СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Российский патент 2023 года по МПК B64G99/00 

Настоящее изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства от техногенного загрязнения, в том числе от фрагментов и обломков космических аппаратов (КА).

Проблема космического мусора затрагивает задачи вывода КА на орбиту и его орбитального функционирования, так как столкновение даже с сантиметровым фрагментом может привести к поражению ракеты-носителя или к выходу из строя КА. Под космическим мусором понимают:

- объекты искусственного происхождения, запущенные в околоземное космическое пространство в качестве полезной нагрузки, которые аварийно вышли из строя или выработали свой ресурс и прекратили функционирование;

- фрагменты ракет космического назначения, отделившиеся при выведении, раскрытии или в результате столкновений (иногда взрывов) на орбите, и совершающие автономное или коллективное неуправляемое движение;

- управляемые космические объекты, способные нанести вред.

Заявляемое изобретение относится к способу увода космического мусора с очищаемой орбиты для последующего сгорания в плотных слоях атмосферы Земли за счет использования плазменного образования, искусственно создаваемого вокруг облака осколков космического мусора с помощью генератора искусственного плазменного образования, запускаемого с сервисного космического аппарата или космического аппарата, спроектированного с учетом его самоутилизации по окончании срока его активного существования. После «окружения» космического мусора мелкодисперсным плазменным образованием, сформированным с помощью запускаемого с КА генератора искусственного плазменного образования, начинают протекать процессы формирования отрицательных зарядов на поверхностях твердых элементов космического мусора и положительного объемного заряда в газопылевом окружении. Процесс заряжения космического мусора отрицательным зарядом обусловлен значительно большей скоростью теплового движения в плазменной среде электронов, обусловливающей более интенсивную их конденсацию на поверхностях твердых фрагментов космического мусора, по сравнению со скоростью других - более тяжелых частиц плазмы (ионов и пылевых частиц). Соответственно в объеме газопылевой плазмы из-за потери вследствие указанной конденсации электронной компоненты появится положительный пространственный заряд. Кулоновские взаимодействия положительно заряженной атмосферы с отрицательно заряженными объектами твердого мусора приведут к прекращению интегрального перемещения указанных ингредиентов (газопылевой плазменной атмосферы и фрагментов космического мусора) искусственного образования относительно друг друга. Таким образом, осуществляется формирование у космического мусора облака собственной внешней атмосферы (СВА) с повышенной плотностью по сравнению с плотностью среды, окружавшей космический мусор до срабатывания генератора искусственного плазменного образования. Электрические взаимодействия обусловливают дальнейший совместный орбитальный полет нового объекта, получившего название искусственного плазменного образования (ИПО), состоящего из газопылевой атмосферы и твердых фрагментов космического мусора. Размеры и форма ИПО зависят от напряженности электростатического поля в объеме атмосферы, что, в свою очередь, является функцией степени ионизации плазмы, окружающей космический мусор. Изменяя степень ионизации можно осуществлять управление массогабаритными параметрами ИПО, площадь миделевого сечения которого на порядки превосходит сумму площадей миделевых сечений осколков космического мусора. При этом тормозящее действие сил аэродинамического сопротивления следов атмосферы Земли, также увеличивается на порядки. Интенсификация процесса торможения космического мусора в составе ИПО приводит к ускоренному снижению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, в которых произойдет его сгорание.

Таким образом, торможение космического мусора и последующее сгорание его в плотных слоях атмосферы осуществляется за счет слабых аэродинамических сил остатков земной атмосферы, интегральное действие которых увеличивается развитием площади миделевого сечения искусственного плазменного образования, включающего в свой состав космический мусор.

Известен способ утилизации космического мусора аэродинамическим действием атмосферы Земли (см. патент РФ на изобретение №2773991 «Способ очистки орбит от космического мусора остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли», опубл. 14.06.2022 Бюл. №17), согласно которому для утилизации космического мусора за счет его торможения с целью перевода объектов космического мусора на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере используют искусственное плазменное образование большого диаметра, наполняющего и окружающего облако с объектами космического мусора. Создание ИПО обеспечивается с помощью запускаемого с сервисного КА генератора искусственного плазменного образования с легкоионизируемыми щелочными и щелочноземельными веществами. По технической сущности известный способ утилизации космического мусора является наиболее близким к заявляемому изобретению и поэтому принят за прототип. Причем в известном способе утилизации космического мусора ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивают воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения, генерируемого лазерной установкой. Таким образом, использование сопровождения ИПО сервисным космическим аппаратом требует больших материальных затрат, что в условиях экономического кризиса является критичным.

Необходимость исключения операции сопровождения плазменного облака, транспортирующего КМ с целью значительного повышения производительности орбитального функционирования космического аппарата предопределила разработку способа утилизации КМ с самоионизирующимся ИПО, в котором исключены операции сопровождения его баллистического перелета к плотным слоям земной атмосферы.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности утилизации КМ с помощью самоионизирующихся искусственных плазменных образований.

