемому техническому решению выбран малогабаритный лазер с импульсно-периодическим излучением, описанный в работе Soulard и др. [12].

Предметом рассмотрения настоящего технического решения являются небольшие объекты космического мусора (до и около 10 см) на низкой околоземной орбите (до 800 км), которые вызывают особенное беспокойство, потому что их много, и их сложно отслеживать или даже обнаруживать на постоянной основе. Одним из рациональных решений на сегодняшний день, по-нашему мнению, является размещение на околоземной орбите малогабаритного лазера с импульсно-периодическим излучением и мощностью в 25, 50 или 100 кВт.

Сенсорная система с искусственным интеллектом, разработанная на основе нейронных сетей, и установленная вместе с лазером на платформе носителя (МКС или спутнике), позволяет обнаруживать, распознавать и регистрировать параметры (скорость, размеры, траекторию и др.) одиночных объектов КМ попадающих в световое поле лазерного излучения.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности и эффективности удаления малых фрагментов КМ с околоземной орбиты с применением высокочастотной импульсно-периодической лазерной системы.

Поставленная задача решается благодаря предлагаемому способу импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ, которая осуществляется благодаря конструктивному решению импульсной лазерной системы.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ включает обнаружение одиночного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты, определение его параметров, определение параметров наведения и фокусировки лазерного излучения на объект КМ и автоматический подбор определенного режима импульсного лазерного воздействия на объект КМ, и осуществление собственно самого воздействия. Согласно изобретению обнаружение объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, фокусировку на них лазерного излучения и воздействие лазерным излучением осуществляют, по крайней мере, в двух противоположных направлениях, как на объект КМ летящий навстречу импульсной лазерной системе, так и летящий в ее следе, при этом осуществляют автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта, затем осуществляют воздействие лазерным излучением на каждый объект сериями импульсов: в начале воздействуют лазерными импульсами определенной длительности - τ_in (несколько миллисекунд) с интенсивностью ниже порога образования плазмы с продолжительностью до момента формирования плотного облака пара вокруг поверхности объекта КМ, затем воздействуют импульсами длительностью меньшей, чем первоначальный импульс - τ << τ_in с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, обеспечивающими зажигание и поддержание горения плазмы в облаке пара вокруг поверхности КМ, способные осуществить передачу дополнительной лазерной энергии плазме пара и сформировать в облаке пара область повышенного давления с ударно-волновым воздействием, способным изменить модуль скорости объекта КМ и сократить время его удаления с орбиты на Землю.

Способ реализует импульсная лазерная система очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора КМ, размещенная на космической платформе носителя, например МКС и содержащая блок источника лазерного излучения, связанный с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения, блоком обнаружения, распознавания и регистрации параметров одиночных объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, и блоком наведения и фокусировки передачи энергии лазерного излучения на обнаруженные объекты КМ. Согласно изобретению, используют высокочастотный импульсно-периодический лазер (ВИП-лазер) по крайней мере, с двумя противоположно направленными по отношению друг к другу выводами лазерного излучения, связанный с блоком обнаружения и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на объекты КМ, выполненный с двумя телескопическими отражателями противоположно направленными по отношению друг к другу и двумя подвижными зеркалами, установленными с возможностью автоматического изменения их кривизны и соответственно направления волнового вектора лазерного излучения посредством связи с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения и подбора оптимального режима импульсного лазерного воздействия оптимально соответствующего параметрам объекта КМ подлежащего удалению с орбиты.

Положительный эффект технического решения заключается в конструктивном решении лазера, который позволяет, по крайней мере, в двух направлениях обнаруживать и фокусировать излучение на объекты КМ, что позволяет увеличить область наблюдения за объектами КМ, и повысить степень защиты носителя от нежелательных столкновений с объектами КМ, а также автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта, способного изменить модуль скорости объекта КМ и сократить время его удаления с орбиты на Землю.

На фиг. 1 схематично представлена импульсная лазерная система, которая может быть размещена на космической платформе носителя, например МКС или спутнике (на фиг. не показано) с двумя выводами лазерного излучения противоположно направленными относительно друг друга и с двумя телескопическими отражателями, противоположно направленными относительно друг друга, фокусирующие лазерное излучение на одиночные объекты КМ, как перед носителем, так и в его следе. На фиг. 1 также изображены элементы солнечных батарей, как возможный элемент энергоснабжения для питания лазерной системы.

