КОСМИЧЕСКИЙ МУСОРОСБОРЩИК Российский патент 2022 года по МПК B64G1/00 

Мусор в космосе - это любой искусственный объект на орбите вокруг Земли, который больше не выполняет свои функции. Например, ступени ракет-носителей и «умершие» спутники. 95% космических объектов являются мусором, что составляет - 8000 тонн [1,2]. Обломков более 1 см - 750 тысяч. Любое столкновение с мусором опасно для работающих космических устройств. В интернете большая информация о космическом мусоре, но нет эффективных средств его уничтожения.

Существующие способы борьбы с космическим мусором:

- при опасном сближении МКС с объектом космического мусора проводят маневрирование станции;

- для автономного поиска и обнаружения опасных объектов на высотах до 50 тыс. км по всей Земле расставлены оптико-электронные комплексы с телескопами;

- предполагается транспортировка объектов мусора на дальние стационарные орбиты (создавая проблемы в будущем) или в атмосферу Земли;

- уничтожение объекта взрывом или сжигание (испарение) лазерным лучом;

- измельчение мусора на орбите и утилизация его в топливо.

Все человечество активно осваивает космос с военной и научной целью и на это выделяются огромные средства, но мало желающих спонсировать уборку космического мусора. Заинтересовать спонсоров можно созданием многофункционального космического мусоросборщика с возможностью проведения на нем научно-исследовательских и спасательных работ (в частности, эвакуация космонавтов при аварии на МКС), а также для кратковременного посещения туристов. Такой аппарат может свободно перемещаться на другие орбиты, в отличие от МКС.

Некоторые фирмы России и других ведущих космических государств делают слабые попытки создания устройств уборки космического мусора. Британская компания SST разработала спутник - уборщик весом 100 кг, который отбрасывается от станции МКС на расстоянии 7 м и из него выбрасывается сеть для захвата мусора. Другой спутник для отлова обломков применяет гарпун, который может работать на расстоянии не более 1,5 м от спутника. После завершения операции спутник-уборщик развернет парус для входа в верхние слои атмосферы, после чего сгорит в ней [3]. Сколько же потребуется спалить спутников, а возможно и ракет, их доставивших, чтобы очистить космическое пространство?

Частные компании работают над спутниками « липучками» и электродинамическими ловушками для снижения скорости движения космического мусора [4]. Фирма «Роскосмос» разрабатывает проект космического уборщика, который может сдувать (испарять) космический мусор струей реактивного двигателя[5].

Институт прикладной физики РАН совместно с японскими специалистами планируют установить на МКС мощный лазер для отклонения траектории движения опасного объекта. Веками для мусора было достаточно веника и сейчас нужно изобрести что-то простое, но эффективное.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора, содержащий энергетическую установку, выполненную в виде термоэмиссионного реактора -преобразователя, систему обнаружения тел, подлежащих уничтожению, устройство генерации и направленной передачи энергии, выполненное виде лазера, снабженного системой охлаждения, и двигательную установку для маневрирования и коррекции орбиты [6]. На таком агрегате только золотые слитки в космосе отлавливать, - слишком дорогое удовольствие. Применение лазера ударного действия приведет к образованию более мелких обломков, как такая громадина будит их отлавливать?

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора с двигателем, способным перерабатывать обломки мусора в топливо, сначала измельчая их в порошок, посредством планетарной шаровой мельницы, который перетирается вольфрамовыми иглами и превращается в плазму [7]. Вызывает сомнение в способе превращения обломков в плазму, особенно - способ измельчения, ведь шары мельницы в космосе не имеют веса. И вообще, применение земных технологий и механизмом в космосе превращается в сложные проблемы.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора с двигателем, способным перерабатывать обломки в топливо [8.9]. Главным отличием от приведенного выше аналога является использование псевдожидкого топлива вместо плазмы.

Система утилизации космического мусора обеспечивает его переработку в порошок, который, смешиваясь с кислородом и водородом, образует псевдожидкое топливо для двигателей космического аппарата.

Аппарат включает ловушку для мусора, систему утилизации и систему поиска космического мусора.

Ловушка для космического мусора состоит из деформируемых куполообразной и конусообразной сетей, сходящихся - расходящихся друг относительно друга и связанных между собой тросами, которые затягиваются с помощью телескопического обруча куполообразной сети и телескопических балок конусообразной сети, образуя замкнутую полость.

Система утилизации использует двухвалковый измельчитель и барабанно-шаровую мельницу для получения мелкодисперского порошка, который, смешиваясь в резервуаре для топлива с кислородом и водородом, полученными из воды с использованием регенератора воды и мембранно- электродного блока, образует псевдожидкое топливо.

