Способ очистки околоземного космического пространства от космического мусора потоками лунной пыли Российский патент 2024 года по МПК B64G1/00 B64G1/56 

Область техники

Изобретение относится к методам и средствам обеспечения безопасности космических полетов в околоземной среде, засоренной объектами отработавшей космической техники (называемыми «космическим мусором»).

Как известно, ситуация с космическим мусором (КМ) в настоящее время приближается к критической. Значительное число относительно крупных объектов КМ (модулей и узлов) имеет тенденцию дробиться на более мелкие фрагменты, количество которых лавинообразно растет. По оценкам НАСА на 2019 г. вокруг Земли обращаются около 500 000 кусочков мусора размером со щебень и более 100 миллионов объектов размером в миллиметр или меньше. Всего в околоземном пространстве имеется около 7500 т КМ.

В наибольшей степени объекты КМ концентрируются в областях низких орбит (до ~ 5000 км), орбит систем навигационных спутников (~ 20000 км) и геостационарной орбиты (см., например, [1] Л.С. Новиков. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты, МГУ им. М.В. Ломоносова, М., Университетская книга, 2009, с.14).

Особую проблему представляют наиболее мелкие и многочисленные частицы КМ: их не только трудно удалять, но и обнаруживать (современные радары не воспринимают частицы, меньшие ~ 5 см в диаметре; некоторые перспективы здесь связывают с использованием специальных ИК-датчиков). Кроме того, различные фрагменты КМ все более «перемешиваются» с действующими космическими аппаратами (КА), что осложняет вылавливание и ликвидацию КМ.

Предшествующий уровень техники

Сравнительно традиционный способ очистки околоземного пространства от КМ включает применение тормозного экрана-ловушки, выводимого в область очистки от КМ и захватывающего элементы КМ с небольшой относительной скоростью (в попутном движении), их торможение вследствие соударения с экраном и перевод на траекторию постепенного торможения и входа в атмосферу Земли для последующего сгорания, см. [2] RU 2586434 C1, 10.06.2016.

Недостатками такого способа являются: сложность развертывания и управления движением экрана-ловушки большой площади (≥ 1 км²), значительная масса экрана и, следовательно, высокие энергозатраты на орбитальное маневрирование и ориентацию.

Другой подход к очистке от КМ состоит в создании на пути следования объектов КМ пространственного образования (облака) равномерно распределенных частиц, оказывающих ударно-кинетическое (например, взрывное) воздействие на объекты КМ. Материалом частиц могут быть продукты окисления азота, см. [3] RU 2478062 C2, 27.03.2013.

Недостатком решения [3] является неконтролируемое движение продуктов разрушения объектов КМ и увеличение числа мелких фрагментов КМ, многие из которых могут оставаться в околоземном пространстве, усиливая его засорение.

Этот недостаток устранен в способе, включающем воздействие на объекты КМ пучками заряженных мелкодисперсных частиц, которые заряжают статическим электричеством со знаком заряда, противоположным знаку заряда объектов КМ - в таком способе ударно-кинетическое воздействие частиц на КМ усилено за счет концентрации потока этих частиц электростатическим полем объектов КМ; при этом векторы скоростей объектов КМ могут быть изменены в желательном направлении (для их перевода на траектории входа в атмосферу), см. [4] RU 2702478 C1, 08.10.2019.

Недостатком решения [4] является необходимость предварительной оценки величины и знака заряда объектов КМ, что сделать не так просто - особенно, для большого их числа, учитывая множество переменчивых факторов космической среды (свет/тень, плазма ионосферы, магнитосферы и солнечного ветра, и др.), влияющих на зарядку различных космических объектов.

Наиболее близким решением-аналогом предлагаемого способа является способ очистки околоземного космического пространства от КМ, включающий формирование тормозящей среды (ТС) с помощью генераторов ТС в одной или нескольких зонах очистки, где прогнозируемые фрагменты КМ имеют близкие по величине и направлению орбитальные скорости, с сообщением ТС встречного фрагментам КМ движения для перевода этих фрагментов, вследствие соударений с частицами среды, на траектории входа в атмосферу Земли, и удалением остатков ТС, не претерпевших соударения с фрагментами КМ, из околоземного пространства, см. [5] RU 2605799 C2, 27.12.2016.

В данном способе генераторами ТС служат ракетные двигатели (РД) с соплами Лаваля, осуществляющими расширение Прандтля-Майера газа (в частности, содержащего металлические частицы), из которого и формируется ТС - в виде разреженного облака со сферической поверхностью. Облако создается с плотностью и температурой, обеспечивающими его последующее рассеяние и попадание в атмосферу.

В основу данного способа положена ранее выдвинутая идея механического воздействия на КА выхлопной струей РД, с целью коррекции орбиты КА, см. [6] US 2007285304 A1, 13.12.2007.

В примерах осуществления способа [5] приведены нереальные параметры: диаметр облака 50-500 км, его масса 1000 -10000 кг (с неверным указанием при этом поверхностной плотности тормозящего сферического слоя облака: 10^-3 - 10^-8 кг/м²).

Легко оценить, что на самом деле при таких размерах и массе облака могут быть удалены, причем только с низких орбит (100-500 км), лишь микроскопические (<< 1 мкм), либо сверхтонкие (той же толщины) фрагменты КМ, имеющие баллистические коэффициенты (БК) β≤ 0,0001 кг/м² (β = M/S_mid, где М - масса фрагмента, S_mid - площадь его миделя в набегающем потоке ТС), что практически бесполезно. Поэтому реальные размеры облака должны быть на 1 - 2 порядка меньше, при той же его массе.

Недостатком данного способа, таким образом, является ограниченная номенклатура удаляемых объектов КМ: «с относительно низким БК», как указано в самом названии способа, и преимущественно с низких орбит.

Кроме того, конфигурация облака ТС в виде сферического слоя представляется неоптимальной: интенсивность торможения КМ существенно меняется от центра к периферии миделева сечения (если скорости фрагментов КМ близки по направлению).