На фиг. 2 представлена функциональная схема импульсной лазерной системы;

На фиг. 3 представлены зависимости изменения отношения исходного времени «жизни» на околоземной орбите Т₀, без воздействия, к времени «жизни» T_v (ось ординат) при внезапном уменьшении орбитальной скорости сферических частиц алюминия (объектов КМ) на заданную величину ΔV (ось абсцисс) при вариации размеров частиц от 1 мм до 10 см.

На фиг. 4 приведены результаты экспериментов [13] по абляции различных материалов (металлов и неметаллов), которые демонстрируют поведение удельного коэффициента связи C_m энергии лазера с импульсом силы в зависимости от поглощенной плотности мощности излучения I_ab, при этом время действия лазерного импульса ограничено 5 наносекундами.

На фиг. 5 приведена примерная схема разделенных по времени профилей импульсов для одного лазерного «выстрела» по мишени.

В Таблице приведены времена «жизни» Т₀ макрочастиц металлов (сталь и алюминий) различных диаметров D на круговой околоземной орбите на высоте около 400 км.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ осуществляется благодаря конструктивному решению импульсной лазерной системы.

Импульсная лазерная система (фиг. 1), включает: энергетический блок с высокочастотным импульсно-периодическим лазером (ВИП-лазером) 1; блок автоматического управления 2 лазерным излучением; блок обнаружения 3 объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты; блок наведения и фокусировки 4 ВИП-лазера 1 на обнаруженный объект КМ.

Малогабаритный ВИП-лазер 1 мощностью до 100 кВт, обеспечивает дистанционную передачу достаточной энергии испаряемому объекту КМ, диаметром до 10 см, удаленному до 10 км.

ВИП-лазер 1 содержит, по крайней мере, два выхода для вывода излучения на объекты КМ, противоположно направленные по отношению друг к другу.

Блок автоматического управления 2 лазерным излучением 1 осуществляет связь блоков 3 и 4 с блоком лазерного излучения 1; управляет кривизной телескопических отражателей и зеркал, для изменения направления волнового вектора лазерного излучения, а также осуществляет автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного для удаления объекта КМ. Блок автоматического управления 2 обрабатывает данные параметры объекта КМ, полученные от блока 3, такие как геометрия, размеры, скорость и направление перемещения и вырабатывает «тактику» воздействия на объект КМ. Наблюдение за объектом начинается уже с расстояния L=D²/λ, что составляет 1070 км, для диаметра зеркального отражателя D=1 м и длины волны излучения λ=1,07 мкм.

Лазерное воздействие ограничено диаметром пятна фокусировки, который определяется по формуле: d_s=kθ_difL, где L - расстояние до объекта КМ, θ_dif=2,44λ/D - угол дифракционной расходимости луча, зависящий от длины волны λ и диаметра зеркала D, k - отношение реальной расходимости к дифракционной. Если считать, расходимость излучения равной двум дифракционным пределам (т.е. k=2), то для λ=1,07 мкм, D=1 м, на расстоянии L=10 км получаем d_s=0,0488 м. Это означает, что первые лазерные импульсы могут подаваться на объект КМ с расстояния порядка 10 км.

Блок обнаружения 3 объектов КМ, производит обнаружение объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, как перед носителем импульсной лазерной системы, так и в его следе, в противоположном направлении по отношению к направлению движения носителя и передает информацию на блок автоматического управления 2 для анализа и принятия оптимального решения индивидуально для каждого объекта, учитывая его параметры.

Блок наведения и фокусировки 4 лазера 1 на обнаруженный объект КМ, содержит, по крайней мере, два телескопических (зеркальных) отражателя 5 и 6, противоположно направленных по отношению друг к другу с закрепленными перед ними подвижными параболическими зеркалами, соответственно 7 и 8, с автоматически изменяемой кривизной, посредством связи с блоком автоматического управления 2 параметрами лазерного излучения, для коррекции наклона волнового вектора лазерного излучения.

Телескопический отражатель 5 предназначен для дальнего обнаружения и фокусировки объектов КМ летящих на встречу платформе носителя и 6 для ближнего обнаружения и фокусировки объектов КМ летящих в следе платформы носителя.