Замысел хороший и такие аппараты будут созданы на дальних планетах с целью получения топлива из местных пород. Проект прекрасный, но утопический. Как можно измельчать куски металла до мелкодисперсного порошка указанным земным оборудованием? Металл только режется или плавится. Шары мельницы в космосе невесомы. Мусор без принуждения под валки мельницы не полезет.... Как можно пыль подать в смеситель без пневмонагнетателя? Мелкодисперсная металлическая пыль, водород и кислород - вещества взрывоопасные, а в смеси - как бы аппарат не улетел на Луну! Проблема в уборке мусора, а вопрос о его утилизации как топлива - не стоит. До Земли всего 400 км, не проще ли доставить топливо оттуда? Мусорная пыль неоднородна, затруднительно ее использовать как реактивное топливо, - необходимы специальные научные исследования. Ракетный двигатель не топка паровоза, чтоб в нем сжигать мусор в каком то виде.

За неимением лучшего, примем данный аппарат за прототип. Выбор ракетного двигателя:

Космические аппараты и мусор движутся вокруг Земли приблизительно с одинаковой скоростью. Для отлавливания мусора требуются небольшие ускорения или « торможения аппарата. Для транспортировки мусора в атмосферу требуется повышенная мощность аппарата. Увеличить тягу можно сжигать больше топлива лили добиться более высокой скорости истечения струи раскаленных газов из сопла. Создано множество космических двигателей с различными технико-экономическими характеристиками и возможностями маневрировать, набирать скорость и тормозить: Ракетный двигатель RS-68, американский двигатель F1, советский РД-170. Эти двигатели предназначены, чтоб нести в космос сотни тон полезного груза. Они не для нашего аппарата.

Для коррекции орбиты космических аппаратов использовался с середины 60-х годов советский ракетный двигатель КДУ-414. Его длина составляет всего 70 см, и он дает тягу около 200 кг. Но он не гарантирует длительной и надежной работы, требуемой в нашем случае. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат» имеют долю отказов районе от одного до трех процентов. Для МУСОРОСБОРЩИКа такой показатель более чем приемлем. Однако ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному, они потребляют гигантские запасы горючего с окислителем [10]. Вблизи Земли, как в нашем случае, дозаправка горючего возможна и такие двигатели нам приемлемы.

Маломощные, но более экономичные и надежные, могущие работать в космосе годами являются ионные и плазменные установки, которые сегодня применяются на многих спутниках для их удержания на орбите. Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу. Для межпланетных полетов потребуются мощные ионные или плазменные двигатели с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Существуют проекты « солнечного» и « электрического» паруса и т.д. Но это не относится к проблеме уборки космического мусора. Наведение аппарата не объект осуществляется с Земли. При приближении к объекту управление передается через локатор - АСУ МУСОРОСБОРЩИКа блоку управления энергетического модуля.

Цель нашего изобретения: создание эффективного многофункционального аппарата для уборки космического мусора.

Указанная цель достигается тем, что аппарат кроме реактивного двигателя и энергетического модуля имеет жилой модуль со стыковочным модулем и шлюзовой камерой для входа/ выхода космонавтов, предназначенный для научных исследований и для спасения космонавтов МКС. МУСОРОСБОРЩИК состыкован с жилым модулем, его корпус облеплен электромагнитными ловушками для мелкого и среднего размера мусора; с торцовой части установлен полусферический щит покрытый пленкой с низким коэффициентом трения: при соприкосновении с ним крупного объекта мусора последний сползает к центру щита под действием кинетической энергии, где разрезается лазерами на более мелкие куски, которые притягиваются мощной электромагнитной ловушкой и проталкиваются для измельчения на роторы шредера. Далее измельченный мусор скребковым конвейером с желобом из электромагнитов подается в питатель, который засыпает мусор в квадратные желоба (или цилиндры), в которых мусор прессуется в брикеты определенной длины. При этом объем мусора уменьшается на 80%. Для повышения прочности брикеты спекаются в индукционной электрической печи при температуре 900 град. Затем брикетами заряжается (автоматически или роботом) пушка - электродинамический ускоритель массы с квадратным дулом - индийский вариант (если дуло круглое, то и брикеты должны быть цилиндрическими), и выстреливается в атмосферу Земли, где брикеты мусора сгорают. Если электромагнитная пушка, как обещают, разгонит снаряд до 10-12 км /с, то при выстреле с космического корабля скорость снаряда превысит вторую космическую и появится возможность отправлять мусорные брикеты в межпланетное пространство для вечного хранения.

Виды электромагнитных пушек:

1. Электродинамический ускоритель массы или рельсотрон плазменный.

Основными частями орудия являются мощный источник электропитания, электрокабели, различная аппаратура и сама пусковая установка. Пушка состоит из двух параллельных электродов (рельс), стянутых усилителями прочности, и электропроводящего объекта (снаряда), замыкающего электрическую цепь.

На рельсы подается мгновенный токовый импульс огромной мощности. Газ между электродами нагревается до нескольких тысяч градусов и превращается в плазму - вещество способное проводить ток.

Электромагнитное поле, воздействуя на плазму, разгоняет ее до огромной скорости (около 50 км/с) и превращает в так называемый «плазменный поршень». Плазменный поршень играет роль порохового заряда. Снаряд получает импульс от поршня и вылетает из ствола со скоростью в несколько километров в секунду.

В космосе нет ни газа, ни воздуха, данный рельсотрон нам неприемлем.

2. Рельсотрон на реактивной струе.

В данном случае используются снаряды, которые могут иметь примеси веществ, не проводящих электрический ток. Дуговой разряд, возникающий вследствие мощного токового импульса, ускоряет объект вдоль рельс. Задняя часть снаряда под действием разряда быстро испаряется, и образуется реактивная струя. Вот она-то и разгоняет снаряд до сверхвысоких скоростей. Вариант приемлемый. Оба варианта высокозатратные, но нашу проблему утилизации космического мусора решить могут. Ведется активно разработка рельсотрона и мощных источников питания. Уже рельсотроны стреляют, но положительного эффекта сравнимого с современными видами оружия не получено

3. Гаусс-пушка.

Разработанная немецким ученым пушка Гаусса представляет собой разновидность электромагнитного ускорителя масс. Пушка состоит из соленоида (катушки) с расположенным внутри него стволом из диэлектрического материала. Она заряжается снарядом из ферромагнетика. Чтобы заставить снаряд двигаться, на катушку подается электрический ток, создающий магнитное поле, благодаря которому снаряд втягивается в соленоид.

Идея создания электромагнитной пушки намного опередила свое время. Вначале минувшего века все ограничилось опытными образцами, показавшими к тому же очень скромные результаты. Так, французская модель едва сумела разогнать 50-граммовый снаряд до скорости 200 м/сек, что ни шло, ни в какое сравнение с действующими на тот момент обычными артиллерийскими системами. Ее российский аналог - магнитно-фугальная пушка и вовсе осталась в чертежах. И все же главный итог - воплощение идеи в реальное «железо», а подлинный успех был вопросом времени.

К сожалению, такое время пока не наступило. Правда, нам не соревноваться с ракетами, у нас обратная задача: уменьшить скорость брикета - снаряда до определенной величины, чтоб войти в атмосферу под определенным углом не врезаясь в Землю и не отскакивая от атмосферы в бескрайний космос. Поэтому мы готовы к новейшим свершениям в технике, и если реальных электромагнитных пушек не появится, то придется нашему кораблю-уборщику периодически перемещаться в атмосферу и там разгружаться как обычная машина.

МУСОРОСБОРЩИКу в космосе, так же, как МУСОРОСБОРЩИКу в городе, придется работать вечно. Все операции должны быть автоматизированы и роботизированы

Ремонтные работы оборудования и электроники должны производиться специальными роботами - ремонтниками, которые управляться должны бортовым компьютером и собственным интеллектом. «Закачивая» программы с Земли, можно робота обучать множеству профессий, и он станет мастером на все руки. В космосе нет верха и низа, поэтому роботу ноги не нужны. Нужны роботу лазерные или волновые маяки для ориентации внутри корабля. Предлагается роботу придать вид черепашки с четырьмя руками и пальцами как у японского робота - музыканта, с управляющей и следящей головкой на конце тельца, а брюшко и спинка робота - магнитные пластинки, выполняющие роль магнитного столика при монтаже и ремонте оборудования. Передвигаться он будет, как космонавт, - руками, цепляясь за выступы.

После наших усовершенствований аппарат превратился в полноценный космический корабль. Ему не экономично гоняться за отдельными крупными объектами мусора. Предлагается для этой цели иметь множество спутников с устройствами захвата крупных объектов мусора. Главной особенностью устройств является высокая приспособляемость к различным положением объектов. Устройство крепится к корпусу спутника, с возможностью поворота и состоит из монорельса, по которому перемещается манипулятор с телескопической штангой и электромагнитом с захватами на конце. Мусор переносится на магнитную площадку, находящуюся на корпусе спутника. При ее заполнении спутник подходит к полусферическому щиту космического аппарата и выгружает крупные объекты мусора, которые разрезаются лазерами и мощным электромагнитным полем втягиваются и подаются на шредер для измельчения. Работы по захвату крупных объектов мусора проводятся под управлением и наблюдением блока наблюдения и связи, который крепится на конце монорельса. Он имеет видеокамеры и радар для связи с бортовой управляющей системой и с наземной системой слежения.

На фиг. 1 представлен общий вид космического аппарата, где:

1 - ракетный двигатель, 2 - энергетический модуль, 3 - жилой модуль со стыковочным модулем - 4 и шлюзовой камерой для входа/ выхода космонавтов - 5; 6 - МУСОРОСБОРЩИК, 7 - электромагнитные ловушки - соленоиды, втягивающие мелкий и среднего размера мусора; 8 - полусферический щит, покрытый пленкой с низким коэффициентом трения; 9 - лазеры, разрезающие крупные объекты, 10 - мощный соленоид-ловушка для крупных кусков мусора, 11 - шредер для измельчения мусора.

На фиг. 2 представлена система утилизации космического мусора:

11 - шредер, 12 - скребковый конвейер с электромагнитным желобом, 14 - питатель, 15 - пресс форма, 16 - гидравлический пресс, 17 - индукционная электрическая печь, 18 - электромагнитная пушка, 19 - блок управления.

На фиг. 3 представлен спутник с устройством захвата крупных объектов мусора:

20 - корпус спутника, 21 - монорельс, 22 - манипулятор, 23 - телескопическая штанга, 24 - электромагнит с захватами, блок наблюдения и связи - 25.

На фиг. 4 представлен робот-ремонтник:

26 - корпус робота, 27 - электромагнитные щитки (спереди и сзади), 28 - две пары рук с управляемой ладонью - 29 и управляемыми пальцами - 30, 31 - головка наблюдения, управления и связи, 32 - локатор, 33 - дальномер, 34 - батарейный отсек, 35 - склад инструментов, 36 - зарядное устройство. Руки робота должны проворачиваться так, чтобы спереди и сзади работать аналогично или две спереди - две сзади смотря по обстановке. Аналогичные роботы должны быть созданы для выхода в космос и проведения там ремонтных, монтажных и демонтажных работ.

В нынешней ситуации, что не предложи - все новизна.

Аппарат для уборки космического мусора включает: МУСОРОСБОРЩИК, ракетный двигатель, энергетический модуль, жилой модуль со стыковочным модулем и шлюзовой камерой для входа/выхода космонавтов и систему утилизации космического мусора. Имеется 4 существенные отличия от существующих устройств и аппаратов:

1. МУСОРОСБОРЩИК, боковая поверхность которого покрыта множеством электромагнитных ловушек - соленоидов, с торца находится оградительный полусферический щит, покрытый пленкой с малым коэффициентом трения, под щитом находятся лазеры, разрезающие крупногабаритные объекты мусора на куски, которые захватываются мощным электромагнитным полем соленоида, расположенного в центре щита, и подаются на роторы шредера.

2. Система утилизации космического мусора состоит из шредера, скребкового конвейера с электромагнитным желобом, питателя, пресс формы, гидравлического пресса, индукционную электрическую печь, электромагнитную пушку и блок управления.

3. МУСОРОСБОРЩИК имеет множество спутников-доставщиков, каждый из которых состыкован с устройством захвата крупных объектов мусора, состоящее из монорельса по которому перемещается манипулятор с телескопической штангой, на конце которой расположен электромагнит с механическими захватами.

4. В модулях аппарата (корабля) ремонтные работы выполняются роботами, каждый из которых имеет корпус схожий с телом черепашки, покрытый спереди и сзади электромагнитными щитками, две пары рук с управляемой ладонью и пальцами, головку наблюдения, управления и связи, локатор, дальномер, батарейный отсек, зарядное устройство., склад инструментов. Наличие жилого модуля со стыковочным модулем и шлюзовой камерой для входа/выхода космонавтов, превращают аппарат в многофункциональный космический корабль, что позволяет кроме уборки мусора проводить научные исследования и работы по спасению экипажа МКС в чрезвычайных ситуация и при авариях космического корабля, выходящего на околоземную орбиту.

Ход работ

В автоматическом автономном режиме аппарат движется по спирали, захватывая электромагнитными ловушками мелкий и среднего размера мусор. Одновременно множество спутников, снабженных устройствами захвата и направляемые станциями наблюдения с Земли, отлавливают крупногабаритные объекты мусора и поставляют их для утилизации на МУСОРОСБОРЩИК, где они разрезаются лазерами, измельчаются роторами шредера. Измельченная масса по технологии, близкой к земной, но с учетом невесомости, прессуется в брикеты, которыми заряжается электромагнитная пушка, с помощью которой снаряды-брикеты доставляются в атмосферу Земли, где сгорают или в глубокий космос для вечного хранения. Аппарат и мусор летят приблизительно с равной скоростью и в одном направлении. Иногда аппарат ускоряется или затормаживается вблизи скопления мусора, что не требует больших затрат энергии. Такой полет может длиться годами.

Имея жилой модуль аппарат (космический корабль) может принимать космонавтов для проведения научных исследований. В их интересах он может приближаться к Земле или выйти на стационарную орбиту для длительных наблюдений за участком суши или океана, может явиться незаменимым средством изучения экологических проблем и наблюдения миграции животных и птиц.

Аппарат, имея жилой модуль со стыковочным модулем и шлюзовой камерой, может быть спасительным средством при авариях на МКС. Аппарат способен пристыковаться к МКС, оказать техническую помощь или забрать экипаж.

Хочется надеяться, что аппарат может применяться и при спасении космонавтов, при выходе ракеты на орбиту.

[1] //NASA Technical Reports Server (NTRS).

[2] C.C. Вениаминов, A.M. Червонов, Комический мусор - угроза человечеству.

М: ИКИ РАН, 2012, ISSN 2075-6836.

[3] //habr.com/ru/post/414989/.

[4] //scienceandtech..ru/artieles/musor-v-kosmose/.

[5] yandex/ru/efir, 2016.

[6] RU 2040448 C1 1995.07.25.

[7] //arxiv.org/abc/1511.07246 Лей и др. Сборщик космического мусора: потенциальный охотник за космическим мусором, 2015.

[8] pikabu.ru/story / v_rossii_razrabotali_kompleks_musora_v_kosmose_6643670.

{9] //bnkomi.ru/data/news/93089.

[10] nauka.tass/ru/tech/6820950.

Изобретение относится к космическим кораблям (КК) со средствами удаления и утилизации космического мусора (КМ). КК содержит ракетный двигатель (1), энергетический (2), жилой (3) и стыковочный (4) модули, шлюзовую камеру (5) для входа/выхода космонавтов и мусоросборщик (6). На поверхности последнего размещены электромагнитные ловушки (7) для мелких и средних фрагментов КМ. Спереди установлены покрытый антифрикционной пленкой щит (8), мощный соленоид-ловушка (10) для крупных объектов КМ и лазеры (9) для разрезания этих объектов. За щитом размещен роторный шредер (11) для измельчения КМ. Такой КМ может спрессовываться (со спеканием) в брикеты и ускоряться рельсотроном для входа в атмосферу или удаления в область захоронения. КК может быть дополнен спутниками - доставщиками крупных объектов КМ. На борту КК космонавты могут проводить научные исследования и наблюдения планеты. Технический результат состоит в создании эффективного многофункционального аппарата для уборки и утилизации КМ. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аппарат для уборки космического мусора, включающий мусоросборщик, ракетный двигатель, энергетический модуль, жилой модуль со стыковочным модулем и шлюзовой камерой для входа/выхода космонавтов и систему утилизации космического мусора, отличающийся тем, что на боковой поверхности мусоросборщика размещено множество электромагнитных ловушек-соленоидов, с торца расположен оградительный полусферический щит, покрытый пленкой с малым коэффициентом трения, под щитом находятся лазеры для разрезания крупногабаритных объектов мусора, захватываемых электромагнитным полем соленоида, который расположен в центре щита, и подаваемых после разрезания на роторы шредера.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая система утилизации космического мусора состоит из шредера, скребкового конвейера с электромагнитным желобом, питателя, пресс формы, гидравлического пресса, индукционной электрической печи, электромагнитной пушки и блока управления.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что мусоросборщик имеет множество спутников-доставщиков, каждый из которых состыкован с устройством захвата крупных объектов мусора, состоящим из монорельса, по которому перемещается манипулятор с телескопической штангой, на конце которой расположен электромагнит с механическими захватами.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что снабжен роботами для выполнения в модулях аппарата ремонтных работ, каждый из которых имеет корпус, подобный телу черепашки, покрытый спереди и сзади электромагнитными щитками, две пары рук с управляемой ладонью и пальцами, блок наблюдения, управления и связи, локатор, дальномер, батарейный отсек, склад инструментов и зарядное устройство.