Получение технического результата обеспечивается тем, что в способе утилизации космического мусора аэродинамическим действием атмосферы Земли с помощью самоионизирующихся искусственных плазменных образований, созданных посредством генератора искусственного плазменного образования, запускаемого с космического аппарата, причем в состав искусственного плазменного образования введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества, согласно заявляемому изобретению в состав искусственного плазменного образования генератора добавляют пылеобразные радионуклиды, спонтанно излучающие потоки нейтронов и гамма квантов, радиационно стабильный природный уран-238, превращающийся под действием нейтронов в спонтанно делящийся плутоний-239, и содержащие водород вещества с целью усиления реакции превращения урана-238 в плутоний-239.

Заявляемое техническое решение, сохраняя преимущества прототипа, всей совокупностью своих существенных признаков позволит обеспечить повышение эффективности утилизации КМ с помощью самоионизирующихся искусственных плазменных образований, обусловленное усилением электростатического взаимодействия ингредиентов ИПО (газопылевой среды и объектов КМ) за счет использования дополнительно к космическому ионизирующему излучению воздействия искусственно созданной радиации генераторной среды. Способом такого форсирования процессов ионизации в создаваемом искусственном плазменном образовании является добавление к генераторным средам пылевых присадок радиоактивных веществ, излучающих сильно ионизирующие нейтронные и электромагнитные потоки, а именно, пылеобразных радионуклидов, спонтанно излучающих потоки нейтронов и гамма квантов, и радиационно стабильный природный уран-238, превращающийся под действием нейтронов в спонтанно делящийся плутоний-239. Используется их свойство без всякого вмешательства со стороны непрерывно и самопроизвольно (спонтанно без возбуждения какими-либо частицами) испускать нейтроны и жесткое электромагнитное излучение (гамма-излучение), являющиеся сильными ионизаторами среды в окружающем пространстве. При входе в плотные слои земной атмосферы происходит мощное термическое воздействие, при котором измельченные радиоактивные вещества превращаются в пар и рассеиваются на большие площади, незначительно (не критично) повышая природный радиационный фон.

С целью повышения эффективности нейтронов при возбуждении ими химических и ядерных превращений в среде ИПО необходимо предусмотреть использование в генераторном наполнении присадок химических соединений, содержащих водород, например, тяжелой воды. Ядро атома водорода состоит из одного протона, масса которого приблизительно равна массе нейтрона. Поэтому при взаимодействии с налетающим быстрым нейтроном осуществляется эффективный энергообмен, приводящий к замедлению нейтрона и, как следствие, к значительному увеличению вероятности его захвата другими встречающимися ядрами. Захваты нейтронов способствуют образованию радионуклидов всех веществ, которые, в свою очередь, испускают ионизирующие радиационные излучения, проводящие к заметному увеличению концентрации заряженных частиц в ИПО.

Создание условий для осуществления замедления нейтронной компоненты ИПО позволяет использовать в его объеме процесс формирования реакции превращения стабильного природного урана-238 в спонтанно излучающий радиацию плутоний-239 (так называемый «оружейный плутоний»). Организация такого процесса позволяет получать радиоактивное вещество в ИПО на протяжении всего периода его баллистического полета к плотным слоям земной атмосферы. С целью осуществления указанного превращения в состав генераторных газопылевых веществ в виде мелкодисперсной присадки должен быть добавлен природный уран-238. Наличие в составе ИПО водородсодержащего замедлителя нейтронов позволяет усилить интенсивность протекания такой ядерной реакции.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 показана структурно-функциональная схема утилизации КМ с помощью самоионизирующегося искусственного плазменного образования, где

1 - группа объектов космического мусора (облако КМ), 2 - направленный поток мелкодисперсного облака из генератора ИПО, 3 - самоионизирующееся искусственное плазменное образование, 4 - сход облака с орбиты, 5 и 6 - интенсифицирующееся аэродинамическое торможение ИПО атмосферой Земли, 7 - область утилизации ИПО в плотных слоях атмосферы Земли, 8 - орбиты движения ИПО и космического аппарата, 9 - направления движений ИПО и космического аппарата, 10 - аэродинамическое действие атмосферы Земли.

На фиг. 2 показана схема генератора ИПО и изображены радоационно-ионизирующие процессы в среде газопылевого наполнения.

Заявляемый способ утилизации космического мусора аэродинамическим действием атмосферы Земли реализуется следующим образом.

Специальное устройство револьверного или обоймного типа, установленное на корпусе сервисного КА с ядерной энергетической установкой (см. фиг. 1), отстреливает газодинамический генератор ИПО в направлении группы объектов космического мусора (1). При подлете к скоплению фрагментов КМ генератор выпускает направленное мелкодисперсное облако (2), в результате чего формируется ИПО, состоящее из совокупности макроскопических и микроскопических ингредиентов, прочно «связанных» друг с другом кулоновскими силами. При действии сил аэродинамического сопротивления остаточной земной атмосферы указанное плазменное образование не разделяется на отдельные фрагменты. Таким образом, слияние мелкодисперсного образования с облаком космического мусора, формирует искусственное плазменное образование, сохраняющее свою структуру, имеющую новую чрезвычайно важную характеристику - его миделевое сечение на несколько порядков превосходит сумму миделевых сечений отдельных объектов КМ. Это приводит к пропорциональному повышению аэродинамической силы торможения ИПО, а значит к существенному сокращению времени его баллистического полета в околоземном пространстве. Для удержания СВА в окружении объектов КМ (3) при движении по орбите в условиях аэродинамического воздействия следов остаточной атмосферы Земли необходимо обеспечить достаточную напряженность электростатического поля разноименных зарядов: отрицательного - на поверхностях твердых тел и положительного - в объеме окружающей их газопылевой плазмы. Сохранение созданной атмосферы является необходимым условием для стабильного поддержания миделевого сечения ИПО большой площади, обеспечивающего интенсивное аэродинамическое торможение плазменного образования (5) с последующей его термической утилизацией в плотных слоях земной атмосферы (7). С целью повышения прочности «сцепления» составляющих ингредиентов ИПО за счет кулоновских сил в состав мелкодисперсного образования вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные пылеобразные вещества, способные обеспечивать высокую степень ионизации плазмы, а значит получать повышенные величины зарядов на фрагментах КМ. Известны способы и устройства эжектирования в космос диспергированных элементов: Li, Ba, Na, Cs, при использовании их в качестве наполнителей или компонентов термитных смесей, применяющихся для создания мелкодисперсных облаков. Такие способы и устройства были разработаны и эксплуатировались при проведении космических экспериментов по изучению расположения силовых линий магнитного поля Земли. Инжекция радиационно излучающих присадок запускает новый процесс образования более интенсивного излучения в объеме ИПО - реакции образования более мощного лучистого потока вследствие превращения инжектируемого из генератора ИПО относительно стабильного природного урана-238 в спонтанно излучающий плутоний-239. Для усиления реакции указанного превращения в генераторную среду добавляют содержащие водород вещества.

В случае космического аппарата, спроектированного с учетом его самоутилизации в конце срока активного существования, предусмотренный в составе оборудования КА генератор ИПО начинает работать, когда элементы конструкции КА разделяются и распределяются на удалении друг от друга под действием центробежных сил по окончании функционирования КА.

В заявленном изобретении используется газодинамический генератор ИПО, в корпусе которого располагаются газовые баллоны высокого давления со сжатыми пылеобразными веществами (см. фиг. 2), где:

1 - содержащие водород вещества для замедления нейтронов в объеме ИПО с целью активации процесса превращения урана-238 в плутоний-239,

2 - радионуклиды, спонтанно излучающие потоки нейтронов и гамма квантов, и радиационно стабильный природный уран-238, превращающийся под действием нейтронов в спонтанно делящийся плутоний-239,

3 - легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества, имеющие низкие потенциалы ионизации.

В результате смешения (4) ингредиентов газоплазменной среды в камере генератора и образования избыточного давления, происходит истечение полученной субстанции из генератора в облако космического мусора. Стрелками на фиг. 2 показаны процессы спонтанных радиационных излучений радионуклидов и явлений деактивации возбужденных ими ядер веществ, совокупность которых приводит к устойчивой ионизации атомов всех ингредиентов газопылевой среды в течение срока баллистического перелета ИПО с космическим мусором к плотным слоям земной атмосферы.

Таким образом, самоионизирующееся искусственное плазменное образование, в состав которого входит космический мусор, сохраняется вплоть до достижения плотных слоев земной атмосферы, в которых осуществляется его термическая утилизация.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства от объектов космического мусора. Для утилизации космического мусора аэродинамическим действием атмосферы Земли используют самоионизирующиеся искусственные плазменные образования. Их создают посредством генератора искусственного плазменного образования, запускаемого с космического аппарата. В состав искусственного плазменного образования вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества, пылеобразные радионуклиды, спонтанно излучающие потоки нейтронов и гамма квантов, радиационно стабильный природный уран-238, превращающийся под действием нейтронов в спонтанно делящийся плутоний-239, а также вещества, содержащие водород, с целью усиления реакции превращения урана-238 в плутоний-239. Достигается повышение эффективности утилизации космического мусора с помощью самоионизирующихся искусственных плазменных образований. 2 ил.

Способ утилизации космического мусора аэродинамическим действием атмосферы Земли с помощью самоионизирующихся искусственных плазменных образований, созданных посредством генератора искусственного плазменного образования, запускаемого с космического аппарата, причем в состав искусственного плазменного образования введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества, отличающийся тем, что в состав искусственного плазменного образования генератора добавляют пылеобразные радионуклиды, спонтанно излучающие потоки нейтронов и гамма квантов, радиационно стабильный природный уран-238, превращающийся под действием нейтронов в спонтанно делящийся плутоний-239, и содержащие водород вещества с целью усиления реакции превращения урана-238 в плутоний-239.