На фиг. 1, также изображены объекты КМ 9 и 10, подлежащие удалению с орбиты (малых размеров до 10 см), на которые фокусируется отражателями 5 и 6 лазерное излучение.

Отражатели 5 и 6 и соответственно подвижные зеркала 7 и 8 связаны приводом с блоком автоматического управления 2 лазерным излучением, который изменяет в целом кривизну зеркал и позволяет производить фокусировку переотраженного лазерного излучения на объекты КМ 9 или 10. Отражатель 5 диаметром до 1 м предназначен для обнаружения, лазерной обработки (по специальному импульсному сценарию) и при необходимости, последующего уклонения (за счет маневрирования носителя) от возможного столкновения с объектами КМ летящими навстречу. Отражатель 6 диаметром до 0,5 м предназначен для обнаружения и лазерной обработки (по специальному импульсному сценарию) и последующего уклонения (за счет маневрирования носителя) от возможного столкновения с объектами КМ 10, летящими в следе носителя. Работа отражателя 6 в следе, где разность скоростей между объектом КМ и носителем минимальна, позволяет иметь больше времени для регистрации и обработки данных объекта КМ, и, при необходимости, осуществить маневр носителя с тем, чтобы произвести серию лазерных импульсов, обеспечивающих лобовое и наиболее эффективное облучение объекта КМ.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ основан на механизме лазерного испарения материала с поверхностности объекта КМ и образование плотного облака пара вокруг объекта. Серия импульсов создает последующее зажигание плазмы высокого давления, инициирующей ударную волну, которая передает импульс давления на объект КМ и производит торможение объекта КМ.

Технология лазерной абляции считается наиболее эффективным способом удаления мелких объектов КМ в околоземном пространстве. Для лазерной абляции объектов КМ используют импульсно-периодический лазер с длиной волны 1,06 мкм, поскольку он обеспечивает приемлемые интенсивности, и их быструю перенастройку для отработки определенного сценария импульсного лазерного воздействия на объекты КМ. Применение, например, оптоволоконного лазера может позволить использование несколько выводов лазерного излучения.

Способ осуществляется следующим образом.

Информация с блока обнаружения, распознавания и регистрации 3 объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты, поступает на блок наведения и фокусировки 4 ВИП-лазера 1 и на блок автоматического управления 2 лазерными импульсами для обработки полученной информации о параметрах объекта КМ и передаче сигнала для начала работы ВИП-лазера 1 на обнаруженный объект КМ, движущийся перед платформой носителя или одновременно при обнаружении объекта КМ в следе платформы носителя (см. фиг. 2).

Высокочастотный импульсно-периодический лазер 1 по команде с блока автоматического управления 2 по индивидуальному расчетному сценарию рассчитанного для каждого обнаруженного объекта КМ (учитываются параметры объекта: скорость движения, размер, траектория), производит серию импульсного воздействия. Первый лазерный импульс (см. фиг. 5) определенной длительности - τ_in несколько миллисекунд (1-2 мс) с интенсивностью ниже порога образования плазмы формирует плотное облако пара около поверхности объекта КМ. Возникающего при этом давления отдачи будет не достаточно для существенного замедления скорости объекта КМ, или отклонения его от своей орбитальной траектории движения. Затем воздействуют серией импульсов высокой частоты (см. фиг. 5) меньшей длительностью, чем первоначальный импульс - τ << τ_in с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, обеспечивающих зажигание и поддержание горение плазмы в облаке пара около поверхности КМ. В плазме пара лазерное излучение почти полностью поглощается, что позволяет повысить эффективность использования лазерной энергии и сформировать в облаке пара ударную волну с повышенным давлением, способным существенно изменить модуль скорости объекта КМ.

Первый импульс должен быть продолжительностью порядка миллисекунды с интенсивностью 10⁶-10⁷ Вт/см². За это время образуется облако пара с температурой для стали 1800-2300 К. Скорость пара составляет:

Давление

Плотность: или

Последующие импульсы 10⁹-10¹² Вт/см² могут быть нано- или пико-секундными так, чтобы суммарное время соответствовало времени прохождения ударной волны до поверхности тела.

