Способ удаления фрагментов космического мусора Российский патент 2025 года по МПК B64G99/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для удаления фрагментов космического мусора искусственного (техногенного) происхождения из околоземного космического пространства.

В связи с возможной милитаризацией космоса [1] и появлением искусственных спутников Земли (ИСЗ) стратегического назначения [2], а также в связи с засорением околоземного космического пространства нефункционирующими ИСЗ и их фрагментами, так называемым космическим мусором техногенного происхождения [3, 4], проблема мониторинга околоземного космического пространства приобрела особую актуальность как с позиций обороны [5], так и с позиций экологической безопасности [6].

В соответствии с Концепцией национальной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента №24 от 10.01.2000, важнейшим направлением государственной политики РФ является «…решение острых экологических проблем глобального характера…». Одной из таких проблем безопасного освоения околоземного космического пространства является международная экологическая проблема космического мусора.

К объектам космического мусора техногенного происхождения относятся списанные или не функционирующие ИСЗ, их фрагменты, технологические отходы и т.п. Положение усугубляет тот факт, что при столкновении космических аппаратов с космическим мусором аппараты разрушаются и превращаются в мусор, то есть происходит лавинообразное нарастание космического мусора. Возрастающая популяция космического мусора в околоземном космическом пространстве приводит к следующим угрозам:

- риск для пилотируемых полетов из-за возможного столкновения космических кораблей с фрагментами космического мусора;

- риск неуправляемого падения опасных космических объектов на Землю при их неконтролируемом сходе с орбиты и неполном сгорании в атмосфере Земли;

- риск повреждения или потерь функционирующих ИСЗ из-за их столкновения с космическим мусором (например, столкновение ИСЗ Iridium-33 (США) с космическим мусором Космос-2251 (РФ) 10 февраля 2009 года);

- перенаселение околоземного космического пространства, если отработавшие ИСЗ не будут переводиться на орбиты захоронения. Это может привести к ситуации, соответствующей, так называемому синдрому Кесслера (консультант NASA), когда космический мусор, появившийся в результате многочисленных запусков и столкновений ИСЗ, приведет к полной непригодности ближнего космоса для практического использования [7];

- постоянные повреждения космических аппаратов мелкими фрагментами космического мусора, приводящие к необходимости частого ремонта.

При этом, если крупные фрагменты космического мусора (>10 см) отслеживаются и каталогизируются, что позволяет прогнозировать ситуацию и предотвращать столкновения, то более мелкие фрагменты (<10 см) не отслеживаются и столкновения с ними неизбежны.

Сегодня основными существующими методами борьбы с космическим мусором были и остаются пассивные методы, такие, как увеличение прочности обшивки космических аппаратов и их маневрирование с целью уклонения от столкновений. Эти известные способы, взятые здесь в качестве аналогов предлагаемого нами способа, описаны, например, в работе [8].

В качестве другого пассивного аналога предлагаемого нами способа удаления фрагментов космического мусора рассматриваются способы, предусматривающие создание крупных мишеней на орбите, при столкновении с которыми уничтожаются фрагменты космического мусора. Эти идеи, типа пенных шаров, пленочных баллонов и т.п., описаны в работе [9]. Проблемой для реализации этих идей является наличие на орбите функционирующих ИСЗ, а не только удаляемого космического мусора.

Еще одним способом удаления космического мусора, упомянутым в работе [8] и взятым нами в качестве аналога предлагаемого способа, является способ активного обнаружения и сбора фрагментов космического мусора. Это самый очевидный способ поиска крупных фрагментов космического мусора с Земли или из космоса и снятия обнаруженного фрагмента с орбиты при помощи пилотируемого или беспилотного устройства типа «космический челнок». Недостатком данного способа является его дороговизна, в связи с чем он может быть использован только для отдельных особо ценных или опасных объектов на орбите.

Наибольшую опасность представляют малоразмерные фрагменты космического мусора с размерами от 1 см до 10 см, многие из которых находятся на высотах (800÷600) км и движутся со скоростью (10÷12) км/сек. Их трудно отслеживать радиолокационными средствами, число их (более 10⁵) слишком велико для того, чтобы избежать столкновения с ними, а защита от них весьма проблематична и обходится дорогой ценой.