Общим недостатком известных аналогов [2]- [5] является необходимость выведения значительных по массе средств (экранов-ловушек или распыляемого вещества ТС) с Земли на околоземные (в том числе, высокие - если и там требуется удаление КМ) орбиты, что сопряжено с большими топливно-энергетическими затратами и ухудшением экологической ситуации.

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогов и прототипа путем создания способа очистки околоземного пространства от КМ, требующего сравнительно небольших затрат энергии и топлива, обеспечивающего удаление фрагментов КМ в широком диапазоне их масс и размеров с орбит практически всех значимых высот.

Техническим результатом изобретения является достижение небольших топливно-энергетических затрат на удаление фрагментов КМ, более полного и безопасного для функционирующих КА удаления КМ из околоземного пространства.

Решение поставленной задачи с получением указанного технического результата достигается в предлагаемом способе, включающем формирование ТС с помощью генераторов ТС в одной или нескольких зонах очистки, где прогнозируемые фрагменты КМ имеют близкие по величине и направлению орбитальные скорости, с сообщением ТС встречного фрагментам КМ движения для перевода этих фрагментов, вследствие соударений с частицами среды, на траектории входа в атмосферу Земли, и удалением остатков ТС, не претерпевших соударения с фрагментами КМ, из околоземного пространства, тем, что в качестве ТС используют мелкодисперсный реголит, из которого формируют цилиндроподобные пылевые шлейфы, продольные оси которых ориентируют вдоль средних направлений скоростей фрагментов КМ в зонах очистки, причем:

- генераторы ТС с указанным реголитом выводят из области орбиты Луны на параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту, проходящую в перигее через выбранную зону очистки,

- в процессе движения по указанной геоцентрической орбите переводят по крайней мере один генератор ТС в лидирующее положение, а остальные генераторы ТС - в положение его сопровождения, на некотором удалении позади него,

- непосредственно перед входом в указанную зону очистки формируют с помощью лидирующего генератора ТС зондирующий шлейф с толщиной, не меньшей глубины прозрачности шлейфа при текущей концентрации его пылевых частиц,

- по параметрам излучения фрагментов КМ, нагретых вследствие их соударения с пылевыми частицами зондирующего шлейфа, фиксируют относительно крупные и массивные фрагменты КМ, соударения которых с частицами зондирующего шлейфа недостаточны для перевода этих фрагментов на траектории входа в атмосферу Земли,

- формируют с помощью сопровождающих генераторов ТС основные шлейфы с повышенной интенсивностью потоков пылевых частиц, обеспечивая их соударения с указанными зафиксированными фрагментами КМ для перевода данных фрагментов на траектории входа в атмосферу Земли,

- при этом удаление пылевых частиц, не претерпевших соударения с фрагментами КМ, обеспечивается вследствие их движения по исходной указанной параболической или слабо-гиперболической геоцентрической орбите.

Предпочтительно, определяют траектории указанных зафиксированных фрагментов КМ, корректируют движение сопровождающих генераторов ТС, переводя их на траектории перехвата данных фрагментов КМ, а основные шлейфы формируют по векторам относительных скоростей фрагментов КМ и генераторов ТС.

При нахождении в зоне очистки КА в функциональном состоянии переводят эти КА в конфигурацию минимального миделева сечения в пылевом потоке зондирующего шлейфа и защищают экраном с площадью не менее площади данного миделева сечения.

Ключевым моментом предлагаемого способа является использование ТС в виде пылевых шлейфов лунного вещества (реголита), доставляемых к Земле.

Запасы пыли на поверхности Луны практически безграничны: толщина слоя пыли составляет 4-5 м в области лунных морей и 10-15 м в гористых районах (см. [7] А. В. Захаров и др. Лунная пыль: свойства, потенциальная опасность. Астрономический вестник, 2020, том 54, № 6, ИКИ, М., с.487).

Потенциальная энергия массы «лунной пыли» относительно поверхности Земли и околоземных орбит (от ~ 100 км до ~20000 км) примерно соответствует кинетической энергии такой же массы, движущейся в указанных областях со «второй космической» скоростью, составляющей для низких орбит около 11 км/с и, в общем случае, равной , где V_c - орбитальная скорость КМ на некоторой эквивалентной круговой орбите.

При встречном движении скорость соударения (ΔV) пыли с КМ достаточно велика, по порядку составляя ΔV (~ от 19 км/с до 10 км/с), причем для получения такой скорости требуются небольшие затраты энергии: для выведения реголита с поверхности Луны на траекторию покидания сферы ее влияния (на указанную выше параболическую или слабо-гиперболическую геоцентрическую орбиту) этому веществу надо сообщить скорость порядка «второй космической» для Луны, которая составляет всего 2,38 км/с и сравнительно легко достигается, например, с помощью электромагнитных ускорителей (ЭМУ).

Идея подобного механического взаимодействия пылевых шлейфов лунного вещества с околоземными КА была ранее изложена в [8] А.В. Андреев. Некоторые вопросы транспортировки лунного вещества. Труды X1X Чтений К.Э. Циолковского. Секция "Проблемы ракетной и космической техники». М., ИИЕТ АН СССР, 1986. С.87-96. Значительная длина, до сотен километров, шлейфов («хвостов») и их низкая плотность достигались за счет длительного действия на частицы пыли светового давления.

Достоинством такой идеи является естественное удаление пылевого потока, не прореагировавшего с КА, из сферы гравитационного влияния Земли, который поэтому не служит источником КМ. Однако рассеяние пыли за время формирования шлейфов оказывается слишком значительным, чтобы получать шлейфы требуемой формы и плотности для воздействия на фрагменты КМ.

Предлагаемый способ очистки от КМ осуществляется в два этапа: (I) с помощью зондирующего шлейфа и (II) посредством основных (локальных) шлейфов.

На этапе I используется «широкий» шлейф с минимальной концентрацией пылевых частиц, позволяющий выявить все фрагменты КМ (вплоть до размеров > 1-100 мкм, характерных для используемых пылевых частиц), а также удалить наиболее легкие (с малыми β) фрагменты КМ; при этом возможен выбор области очистки с присутствием в ней функционирующих КА (за исключением особо крупногабаритных), т. к. воздействие на них зондирующего шлейфа не критично, и может быть парировано простыми средствами.