Достаточно замедлить скорость объекта КМ массой до 4÷5 кг на величину ΔV=100 м/с, после чего время его падения на Землю (время «жизни») сокращается до десяти тысяч раз, что не превышает одного часа. На Фиг. 3 представлены графики расчета отношения исходного времени «жизни» на околоземной орбите Т₀ (без лазерного воздействия) к времени «жизни» T_v при внезапном уменьшении орбитальной скорости сферических частиц алюминия на заданную величину ΔV.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ осуществляется при обнаружении объекта КМ в следе носителя или одновременно с объектом КМ, движущимся перед платформой носителя.

В Таблице приведены данные расчетов времени «жизни» на круговой околоземной орбите сферических частиц из стали и алюминия с размерами от 1 мкм до 10 см. Высота орбиты 400 км, скорость движения 7÷8 км/с.

Приведенные данные в Таблице были рассчитаны в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Таблица - времени «жизни» Т₀ (в секундах) и полные дни существования макрочастиц металлов на круговой околоземной орбите на высоте около 400 км.

Несмотря на то, что техническая осуществимость предлагаемого способа ограничена малыми размерами объектов КМ от 1 мм до 10 см., но энергетически оправдана благодаря достаточности небольшой серии лазерных импульсов разделенных по времени, и обеспечивающих вначале испарение части поверхности объекта КМ и образование плотного облака пара, а затем зажигание и поддержание горения оптического разряда в плазме пара и генерацию ударной волны, динамически воздействующей на КМ, и замедляющей его орбитальное движение на величину модуля скорости ΔV до 100 м/с.

Таким образом, облучаемый лазером малоразмерный объект КМ, находящийся на высоте 400 км над Землей уже менее чем через 1 час (см. Таблица и фиг. 3) переходит от орбитальной траектории к баллистической, и далее сгорает в плотных слоях атмосферы. Продукты горения, являясь центрами кристаллизации водяного пара, имеющегося в атмосфере, образуют дождевые облака, которые выпадают в виде осадков, и полностью очищают воздушную атмосферу Земли.

Положительный эффект технического предложения заключается в эффективности лазерного облучения фрагментов КМ и существенном сокращении их времени «жизни» (существования) на околоземной орбите.

Положительный эффект технического решения, также заключается в предлагаемой схеме двух выводов лазерного излучения и размещении телескопических отражателей системы в двух направлениях с управляемой кривизной зеркал (см. фиг. 1), способных обеспечивать, как расфокусирование (расширение) лазерного излучения для обнаружения объектов КМ на дальних расстояниях, так и фокусировать его на обнаруженные объекты КМ в следе, что позволяет увеличить область наблюдения, и повысить степень защиты носителя от нежелательных столкновений с КМ.

Следует отметить, что работа на удаление КМ в следе лазерной системы, когда направление перемещения лазерной системы сонаправлено с движением КМ, может быть особенно эффективной. В этой связи эффективность удаления также может быть повышена при размещении лазерной системы на управляемом космическом аппарате-уборщике, в зоне высокой концентрации КМ, или на более высоких орбитах, где орбитальные скорости объектов КМ не будут столь высоки. При этом, требования к мощности лазера и размерам телескопических отражателей могут быть существенно снижены.

Источники информации

1. Eichler et al. /1 Eichler P.D. Report No. R8840. Institut fur Weltraumtechnologie und Reaktortechnologie, Technical University of Braunschweig, Germany, (1988).

2. Johnson N.L., in "Orbital Debris from Upper-Stage Breakup", Ed. J.P. Loftus Jr., Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol.121 (1989), Ch. 2.

3. Пикалов P.C., Юдинцев B.B. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора // Труды МАИ. 2018. Выпуск №100.

4. Носов А.В. Проблема мусора на космической орбите: угрозы и проекты противодействия // Рецензируемый научный журнал «Тенденции развития науки и образования». Август 2019 г. №53, Часть 3. С. 33-37.

5. Campbell J.W. Project ORION: Orbital Debris Removal Using Ground-Based Sensors and Lasers. NASA Technical Memorandum 108522. Marshall Space Flight Center. Alabama. 1996.

6. Phipps C.R. L'ADROIT - A spacebome ultraviolet laser system for space debris clearing// Acta Astronautica 104 (2014) 243-255.].

7. Аполлонов B.B. Уничтожение космического мусора и объектов естественного происхождения лазерным излучением. Квантовая электроника, 43, №9 (2013)890-894.