Известные способы, взятые нами в качестве аналогов, не применимы для удаления фрагментов космического мусора малых размеров (1÷10) см, обладающих высокой скоростью и кинетической энергией.

В отличие от известных способов нами предлагается способ активной борьбы с космическим мусором посредством формирования мощного излучения Солнца и его фокусировки на удаляемые фрагменты космического мусора. При достаточной мощности излучения мелкие фрагменты можно сжигать, а более крупные - переводить на низкие эллиптические орбиты с последующим сгоранием фрагментов в плотных слоях земной атмосферы. В случае реализации данного способа он может существенно упростить очистку космоса от фрагментов космического мусора (по крайней мере, наиболее опасных - мелких). Основной идеей предлагаемого способа является применение технологий апертурного синтеза в многоапертурной оптической системе космического базирования для формирования и фокусировки мощного потока солнечного излучения на удаляемые фрагменты космического мусора.

Впервые использовать Солнце в качестве оружия предложил греческий ученый Архимед, который, согласно легенде, во время осады Сиракуз (214-212 годы до н. э.) использовал набор зеркал, действующих вместе, как фокусирующий параболический отражатель солнечного излучения, для того, чтобы сжечь вражеские корабли, атакующие Сиракузы [10]. Это предполагаемое оружие было предметом продолжающихся дебатов о его достоверности со времен Возрождения. Экспериментальное подтверждение достоверности оружия Архимеда было проведено в 1973 году греческим ученым Иоаннисом Саккасом. В эксперименте было использовано 70 плоских зеркал, каждое с медным покрытием и размером 1,5 м × 1 м. Зеркала фокусировались на фанерный макет римского военного корабля на расстоянии около 50 м. Когда зеркала были точно сфокусированы, корабль за несколько секунд загорелся [11]. Будем считать Зеркала Архимеда еще одним аналогом предлагаемого нами способа.

В 1927 году поражающее воздействие мощного оптического излучения было описано в фантастическом романе А.Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» [12]. Здесь в качестве источника излучения был упомянут лазер, тогда еще не существовавший. Только в 1964 году за создание лазеров, как источников когерентного оптического излучения, российские ученые Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

В качестве прототипа предлагаемого способа нами взят способ удаления фрагментов космического мусора, предложенный и исследованный в проекте «Орион». Проект «Орион» является проектом NASA (США) по очистке околоземного космического пространства от фрагментов космического мусора при помощи мощного оптического излучения лазера наземного базирования и описан в техническом отчете NASA [13]. Постановка этого исследования опиралась на предположении, что лазерная энергия будет выжигать тонкий поверхностный слой с космического фрагмента, вызывая образование плазмы на его поверхности. В результате динамической реакции после воздействия одного или нескольких импульсов лазера происходит торможение фрагмента образовавшейся плазмой, снижение перигея его орбиты и ускорение входа фрагмента в плотные нижние слои атмосферы с последующим его сгоранием в них. В прототипе речь идет об удалении фрагментов космического мусора с размерами порядка (1÷10) см, то есть о таких же объектах, как и в предлагаемом нами способе. Поэтому для обоснования предлагаемого нами способа мы использовали некоторые результаты исследований проекта «Орион», но с учетом имеющихся отличий предлагаемого нами способа, а именно:

- во-первых, в прототипе речь идет о наземной оптической системе удаления космического мусора, функционирующей через атмосферу Земли со всеми присущими этому недостатками, а именно, ослаблением оптического излучения в атмосфере, наличием турбулентных искажений и нелинейных эффектов дефокусировки, возникающих при прохождении мощного лазерного излучения через атмосферу, а также наличием облачности, ограничивающей всепогодность применения прототипа для удаления фрагментов космического мусора;

- во-вторых, в прототипе рассматривается работа лазера воздействия в импульсном режиме (импульсы от 22нс до 1 мс), тогда как в нашем предложении используется солнечное облучение фрагмента космического мусора, и время непрерывного воздействия на фрагмент (при достаточно быстрой системе наведения) может быть намного большим, чем в прототипе, а именно, порядка нескольких секунд, и, кроме того, солнечное излучение, в отличие от лазерного, является широкополосным, что также в целом повышает эффективность энергетического воздействия на удаляемый фрагмент космического мусора;

- а, в-третьих, что очень важно, предлагаемый способ не требует энергетических затрат на создание мощного оптического излучения воздействия.