На этапе II, который может следовать за этапом I с интервалом в несколько минут или менее, выявленные (зафиксированные) фрагменты КМ подвергаются действию основных, «узких» шлейфов более высокой плотности, которые формируются сопровождающими генераторами ТС (СГТС), движение которых скорректировано на перехват зафиксированных фрагментов КМ за время порядка указанного интервала следования этапов I и II.

Коррекция должна быть проведена после того, как навигационно-вычислительные средства (НВС) - дистанционные или скооперированные, например, с лидирующим генератором ТС (ЛГТС), оценят массу и геометрию зафиксированных фрагментов КМ, а также их относительные траектории - наблюдая эти фрагменты и их свечение в течение ~ нескольких секунд сразу по прохождении их через зондирующий шлейф. Быстродействие НВС должно быть не хуже этого времени.

Полученные от НВС данные (например, команды на коррекцию и требуемые установки на параметры шлейфа) передаются на СГТС, и по этим данным определяются СГТС, которые переходят на траектории перехвата соответствующих фрагментов КМ и формируют основные шлейфы в направлении этих фрагментов.

Предлагаемое поэтапное проведение операций способно обеспечить бòльшую полноту очистки околоземного пространства от фрагментов КМ.

Перечень фигур

Существо предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим детальным описанием примеров его осуществления с прилагаемыми чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1 - общая орбитальная схема осуществления предлагаемого способа очистки.

Фиг. 2 - прохождение зондирующего шлейфа через область очистки.

Фиг. 3 - примерный вид фрагментов КМ после термо-кинетического воздействия на них частиц зондирующего шлейфа.

Фиг. 4 - генерирование и воздействие на указанные фрагменты основных шлейфов.

Фиг. 5 - БК фрагментов КМ, удаляемых зондирующим шлейфом.

Фиг. 6 - зависимость интенсивности основных шлейфов от БК фрагментов КМ и высот их орбит.

Фиг. 7 - характерные параметры формирования основного шлейфа.

Фиг. 8 - принципиальное устройство ЛГТС и СГТС.

Фиг. 9 - особенность процесса остывания поверхностного слоя фрагмента после воздействия на него зондирующего шлейфа, в безразмерном времени.

Фиг. 10 - примеры указанного процесса остывания для разных значений условной толщины фрагмента, в реальном времени.

Фиг. 11 - зависимость параметров зондирующего шлейфа от размера пылевых частиц.

Фиг. 12 - характерные параметры формирования зондирующего шлейфа.

Раскрытие и примеры осуществления изобретения

Определение каждой зоны очистки можно проводить по известным данным (прогнозу) об орбитах 1 КМ в околоземном пространстве, выбирая наиболее надежно зафиксированные (по наблюдениям в радио- и других диапазонах) фрагменты КМ в некоторой достаточно узкой «трубке» 2 их орбит с близкими векторами скоростей. Из этой области 2 эти и другие (изначально ненаблюдаемые) фрагменты КМ должны переводиться на орбиты 3 входа в атмосферу Земли 4 для их сгорания (фиг.1).

С этой целью формируется геоцентрическая орбита 5, исходящая из района орбиты Луны и проходящая через зону очистки (область 2) встречно общему направлению скоростей фрагментов КМ. Орбита 5 выбирается параболической (е = 1) или слабо-гиперболической (е = 1,01-1,1); конкретные параметры этой орбиты обеспечиваются начальными условиями при старте носителя 7 из района орбиты Луны и последующими коррекциями. Старт носителя 7 целесообразно производить с помощью ЭМУ.

Заблаговременно, на некотором участке 6 орбиты 5 с борта носителя 7 развертывают ЛГТС 7₁ и, на определенном удалении от него - СГТС 7₂. В частности, осуществляют распределение СГТС поперечно орбите 5 и выбирают запас пылевого вещества на них с учетом предварительного прогноза масс и скоростей соответствующих (наблюдаемых) фрагментов КМ.

СГТС могут выстраиваться, например, группами, на разных удалениях от ЛГТС вдоль орбиты 5 в зависимости от прогнозируемой угловой протяженности области 2. Очистку от КМ желательно проводить в эпоху, в которую фрагменты КМ соберутся в наиболее компактную зону очистки 2. Можно также выделить несколько последовательных зон очистки на множестве 1 орбит фрагментов КМ и провести операции способа с помощью нескольких соответствующих носителей 7 с генераторами ТС.

Желательно предусмотреть резервные СГТС (в частности, как отделяемые модули основных СГТС) с запасом пылевого вещества, количество которого определяется, например, статистически (исходя из вероятности обнаружения, посредством зондирующего шлейфа, изначально ненаблюдаемых фрагментов КМ). Такие фрагменты КМ могут присутствовать как по причине их сравнительно небольших габаритов, так и слабой радиовидимости и/или светимости.

Формируемый на этапе I зондирующий шлейф 8 должен предпочтительно иметь максимальные поперечные размеры, чтобы охватывать как можно более широкую зону очистки - для «высвечивания» наибольшего числа фрагментов 9 КМ (фиг.2).

Минимальная толщина шлейфа (по стрелке на фиг.2) должна быть не меньше глубины его прозрачности при текущей концентрации (п) пылевых частиц, т. е. длины свободного пробега частиц l = (σn)^-1, которую проще всего определить при одинаковом (в среднем) диаметре частиц d; здесь σ - миделево сечение частицы с диаметром d.

Данное условие обеспечивает теоретически полное покрытие (в один слой) пылевыми частицами площади миделя S_mid любого фрагмента КМ, не пропуская ни один из них. При этом вероятность прохождения двух разных фрагментов КМ по одному и тому же пути 10 сквозь шлейф (и тем самым не обнаружения одного из них), очевидно, близка к нулю.

В то же время, ударное и тепловое воздействие зондирующего шлейфа на объекты, в том числе на действующие КА, будет минимальным.