8. Fang Y., Pan J., Luo Y., Li C.-W. Effects of deorbit evolution on space-based pulse laser irradiating centimeter-scale space debris in LEO // Acta Astronautica 165 (2019) 184-190.

9. Патент RU 2001109184. Синявский B.B., Юдицкий В.Д. Космический аппарат для очистки космического пространства от мелкого мусора. ОАО «РКК» Энергия» им. С.П. Королева. Подана 05.04.2001. Опубл. 20.05.2003.

10. Патент RU 2001109185 Юдицкий В.Д., Синявский В.В. Аппарат для очистки космического пространства от мусора. ОАО «РКК»Энергия» им.С.П.Королева. Подана 05.04.2001. Опубл. 20.05.2003.

11. Schall W.O. Orbital debris removal by laser radiation // Acta Astronautica, Volume 24,1991, Pages 343-351.

12. Soulard R., Quinn M.N., Tajima Т., Mourou G. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal // Acta Astronautica 105 (2014) 192-200.

13. Campbell J.W. Using Lasers in Space Laser Orbital Debris Removal and Asteroid Deflection. Colonel, USAFR, December 2000, Occasional Paper No. 20, Center for Strategy and Technology, Air War College, Air University Maxwell Air Force Base, Alabama, US.

Группа изобретений относится к космической технике и может быть использована для очистки околоземного космического пространства от засоряющих его частиц космического мусора (КМ). Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ включает обнаружение одиночного объекта КМ, определение его параметров, наведение и фокусировку лазерного излучения на объект КМ. Обнаружение объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, фокусировку на них лазерного излучения и воздействие лазерным излучением осуществляют, по крайней мере, в двух противоположных направлениях, как на объект КМ, летящий навстречу импульсной лазерной системе, так и летящий в ее следе. Осуществляют автоматический подбор режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта. Воздействие лазерным излучением на каждый объект осуществляют сериями импульсов. Обеспечивают зажигание и поддержание горения плазмы в облаке пара около поверхности КМ. Формируют в облаке пара область повышенного давления с ударной волной, способной изменить модуль скорости объекта КМ и сократить время его удаления с орбиты на Землю. Достигается повышение эффективности удаления КМ. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора, включающий обнаружение объекта космического мусора (КМ), подлежащего удалению с орбиты, определение его параметров, определение параметров наведения и фокусировки лазерного излучения на объект КМ и автоматический подбор определенного режима импульсного лазерного воздействия на объект КМ и собственно само воздействие, отличающийся тем, что обнаружение и фокусировку лазерного излучения на объекты КМ, подлежащие удалению с орбиты, осуществляют, по крайней мере, в двух противоположных направлениях, как на объект КМ, летящий навстречу импульсной лазерной системе, так и летящий в ее следе, затем автоматически обрабатывают параметры обнаруженных объектов КМ и подбирают оптимальный режим импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта КМ, при этом воздействие на каждый объект осуществляют сериями импульсов: вначале воздействуют лазерными импульсами определенной длительности τ_in с интенсивностью ниже порога образования плазмы с продолжительностью до момента формирования плотного облака пара на поверхности объекта КМ, затем воздействуют импульсами меньшей длительности, чем длительность первоначальных импульсов τ<<τ_in, с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, и обеспечивают передачу дополнительной лазерной энергии для поддержания горения плазмы в облаке пара, которая инициирует ударную волну и передает импульс давления на объект КМ и производит его торможение.

2. Импульсная лазерная система очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора, размещенная на космической платформе носителя, например МКС, и содержащая блок лазерного излучения, связанный с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения, блоком обнаружения, распознавания и регистрации параметров одиночных объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на обнаруженные объекты КМ, отличающаяся тем, что используют высокочастотный импульсно-периодический лазер, выполненный, по крайней мере, с двумя противоположно направленными друг относительно друга выводами лазерного излучения, связанный с блоком обнаружения объектов КМ, и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на объекты КМ, включающими, по крайней мере, два телескопических отражателя противоположно направленных друг относительно друга с зеркалами, установленными с возможностью изменения их кривизны, посредством связи с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения для изменения фокусировки направления волнового вектора лазерного излучения и подбора оптимального режима импульсного лазерного воздействия, соответствующего параметрам выбранного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты.