СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПОСРЕДСТВОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Российский патент 2022 года по МПК B64G99/00 

Настоящее изобретение относится к космической отрасли и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) с целью предотвращения засорения космического пространства при окончании срока активного существования.

В 1993 году по инициативе Российской Федерации на уровне национальных космических агентств был создан Межагентский координационный комитет по космическому мусору (МККМ, Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC)), изначально включавший в себя делегатов от Российской Федерации, NASA (США), ESA (Европа) и JAXA (Япония). В дальнейшем к составу участников Комитета присоединились национальные космические агентства Китая, Франции, Великобритании, Индии, Германии, Италии, Украины, Канады и Южной Кореи. В документации, выпускаемой МККМ, принято следующее определение: «Космический мусор (КМ) - это все искусственные (техногенные) объекты, включая фрагменты и элементы, находящиеся на околоземной орбите или возвращающиеся в атмосферу, не функционирующие по целевому назначению».

По информации отдела по космическому мусору Европейского Космического Агентства (ESA's Space Debris Office) размер объектов космического мусора, которые находятся на околоземной орбите, достаточно широко варьируется: от микрочастиц до не функционирующих космических аппаратов размером с автобус. То же самое можно сказать и о массе данного мусора. Большие объекты могут весить около 6 и более тонн, в то время как вес малых частиц составляет всего несколько граммов. Все эти объекты перемещаются в космосе на разных орбитах и с разными скоростями: от 10 тыс.км/ч до 25 тыс.км/ч. В случае столкновения таких частей космического мусора друг с другом или с каким-либо спутником, движущимися в противоположных направлениях, их относительная скорость встречи может достигать 50 тыс.км/ч. На круговой орбите высотой до 200 км время дрейфа КМ равно нескольким дням, на орбите высотой 600 км - 25 - 30 годам, на орбитах высотой 1000 км - двум тысячелетиям, а на орбитах более 2000 км КМ будет находиться практически вечно.

"Конвенция о международной ответственности за ущерб, причиненный космическими объектами" устанавливает, что кто бы не осуществил запуск объекта в космос, он несет ответственность за любой ущерб, причиненный объектом, как в космосе, так и на Земле. МККМ установил, что в конце миссии КА должен совершить маневр, чтобы не допустить помех другим орбитальным КА, а в случае низкоорбитальных искусственных спутников их возврат в атмосферу должен быть гарантирован в течение 25 лет с окончания срока их службы.

На данный момент весьма актуальной является проблема засоренности околоземного космического пространства (ОКП), заключающаяся в том, что неуправляемые искусственные объекты на околоземных орбитах являются источником опасности вероятного столкновения с КА, функционирующими по целевому назначению, которое может привести к повреждению или выходу рабочего КА из строя. В связи с активным использованием ОКП человечеством, с каждым годом растет степень техногенного загрязнения орбит эксплуатации КА, что будет способствовать увеличению столкновений. Кроме того, существует угроза неуправляемого схода с орбиты крупногабаритных космических объектов, что может привести к значительному ущербу на поверхности Земли.

На текущий момент основные требования к проектированию КА сводятся к предупреждению образования мусора в ходе операций на орбите:

- ограничение высвобождения мусора при штатных операциях с КА на орбите;

- сведение к минимуму возможности разрушений КА на орбите;

- увод КА с целевой орбиты после завершения программы полета.

Необходимо избегать преднамеренного разрушения КА (самоликвидации, умышленного столкновения и т.д.) и других действий, которые могут значительно повысить опасность столкновений для других КА. Преднамеренное разрушение должно производиться на достаточно низкой высоте с тем, чтобы сократить время существования фрагментов КА на орбите. Программа полета КА завершается после прекращения штатного функционирования из-за его отказа или невозможности целевого использования. Статистика отказов КА показывает, что выводимый из штатного функционирования КА во многих случаях становится неуправляемым, т.е. его организованный увод не представляется возможным. Таким образом, опасность разрушения КА на орбите может быть исключена, если в процессе его проектирования будет проведен анализ возможных отказов, ведущих к самопроизвольному разрушению, с разработкой и реализацией мероприятий по снижению вероятности их появления.

В данном способе утилизации КА предлагается использовать слабое сопротивление следов атмосферы для торможения посредством искусственного плазменного образования (ИПО) большого диаметра, окружающего и взаимодействующего с элементами конструкции КА, возникающими электромагнитными силами. Увеличение аэродинамического сопротивления ИПО совместно с утилизируемым КА, обеспечивается с помощью запускаемого с КА генератора ИПО, создающего газопылевое заполнение пустот между элементами конструкции КА и окружающим КА пространством. Воздействие аэродинамических сил следов атмосферы, вследствие их малости, приводит к снижению КА, отработавшего свой срок на орбите функционирования высотой 800 км, только через ~300 лет. При увеличении миделева сечения этого составного ИПО с окруженным газопылевой плазменной средой КА на два порядка с упрочненными связями объектов среды друг с другом, время утилизации ориентировочно составит несколько месяцев.

Известно, что плазма - это неструктурированная квазинейтральная среда, состоящая из большого числа заряженных частиц с коллективной динамикой. Главным отличием плазмы от нейтрального газа является свойство амбиполярной диффузии, т.е. наличие постоянной электромагнитной связи частиц, обладающих зарядом. Вследствие чего при попытке добавления или изъятия частиц облака плазмы обязательно возникнут противодействующие силы, что, в свою очередь, приведет к изменению динамики всего облака плазмы. Поэтому плазму считают четвертой фазой вещества, обладающей новыми свойствами. Для не ионизованного газа характерны тепловые движения нейтральных частиц (атомов, молекул, кластеров, пылеобразных частиц вещества и т.д.), представляющие совокупность прямых отрезков (броуновское движение), а для движения заряженных частиц плазмы присущи законы электромагнитного взаимодействия, в результате чего возникают силы, которые искривляют траектории частиц.

Степень ионизации плазмы - это отношение числа ионов к первоначальному числу атомов, которое варьируется в зависимости от факторов, характеризующих плазменную среду (процесс ионизации, температура), и от скорости ее рекомбинации (воссоединение противоположно заряженных частиц и образование нейтральных атомов). Полностью ионизированная плазма, состоящая только из свободных атомных ядер и электронов, является редко встречающимся явлением, так как в реальных условиях в ней имеется некоторая часть нейтральных частиц. В плазме, имеющейся в ионосфере Земли, заряженные частицы составляют малую долю. Для удержания плазменной среды, окружающей объекты КМ, при полете в условиях наличия аэродинамического обдува следами земной атмосферы, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электростатического поля разноименных зарядов: отрицательного - на поверхностях твердых тел и положительного - в объеме окружающей эти тела плазмы.

С этой целью используются физические процессы, протекающие в газоплазменных образованиях при наличии в них пыли, которые формируют явления повышенного силового взаимодействия твердых пылевых частиц с газоплазменной средой. Усиление кулоновского притяжения частиц друг к другу сопряжено с образованием высоких электрических потенциалов на поверхностях пылинок по сравнению с потенциалами элементарных частиц в газоплазменной области. Конденсация электронной компоненты плазмы приводит к заряжению пылинок, величиной, равной нескольким тысячам зарядов электронов. Напомним, что такая селекция обусловлена преимущественной конденсацией на поверхностях твердой пыли легкой, а значит быстро движущейся электронной компоненты плазмы, по сравнению с потоком тяжелых, то есть, медленных положительных ионов.

Создание и сохранение электрически «вязкой» среды необходимо для повышения устойчивости нового ИПО, состоящего из газопылевого заполнения пустот между элементами КА, завершающим срок активного существования (т.е. КМ), а также заполнения окружающего КМ пространства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является совершенствование конструкции КА для утилизации при окончании срока активного существования посредством аэродинамического торможения «следами атмосферы Земли».

Поставленная задача решается за счет того что способ утилизации КА посредством аэродинамического действия атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета, затем посредством генератора ИПО создают газопылевую среду, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом, возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. При этом КА может иметь запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения. Для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.

При проведении анализа результатов патентно-информационного поиска наличие идентичных результатов интеллектуальной деятельности с предложенной совокупностью признаков изобретения не выявлено.

Техническими результатами являются:

- сокращение времени дрейфа (баллистического полета после окончания срока активного существования) КА на орбите ОКП;

- термическая утилизация в плотных слоях атмосферы.

Сущность изобретения поясняется структурно-функциональной схемой (фиг. 1) формирования ИПО при утилизации КА, отработавшего свой срок функционирования.

1 - функционирование КА по назначению (движется по рабочей орбите); 2 - КА закончил работу по целевому назначению, с помощью двигательных блоков закручивается вокруг своей оси и создает центробежные силы на элементы конструкции; 3 - элементы конструкции КА разделяются и под действием центробежных сил распределяются на удалении друг от друга, удерживаются в новом положении с помощью подпружиненных тросов, начинает работать генератор ИПО, аэродинамическое сопротивление системы увеличивается; 4 - КА продолжает снижение, вся система полностью находится в облаке газопылевой среды, конструкционные элементы КА зарядились отрицательно, в результате чего в газопылевой плазменной среде образовался положительный объемный заряд, кулоновские силы притяжения удерживают сформировавшуюся структуру ИПО; 5 - аэродинамическое действие атмосферы Земли; 6 - направление баллистического полета.

Способ утилизации космических аппаратов посредством аэродинамического действия 5 атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение 2, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию 3 с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета 6, затем посредством генератора ИПО создают газопылевую среду 4, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды 4 с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. При этом КА может иметь запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения 2. Для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.

Предлагаемый способ утилизации КА может получить широкое внедрение в практическую космонавтику, однако для его реализации необходимо предусмотреть требующиеся особенности конструкции уже на ранней стадии проектирования. К указанным особенностям относятся следующие разработки:

1. Устройства расчленения конструкции КА, отработавшего заданный ресурс активного функционирования и превратившегося в космический мусор. Такое препарирование аппарата осуществляется для последующего формирования ИПО, площадь миделевого сечения которого F_мИПО на порядки превосходит площадь миделевого сечения собранного космического аппарата F_мКА. Формирование ИПО осуществляется за счет препарирования КА с рассредоточением пространственного размещения его элементов в большем объеме и последующего погружения измененной конструкции в газопылевую плазменную среду, эжектированную генератором, специально для этого предусмотренным в составе бортовых систем КА. Известно, что в газопылевой плазменной среде при окружении ею твердых элементов КА формируется процесс преимущественной конденсации на их поверхностях быстрой электронной компоненты плазмы, заряжая эти элементы отрицательным зарядом. Этот процесс, в свою очередь, приводит к дефициту электронов в плазменном окружении и образованию здесь положительного объемного потенциала. Сформированное кулоновское взаимодействие между противоположно заряженными объектами ИПО приводит к их «сцеплению», передающему тормозящее действие аэродинамического сопротивления следов земной атмосферы от газопылевой плазменной среды к элементам космического мусора, представляющих собой «узлы срастания» космического мусора с газоплазменной средой ИПО. Препарирование и последующее рассредоточение объектов конструкции позволяет создать более равномерное расположение по объему ИПО «узлов срастания» с целью повышения несущей способности совокупности ингредиентов ИПО. Это проявляется в эффективной передаче тормозящего действия силы аэродинамического сопротивления разреженной атмосферы Земли на фрагменты космического мусора. Интенсификация процесса торможения космического мусора приведет к ускоренному снижению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, в которых произойдет его утилизация.

2. Сохранение новой распределенной в пространстве структуры элементов КА осуществляется с помощью использования гибких, например, тросовых, связей между ними и придания полученной конструкции вращательного движения. Принудительное вращательное движение может осуществляться с помощью системы управления движением КА за счет топливных компонентов, запасенных для проведения самоутилизации. При необходимости для этой цели может использоваться энергия лазерных устройств наземного или космического базирования. Срок баллистического существования ИПО, окружившего КА-мусор, будет значительно сокращен вследствие увеличения интегральной силы аэродинамического сопротивления следов атмосферы, действующих на пропорционально увеличившуюся площадь миделевого сечения плазменного образования, транспортирующего в своем составе препарированный КА-мусор. Другими словами, при проектировании предусматривается возможность дополнительного многократного увеличения площади миделевого сечения объекта F_мИПО, получаемая вследствие создания раскрывающейся конструкции под принудительным действием пиротехнических устройств и центробежных сил вращательного движения. Указанные действия приводят к запрограммированному разрыву первоначальных крепежных соединений и рассредоточению конструктивных элементов КА в пространстве. Крайним случаем такой трансформации может явиться расчленение конструкции на отдельные элементы, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную объемную или плоскую фигуру с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению полета.

3. Для заполнения пустот между отдельными элементами разделившейся конструкции КА плазменной средой, повышающей эффективность аэродинамического торможения вследствие увеличения диаметра утилизируемого объекта, в конструкции аппарата предусмотрено наличие генератора ИПО, который создает газопылевую среду, заполняющую пустоты и, кроме того, увеличивающую диаметр искусственного образования за счет окружения рассредоточенной утилизируемой конструкции снаружи. Подвергаясь ионизации под воздействием радиации космического пространства, указанное плазменное образование осуществляет «сращивание» газопылевого окружения с элементами конструкции вследствие генерации между ними электростатических притяжений. Силы электростатических взаимодействий искусственного плазменного образования и элементов космического мусора прямо пропорционально зависят от степени ионизации газопылевой среды. С целью максимизации ионизационных процессов в состав генерируемой среды вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Известны следующие типы генераторов ИПО: газодинамические, пиротехнические и взрывные. В газодинамических генераторах осуществляется выброс направленными потоками сжатого газа диспергированных частиц, осуществляемый с минимальными скоростями их разлета и с требуемым распределением концентрации. Недостатком формирования ИПО указанного типа является необходимость предварительного диспергирования частиц, что ограничивает возможности уменьшения их размеров менее единиц-долей микрона. В пиротехнических генераторах используются металлотермические реакции, обеспечивающие не взрывное, но быстрое горение смеси. Известны способы эжектирования в космос таких элементов, как Li, Ba, Na, Cs при использовании их в качестве наполнителей или компонентов термитных смесей. Недостатком пиротехнического генератора является возможность использования лишь химически активных реагентов. Во взрывных генераторах диспергация и инжекция газоплазменной среды осуществляется за счет энергии взрыва. Взрывной генератор конструктивно состоит из заряда, детонатора и вкладыша инжектируемого вещества специальной формы. Здесь существует проблема снижения скорости разлета инжектируемой среды, которая может осуществляться с помощью наполнения образующейся смеси инертными газами.

Заключение. Особенностями самоутилизирующегося КА, отработавшего срок своего активного функционирования (КА-мусора), являются наличие в нем трансформирующихся конструкций элементов корпуса и бортовых систем. Трансформирующиеся конструкции разработаны на стадии проектирования с целью значительного увеличения совокупного миделевого сечения вновь образованной новой, рассредоточенной в большем объеме конструктивной формы твердого космического мусора. На основе полученной конструкции космического мусора осуществляется формирование искусственного плазменного образования, состоящего из легкоионизирующейся газопылевой среды, инжектируемой предусмотренным при проектировании КА генератором, и твердого космического мусора. Для сохранения в пространстве и во времени максимальной площади совокупного миделя такого искусственного образования с целью форсирования аэродинамического торможения и сокращения времени его баллистического полета ИПО приводится во вращательное движение.

Наличие генератора, создающего газопылевую среду как важного ингредиента ИПО, обеспечивает заполнение пустот между твердыми элементами космического мусора и, кроме того, позволяет увеличить диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, а значит дополнительно увеличить площадь миделевого сечения системы. Подвергаясь термической ионизации при работе генератора ИПО и, в дальнейшем, находясь под ионизационным воздействием радиации космического пространства, указанная плазменная среда осуществляет «сращивание» газопылевого окружения с элементами конструкции вследствие генерации между ними притягивающих электростатических взаимодействий. Для повышения концентрации плазмы, способствующей удержанию облака в контакте с объектами КМ, в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Поддержание веществ облака в ионизированном состоянии, может осуществляться также воздействием на него лучом ультрафиолетового лазера, размещенного на Земле или в космосе, например, на сопровождающем ИПО сервисном КА.

Таким образом, торможение КМ и утилизация его в плотных слоях атмосферы осуществляется за счет слабых аэродинамических сил остатков земной атмосферы, интегральное действие которых увеличивается развитием площади миделевого сечения совокупного ИПО, включающего в свой состав КМ.

Срок пребывания неиспользуемых объектов на орбите может быть сокращен со столетий до нескольких месяцев.

Изобретение относится к космической отрасли и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) с целью предотвращения засорения космического пространства при окончании срока активного существования. Способ утилизации КА посредством аэродинамического действия атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение. Затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета. Затем посредством генератора искусственного плазменного образования (ИПО) создают газопылевую среду, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи. При этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды с элементами конструкции. Сокращается время баллистического полета после окончания срока активного существования КА на орбите околоземного космического пространства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ утилизации космических аппаратов (КА) посредством аэродинамического действия атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета, затем посредством генератора искусственного плазменного образования (ИПО) создают газопылевую среду, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом, возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что КА имеет запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.