Оценить данное воздействие можно по величине импульса I пылевого потока, действующего на фрагмент КМ с площадью миделя S_mid, считая, что движение этого фрагмента направлено строго навстречу потоку пыли:

Здесь N частиц с массой m и диаметром d покрывают одним слоем площадь миделя S_mid фрагмента КМ, налетая на него со скоростью V_σ; плотность твердых частиц реголита принята равной 3100 кг/м³. Орбита фрагмента в этих оценках может иметь эксцентриситет e < 0,4, тогда в качестве V_c можно приближенно брать круговую орбитальную скорость для высоты перигея орбиты 5 (фиг.1).

При неупругом ударе скорость фрагмента КМ изменится на величину

где М - масса фрагмента. Скорость ΔV_c может быть несколько больше, т. к. продукты испарения вещества фрагмента и осколки могут создавать некоторую реактивную тягу в направлении торможения фрагмента. БК простейших тел: однородного шарика радиуса r и однородной пластины толщиной Δ, расположенной поперек потока, можно подсчитать по формулам:

(3)

Гомановский переход по траектории 3 на орбиту нулевой высоты (для более полной гарантии сгорания КМ в атмосфере) требует, для условно круговой орбиты КМ радиуса R, импульса

Здесь R_e ≈ 6380 км - средний радиус Земли.

Из (2), (4) и условия ΔV_c ≥ ΔV_c^hom могут быть найдены БК фрагментов КМ, удаляемых зондирующим шлейфом. Результаты представлены на фиг.5 для низких и средне-высотных орбит и пылевых частиц с диаметром 1-100 мкм (высота Н указана в км).

Из представленных данных видно, что удаляемые фрагменты могут быть достаточно массивными (β≥10), например, обломками композитных панелей толщиной δ ~ 1 см и более. Однако используемые для этого пылевые частицы c d ~ 0,1 мм могут оказаться слишком крупными для безопасного взаимодействия с ними действующих КА. Более мягкий режим обеспечивают частицы с d ~ 1-10 мкм, но для гораздо более легких фрагментов (β ~ 1 и менее). С увеличением высоты орбиты возможности зондирующего шлейфа по удалению КМ быстро ограничиваются размерами и массой фрагментов КМ.

Однако задачей зондирующего шлейфа является прежде всего обнаружение и фиксация параметров (идентификация) различных фрагментов КМ, что осуществляется путем анализа излучения фрагментов вследствие их интенсивного кинетического нагрева.

Пылевые частицы при скоростях ~10-20 км/с относительно фрагментов КМ обладают удельной кинетической энергией ~10⁷ - 10⁸ Дж/кг, из которых 25-35% уходят на плавление и испарение (остальное, в основном, - на генерирование ударных волн в мишени и в самой частице и на выброс осколков). Энерговыделение в области соударения происходит за время ~10^-8-10^-10 с, т. е. практически мгновенно, по сравнению, например, с временем пролета зондирующего шлейфа (~ 0,01-0,1 с), см. [1, с.55-59].

Пороговые скорости, по оценкам [1, с.61], составляют: для процессов плавления 2-3 км/с (Т_пл ~ 930 К - алюминий (Al) и его сплавы); для парообразования 10-15 км/с (~2800 К) и для интенсивной термической ионизации (< 1%) паров 20-25 км/с. При ионизации температура может достигать 10 000 К.

При ударе, вызывающем плавление и испарение, глубина кратера увеличивается до размеров его диаметра: Н/D ~ 1 (дно кратера приобретает полусферическую форму), а в отношении к диаметру частицы Н/d ~ 5-10 и более [1, с.64].

Таким образом, в результате прохождения фрагментом КМ зондирующего шлейфа на его поверхности (S*), развернутой к пылевому потоку, образуется относительно тонкий (h*~10d) слой жидкого и отчасти газообразного вещества (в случае металлических сплавов, керамик, многих композитов), который остывает вследствие излучения во внешнее пространство и теплопроводности от поверхности внутрь фрагмента:

где: M_rad ≈ ρS*h*- масса слоя; C - удельная теплоемкость (0,9 и 1,09 кДж/K⋅кг, соответственно для твердой и жидкой фаз); σ₀ = 5,67*10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная Стефана-Больцмана; λ - теплопроводность (200-250 и 80-100 Вт/м⋅К, соответственно для твердой и жидкой фаз). Данные приведены применительно к Al (его сплавам). Для большей точности, следует умножить поток излучения на коэффициент ε<1, отвечающий «серому» телу.

Ориентировочные оценки остывания указанного h*-слоя можно получить в допущении о «бесконечно теплоемком» однородном теле (толщиной h), сопряженном с этим слоем с внутренней стороны: ; В этом случае уравнение (5) легко интегрируется, и результат можно записать в безразмерной форме:

где - радиационный критерий Био;

- безразмерное время (критерий Фурье); - температуропроводность: (9,05₁₀^-5 и 3,99₁₀^-5) м²/с, соответственно для твердой (λ=220 Вт/м⋅К) и жидкой (λ=100 Вт/м⋅К) фаз;

T₀ - начальная температура, в качестве которой целесообразно взять верхние значения жидкой (≈2700 К) и твердой (≈900 К) фаз. При этом критерий Fo терпит разрыв при фазовом переходе, т. к. меняется величина a (см. фиг.9).

Плазменная и паровая фазы быстро рассеиваются, давая «мгновенную» яркую вспышку (в УФ- и видимом диапазонах, при T_S ≈ 10000-4000 К), анализ спектра которой позволяет судить о химическом составе одного или нескольких компонентов фрагмента КМ.

Дальнейшее остывание фрагмента протекает, в основном, в ИК-диапазоне, с незначительным заходом (< 10%) в видимый спектральный диапазон при T_S ≈ 3000-1000 К.

Из фиг.9-10, где представлены оценки согласно (6), видны некоторые качественные особенности остывания поверхности условного фрагмента КМ. Оценки даны для пылевых частиц с диаметром d =10 мкм, проникающих на глубину h* ≈ 10d = 0,1 мм.

Как видно из фиг.10, время наблюдаемого остывания составляет от ~ 0,15 с до > 2 с (примерно вдвое меньше для жидкой фазы: при 2700 К- 930 К) - для фрагментов с размером от 3 см до 1 м, что достаточно для приемлемой идентификации фрагментов с применением имеющихся (тем более, супер- или квантовых) компьютеров.

Идентификация, прежде всего, может производиться по изображению фрагмента в видимом, ближнем, коротко- и средневолновом ИК-диапазонах (до T_S ≈ 500 К), т. е. в течение 0,1 - 1,5 с и более (фиг.10), причем желательно наблюдать фрагмент в разных ракурсах. В результате оцениваются его форма и габариты (фиг.3), которые можно сопоставить с прогнозными радиолокационными данными (установив при этом, относится ли данный фрагмент к прогнозируемым или нет).

Необходимые для оценки структуры и массы фрагмента распределение температуры и его изменение по времени могут определяться дистанционно спектральным методом, на базе законов Вина и Кирхгофа, с использованием таких средств как ИК-радиометр, 2-мерный матричный детектор, блок фильтрации и др. Такие методы достаточно хорошо разработаны: см., например, [9] Erwin Ferdinandoυ, и др. Remote sensing of temperature distributions on non-homogeneous surfaces using optimal spatial-frequency filtering. Infrared Physics & Technology, 39 (1998), рр.103-113.

Поверхность, на которую воздействует зондирующий шлейф, может иметь сложную форму (определяемую случайной ориентацией фрагмента при входе в шлейф), причем ориентация этой поверхности за время пролета шлейфа (~ 0,01 с) для относительно крупных фрагментов КМ меняется незначительно - на несколько градусов при вращении фрагмента со скоростью ~1 об/с.

Поверхность нагрева можно аппроксимировать сочетанием поверхностей таких простых тел как плоская пластина, цилиндр и шар. Распределение температуры нагрева поверхностей таких тел выражается некоторыми простыми функциями типа f (cos ϕ, cos η), где углы ϕ, η - задают ориентацию нормали в точках поверхности к направлению пылевого потока (для пластины и шара достаточно одного угла). Данное распределение может быть установлено упомянутым выше спектральным методом, желательно - при наблюдении, как уже отмечено, в разных ракурсах. Это распределение является начальным условием для процесса теплопередачи внутри фрагмента и его остывания.

Для получения данных об этом процессе можно использовать, при некоторой их модификации, известные аналитические решения для модельных случаев указанных простых тел, описываемых единым уравнением Фурье:

где x₁ ≡ x в декартовой системе координат, x₁ ≡ r в цилиндрической и сферической системах координат; k - коэффициент формы тела: бесконечных пластины (k = 1) и цилиндра (k = 2), шара или сферы (k = 3), см. [10] В. В. Бухмиров. Тепломассообмен. Учебное пособие. ФГБОУ ВПО «ИГЭУ им. В.И. Ленина», Иваново. 2014, c.88-89.

Решения (7), в безразмерной форме и для краевых условий III рода, имеют общую структуру - в виде ряда Фурье, временные члены (затухающие экспоненты) которого зависят от (-μ_n² Fo), а пространственные - от k, μ_n, безразмерной координаты Х, критерия Bi и бесселевых функций целого, полуцелого и нулевого порядка от (μ_n Х), где μ_n - корни характеристического уравнения, полученного из краевых условий III рода и включающего Bi и функции Бесселя J_k-2/2 и J_k/2 [10, с.108-109]. Данные краевые условия (для поверхности, а не для h*-слоя) по существу выражают закон теплообмена (5) при нулевой левой части (т.е. при h* = 0).

При идентификации фрагмента КМ существенна температура фазового перехода (обозначена пунктиром на фиг.9-10), фиксируемая по изменению закона остывания поверхностного h*-слоя - поскольку эта температура достаточно четко характеризует материал и, в частности, его плотность, по которой можно оценить массу фрагмента, имея оценки его габаритов из других, описанных выше наблюдений, в том числе - и по длительности остывания (фиг.10).

Наиболее достоверно массу и БК фрагмента можно было бы определить, зная изменение Δυ его скорости вследствие взаимодействия с зондирующим шлейфом. По формуле (2) легко получить оценки для «тяжелых» фрагментов КМ. Эти оценки приведены в таблице для пылевых частиц с d = 10 мкм, для низкой и высокой орбит КМ, откуда видно, что изменения скорости фрагмента КМ вполне ощутимы, и их нетрудно определить, например, точными допплеровскими методами.

β, кг/м² δV, м/с H =500 км H =20 000 км 10 38 19,4 100 3,8 1,94 1000 0,38 0,19

Однако это реально лишь в случае, если точно известна скорость фрагмента КМ непосредственно перед его входом в зондирующий шлейф, что имеет место далеко не для всех фрагментов (проблему, конечно, можно решить, используя два зондирующих шлейфа, но это может усложнить предлагаемый способ и применяемые средства).

Надо также иметь в виду изменение БК вследствие вращения фрагмента КМ - поэтому при идентификации желательно построить 3D-модель фрагмента и при выработке команды генерирования основного шлейфа на СГТС использовать максимальный (или наиболее вероятный) БК. Вращение фрагмента КМ можно определить спектральным методом, используя, например, ИК-матричный детектор [9].

Общий подход к построению моделей фрагмента КМ, предпочтительно должен включать в себя формулирование и решение обратных задач теплообмена (ОЗТ), например, для фрагмента, представимого конечным множеством (L) изотермических элементов:

где T_j - наблюдаемые температуры, относимые к j-м элементам; λ_lj - тепловые проводимости между элементами l и j, зависящие от типа теплопередачи; K_lj - угловые коэффициенты взаимного облучения; F _l - площадь поверхности l-го элемента; Q_sl - тепло, подводимое к l-му элементу извне (например, нагрев от Солнца и Земли); s - число элементов, излучающих во внешнюю среду. Решение уравнений (8) предполагает наличие начальных и граничных условий, уравнений теплового баланса, знание параметров геометрической структуры и кондуктивно-радиационных связей, а также теплофизических характеристик (а, ρ, ε, температур фазовых переходов и др.) всех элементов, см. [11] О.М. Алифанов. Обратные задачи теплообмена. М. Машиностроение, 1988, с.17-18.

ОЗТ для системы (8) состоит в оценке, по наблюдаемому температурному полю, параметров C_l, λ _lj, K _lj, Q _sl, причем установлено, что одновременное определение данных параметров возможно лишь с точностью до постоянного множителя [11, с.18], так что должны быть проведены дополнительные наблюдения и привлечены некоторые априорные допущения - что все вместе позволит воссоздать физический облик системы. Различные методы и вычислительные алгоритмы решения ОЗТ подробно изложены в [11] и в последующие годы получили значительное развитие.

Весьма полезным было бы создание и постоянное пополнение баз данных в виде множества (каталога) моделей типичных фрагментов КМ и их наблюдаемых термо-радиационных характеристик при взаимодействии с зондирующими шлейфами (параметры которых желательно регламентировать). Эти базы могут закладываться в НВС на носителях 7 и/или ЛГТС 7₁ (фиг.1).

Для проведения многоракурсного наблюдения фрагментов КМ лучше всего использовать небольшие зонды (не менее двух) с необходимой аппаратурой, выводимые в область, охватывающую зону очистки 2 (фиг.1), и имеющие скорости близкой величины и того же направления, что и у фрагментов КМ на орбитах 1. Данные с зондов должны передаваться НВС, расположенным, например, на ЛГТС или носителе, а оттуда - в виде команд - на СГТС.

Зонды могут выводиться как с Луны, так и с Земли (последнее проигрывает по энергетике, но заметно проще) и последовательно переводиться с помощью космических буксиров в области разных зон очистки и, таким образом, использоваться многократно.

С борта зондов удобно определять также скорость фрагментов, т. к. она сравнительно мало отличается (на ~ 10²-10³ м/с) от скорости самих зондов (орбиты последних достаточно точно определяются космическими навигационными средствами или передаются с наземных пунктов). Таким образом, измерив относительную скорость фрагмента каким-либо известным (например, доплеровским) методом, можно установить его орбитальную скорость, а определив относительное положение фрагмента - и его орбиту. По параметрам орбит фрагмента КМ и выбранного для него СГТС рассчитывают, с помощью НВС, траекторию перехвата.

Перевод СГТС на траекторию перехвата требует незначительной характеристической скорости: так, если поперечный размер (диаметр) зондирующего шлейфа ~ 1 км (см. фиг.11), то в наихудшем случае СГТС надо сместиться во фронтальной плоскости на расстояние ~ 500 м (при исходном положении СГТС 7₂ на орбите 5, фиг.1) за время ~ 1 мин (это время соответствует расстоянию ~ 1000 км от СГТС до зоны очистки 2 в момент подачи команды на коррекцию). Следовательно, величина коррекции не превысит 10 м/с.

При сближении СГТС 7₂ по траекториям перехвата с соответствующими фрагментами КМ 9 генерируются основные шлейфы 11 повышенной интенсивности (фиг.4), каждый из которых направлен по вектору относительной скорости фрагмента и СГТС (сразу после инициации процесса формирования шлейфа, СГТС получает импульс увода или разделения на части - во избежание столкновения с фрагментом КМ).

Интенсивность шлейфа выразим показателем “nd”, который подставим вместо “d” в выражение (2). Изменение ΔV_c орбитальной скорости фрагмента КМ на его исходной орбите (условной высоты Н = R - R_e) положим равным импульсу (4) гомановского перехода: ΔV_c = ΔV_c^hom, и из выражения (2) найдем связь интенсивности шлейфа с БК удаляемого фрагмента:

где = ΔV_c ^hom /V_c - зависит только от высоты орбиты фрагмента КМ, согласно (4). Зависимости nd (Н) приведены на фиг.6 для различных БК β = (1 - 1000) кг/м²; показатель nd выражен в метрах.

Из фиг.6 видно, что практически любые фрагменты КМ могут быть удалены с любых орбит - от низких до геостационарной. При этом интенсивность шлейфа характеризует достаточность импульса его частиц, соударяющихся с фрагментом КМ, для сообщения последнему импульса перевода на траекторию входа в атмосферу. Показатель nd дает связь между параметрами зондирующего (n, l, d) и основного (n’, l’, d’) шлейфов:

где параметрами служат концентрация пыли, длина шлейфа и диаметр пылевых частиц. В частности, если зондирующий шлейф выполняет также и функции основного (фиг.5), то их параметры совпадают, и nd = d = d’. В общем случае, выбор параметров основного шлейфа является многовариантным: сочетания концентрации n’, длины l’ и диаметра d’ частиц могут быть различными при фиксированной интенсивности nd.

Например, для орбиты фрагмента КМ с БК β = 100 кг/м² и высотой Н = 20000 км показатель nd ≈ 0,01 (фиг.6). Если в основном шлейфе использовать те же пылевые частицы, что и в зондирующем, скажем, со средним диаметром 10 мкм: d = d’ = 10^-5 м, и взять шлейф той же длины: l = l’, то концентрация частиц основного шлейфа должна в n’/n ≈ 1000 раз превышать концентрацию частиц зондирующего шлейфа. Если параметры последнего взять из примера по фиг.11, то n = 3,2₁₀⁷ , а n’ ≈ 3,2₁₀¹⁰. Массовая плотность основного шлейфа составит μ = 1612,9 d ³n’ ≈ 0,052 кг/м³.

Однако для основного шлейфа можно взять более крупные частицы с d’ = 10^-4 м, а длину шлейфа уменьшить, например, вчетверо: l’ = l/4 = 400/4 = 100 м. Тогда концентрация частиц основного шлейфа, согласно (10), будет в n’/n ≈ 4⋅10⁴⋅10^-2 = 400 раз больше, чем у зондирующего шлейфа, а массовая плотность μ = 1612,9 d’³n’ ≈ 20,6 кг/м³. Таким образом, данный основной шлейф будет примерно в 400 раз плотнее, чем в предыдущем варианте.

Следует заметить, что интенсивность, определенная по выражению (9), должна быть взята с запасом, учитывающим погрешности ориентации шлейфов 11 (фиг.4), их рассеяние и коэффициент использования (отношение S_mid фрагмента к площади сечения шлейфа). Эти факторы практически должны определяться экспериментально и из соответствующей статистики.

Для формирования зондирующего и основных шлейфов в предлагаемом изобретении используется электростатический метод, основанный на зарядке пылевых частиц действием естественных факторов космической среды (плазмы и солнечного излучения) и/или искусственных источников.

Для инициации процесса формирования шлейфов могут быть использованы устройства, одно из которых схематично показано на фиг.8.

Основным элементом устройства, несущего ТС 12 для формирования шлейфа 11, является уплощенный цилиндрический контейнер («кассета») 13 достаточно большого радиуса R, снабженный приборным модулем 14 (с элементами управления и НВС) и исполнительными органами 15 (например, матричными микрореактивными двигателями). Предпочтительно контейнер снабжен быстро удаляемой крышкой (не показана).

В контейнере 13 ТС изначально размещается в виде псевдоожиженного пылевого слоя 16. Данное исходное состояние пыли обеспечивается, например, вибрационными мембранными пьезоэлектрическими преобразователями. Слой 16 в момент экспозиции космической среде (для зарядки частиц пыли) может быть освобожден от контейнера 13 путем сброса крышки и быстрого попятного перемещения контейнера.

Для активизации процесса инициации шлейфа может быть использован эмиттер 17 заряженных частиц (электронов или ионов), например, полый катод или электронная пушка, облучающий широким лучом слой 16 пыли на дне контейнера 13.

Донная часть контейнера 13 может служить коллектором электронов космической плазмы, подключаемым к эмиттеру 17. Может быть предусмотрена дополнительная (поворотная относительно контейнера 13) поверхность, заряжаемая положительно под действием солнечного излучения.

Вместо одного контейнера 13 может использоваться множество контейнеров (в виде «матрицы» или «решетки»), соединенных друг с другом, например, с возможностью разделения и увода, или установленных на общем днище.

Исходный ансамбль пылевых частиц 16, высвобождаемых из кассеты, имеет форму «блина», что диктуется требованием максимальной скорости удлинения (υ_H) шлейфа вдоль его оси и минимальной скорости радиального расширения (υ_R) шлейфа - под действием электростатического поля, вызванного электризацией пылевых частиц в космической среде.

Приближенную картину инициации и начальной фазы образования шлейфа 11 цилиндрической формы можно получить несложной модификацией решения задачи о тонких заряженных дисках в [12] А.Н. Паршаков. Принципы и практика решения задач по общей физике. Часть 2. Электромагнетизм. Изд. Пермского ГТУ. 2010, с.54-55.

В частности, напряженности электрического поля вблизи торцов (E_H) и боковой поверхности (E_R) цилиндрических шлейфов с однородной объемной концентрацией (n) частиц:

Здесь R, h - радиус и толщина (длина) шлейфа; ε_o = 8,9*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; q - заряд пылевой частицы диаметром d, связанный с ее потенциалом ϕ следующим образом:

(12)

Расширение шлейфа вызывается действием на пылевые частицы продольных qE_H и радиальных qE_R отталкивающих электростатических сил, придающих частицам ускорения а_Н,R = qE_H,R/m (m - масса частицы).

Значения q и ϕ следует рассматривать как средние по объему шлейфа. Напряженности E_H и E_R убывают по мере погружения от поверхности вглубь цилиндров, так что продольное и радиальное расширения ансамбля частиц носят регулярный характер: чем ближе к поверхности - тем быстрее, и наоборот, ввиду чего и плотность (~n) ансамбля сохраняет, в первом приближении, равномерное распределение по объему, быстро убывая с ростом длины (h) шлейфа.

Массу М шлейфа, связанную с начальной концентрацией частиц реголита в цилиндрическом объеме исходного пылевого слоя 16 (фиг.8), можно оценить как

(13)

При выводе (13) считается, что слой 16 прозрачен для частиц космической плазмы, т.е. его толщина h_o ~ νl, где l = (σn)^-1 - упомянутая ранее глубина оптической прозрачности, а коэффициент ν >1 учитывает, что при электризации частиц действием космической плазмы проникающие в «блин» протоны и, особенно, электроны (тепловые скорости которых, соответственно, 45 км/с и 2000 км/с [13]) прежде их поглощения пылевыми частицами испытывают множество столкновений с ними (рассеивая свою энергию), так что длина их свободного пробега возрастает.

При расширении шлейфа быстро возрастает его оптическая прозрачность, и доминирующей становится фотоэлектронная эмиссия, меняющая знак зарядки пылевых частиц, причем эта перезарядка шлейфа несколько сдерживает его разбухание.

Электроны околоземной плазмы и солнечного ветра могут заряжать микрочастицы до ϕ = -100 В, фотоэлектронная эмиссия повышает эту величину до ϕ =+2…5 В (см. [13] А.И. Акишин, Л.С. Новиков. Электризация космических аппаратов. Сер. Космонавтика, астрономия, 3/85. Изд. «Знание». М. 1985, с.10-22). Скорость зарядки микрочастицы зависит от многих факторов, но для достаточно разреженного ансамбля частиц она происходит за малые доли секунды.

На фиг.7 представлена типичная начальная фаза формирования основного шлейфа, а именно нарастание фронтальных скоростей свободных продольного (υ_H) и радиального (υ_R) расширений исходного «блина» за время десятикратного его «утолщения». Параметры шлейфа указаны на диаграмме. Как видно из графиков, скорости расширения υ_H и υ_R быстро приходят к практически постоянным значениям: υ_H ≈ 20 (25) м/с; υ_R ~ 1 (2) м/с, и шлейф продолжает расширяться, особенно быстро в продольном направлении, «по инерции», достигая длины (толщины) ~ 100 м и ширины ~16 м примерно за 4 с.

Для уменьшения υ_R и получения более узкого шлейфа следует брать меньшие отношения h₀/R (более тонкие «блины») и, если возможно, частицы большей массы.

Аналогичная картина имеет место при формировании зондирующего шлейфа (фиг.12 - для параметров шлейфа по фиг.11), где особенностью является небольшой потребный потенциал зарядки пылевых частиц, т.к. мелкие частицы (~1 мкм) испытывают сильное электростатическое отталкивание, быстро «улетучиваясь» с поверхности шлейфа. Исходная толщина шлейфа (h_o = 5 м), при его значительной массе (10 т), оказывается значительной, и для создания псевдоожиженного слоя могут быть предложены специальные приемы, например - разбиение исходного h_o -слоя на несколько (скажем, 10) более тонких подслоев, располагаемых друг за другом (в собственных кассетах 13) на расстояниях (~40 м), с одновременной последующей инициацией.

Что касается защиты КА, находящихся в функциональном состоянии в зоне очистки, от действия зондирующего шлейфа, то после соответствующего оповещения данные КА должны перевести свои развернутые элементы, такие как антенны, солнечные батареи и т. п. - в сложенное положение или развернуть их «ребром» (минимальным сечением) к ожидаемому пылевому потоку, раскрыв затем один или более защитных экранов так, чтобы все части КА оказались в их тени. Экраны могут быть зонтичного или надувного типа, например, с поверхностью из термостойкой пленки толщиной ~ 1 мм.

В зависимости от назначения и массы КА, можно просто временно отвести КА за пределы зоны очистки (на несколько км) - если потери его скорости (типично незначительные) вследствие действия зондирующего шлейфа окажутся бòльшими потребной скорости коррекции для данного маневра уклонения.

Промышленная применимость

Для осуществления предлагаемого изобретения могут быть использованы методы и технические средства известного типа, но с более высокими рабочими характеристиками, а также проведены экспериментальные исследования по конкретным аспектам электризации и динамики пылевых потоков реголита. Следует также рассчитывать на высокое быстродействие, точность и чувствительность современных компьютерных, навигационных и измерительных средств, на успехи в разработке эффективных вычислительных, в том числе тепловых моделей объектов, в частности, фрагментов КМ.

Изобретение относится к способам обеспечения безопасности полетов в околоземной среде, засоренной фрагментами космического мусора (ФКМ), движущимися по орбитам (1). В предлагаемом способе формируют тормозящую среду (ТС) из «лунной пыли» в зонах (2) очистки, где ФКМ имеют близкие векторы орбитальных скоростей. Генераторы ТС (7₁, 7₂) выводят носителем (7) от Луны на близкую к параболической, встречную ФКМ орбиту (5) с перигеем внутри зоны (2). На участке (6) орбиты генераторы ТС (ГТС) отделяют от носителя, располагая один (или более) ГТС (7₁) в лидирующем, а другие ГТС (7₂) – в сопровождающем положениях. ГТС (7₁) формирует в зоне очистки (2) зондирующий (разреженный) пылевой шлейф (ЗШ), а следующие за ним ГТС (7₂) – основные (плотные) пылевые шлейфы (ОШ). Частицы ЗШ разогревают ФКМ при их столкновении с ними, переводя наиболее «легкие» ФКМ на траектории (3) входа в атмосферу (4). Более крупные и массивные ФКМ идентифицируют по их излучению при остывании, направляют на их перехват ГТС (7₂), которыми формируют ОШ для торможения этих ФКМ и перевода на траектории входа в атмосферу. Не прореагировавшая с ФКМ пыль удаляется из сферы действия Земли по орбите (5). Техническим результатом является более полное и безопасное, с меньшими затратами удаление ФКМ из околоземного пространства. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 12 ил.

1. Способ очистки околоземного космического пространства от космического мусора (КМ), включающий формирование тормозящей среды (ТС) с помощью генераторов ТС в одной или нескольких зонах очистки, где прогнозируемые фрагменты КМ имеют близкие по величине и направлению орбитальные скорости, с сообщением ТС встречного фрагментам КМ движения для перевода этих фрагментов, вследствие соударений с частицами среды, на траектории входа в атмосферу Земли, и удалением остатков ТС, не претерпевших соударения с фрагментами КМ, из околоземного пространства, отличающийся тем, что в качестве ТС используют мелкодисперсный реголит, из которого формируют цилиндроподобные пылевые шлейфы, продольные оси которых ориентируют вдоль средних направлений скоростей фрагментов КМ в зонах очистки, причем:

- генераторы ТС с указанным реголитом выводят из области орбиты Луны на параболическую или слабогиперболическую геоцентрическую орбиту, проходящую в перигее через выбранную зону очистки,

- в процессе движения по указанной геоцентрической орбите переводят по крайней мере один генератор ТС в лидирующее положение, а остальные генераторы ТС - в положение его сопровождения, на некотором удалении позади него,

- непосредственно перед входом в указанную зону очистки формируют с помощью лидирующего генератора ТС зондирующий шлейф с толщиной, не меньшей глубины прозрачности шлейфа при текущей концентрации его пылевых частиц,

- по параметрам излучения фрагментов КМ, нагретых вследствие их соударения с пылевыми частицами зондирующего шлейфа, фиксируют относительно крупные и массивные фрагменты КМ, соударения которых с частицами зондирующего шлейфа недостаточны для перевода этих фрагментов на траектории входа в атмосферу Земли,

- формируют с помощью сопровождающих генераторов ТС основные шлейфы с повышенной интенсивностью потоков пылевых частиц, обеспечивая их соударения с указанными зафиксированными фрагментами КМ для перевода данных фрагментов на траектории входа в атмосферу Земли,

- при этом удаление пылевых частиц, не претерпевших соударения с фрагментами КМ, обеспечивается вследствие их движения по исходной указанной параболической или слабогиперболической геоцентрической орбите.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют траектории указанных зафиксированных фрагментов КМ, корректируют движение сопровождающих генераторов ТС, переводя их на траектории перехвата данных фрагментов КМ, а основные шлейфы формируют по векторам относительных скоростей фрагментов КМ и генераторов ТС.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при нахождении в зоне очистки космических аппаратов (КА) в функциональном состоянии переводят эти КА в конфигурацию минимального миделева сечения в пылевом потоке зондирующего шлейфа и защищают экраном с площадью не менее площади данного миделева сечения.