Техническим результатом (целью) предлагаемого способа является сокращение энергетических затрат и устранение влияния атмосферы.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве источника излучения используют Солнце, а для формирования его мощного оптического излучения осуществляют апертурный синтез в оптике и когерентно суммируют путем наведения, фазирования и фигуризации излучения N субпучков, сформированных N субтелескопами синтезируемой многоапертурной оптической системы, находящейся на гелиосинхронной космической орбите высотой (2000÷2500) км и постоянно ориентированной на Солнце, а сформированное мощное излучение Солнца фокусируют и наводят на удаляемый фрагмент космического мусора по целеуказаниям локационной оптической системы, расположенной в космосе рядом с силовой оптической системой, после чего под контролем локационной оптической системы удерживают сфокусированное мощное излучение на фрагменте до образования плазмы торможения и перевода фрагмента с круговой орбиты на эллиптическую, при этом суммарную светособирающую поверхность синтезируемой апертуры площади Sz определяют исходя из величины солнечной постоянной плотности мощности (интенсивности) излучения в околоземном космическом пространстве, равной I_С=1367 Вт/м², а также учитывая требование достижения интенсивности синтезируемого суммарного излучения Is, превышающей ее пороговое значение I_пор.=10 кВт/см², необходимое для образования плазмы в пятне воздействия площади S_d=1 см² на удаляемом фрагменте, и получают S_Σ=10 м², а для обеспечения 4-кратного энергетического запаса в интенсивности воздействия, равного I_4Σ=40 кВт/см², получают суммарную светособирающую поверхность матрицы, равной S_4Σ=40 м², причем для достижения этого конфигурацию синтезируемой многоапертурной оптической системы формируют как частично-заполненную матрицу разнесенных жестко связанных субтелескопов с неизбыточным расположением их субапертур, а размер каждой субапертуры субтелескопа матрицы площади S выбирают исходя из предельных возможностей по весам и габаритам носителя, доставляющего субтелескопы в космос для сборки матрицы, при этом число субтелескопов в матрице N определяют как N=S_4Σ/S, а для фокусировки сформированного излучения средней длины волны λ=0,5 мкм в пятно воздействия размера d=1 см на дальности до фрагмента космического мусора R=1000 км максимальное базовое расстояние L между субапертурами в матрице определяют равным L=λR/d=50 м.

Признаки и суть заявляемого изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фиг. 1 - фиг. 7 и таблицей 1, где представлено следующее.

На фиг. 1 представлена схема комбинирования субпучков в космической матрице апертурного синтеза для формирования, фокусировки, наведения и удержания мощного солнечного излучения на удаляемом фрагменте космического мусора.

Здесь: 1 - источник оптического излучения - Солнце; 2 - субапертура формирующей оптики многоапертурной оптической системы; 3 - формирующая оптика афокального субтелескопа синтезируемой многоапертурной оптической системы космического базирования; 4 - сформированные коллимированные (афокальные) субпучки излучения Солнца; 5 - плоское зеркало; 6 - интерферометр белого света; 7 - компенсатор разностей длин оптических путей (оптическая линия задержки) для фазирования комбинируемых субпучков; 8 - плоские зеркала перископической системы для наведения субпучков и их фигуризации в соответствии с «золотым правилом» апертурного синтеза [14], согласно которому афокальные субпучки 4 от отдельных субтелескопов 3 должны при комбинировании располагаться на выходном фокусирующем телескопе 9 так, как расположены входные субапертуры 2 матрицы субтелескопов 3; 9 - выходной телескоп (пере нацеливаемая силовая оптика), осуществляющий объединение комбинируемых субпучков, фокусирующий, наводящий и удерживающий мощное оптическое излучение на удаляемом фрагменте космического мусора; 10 - удаляемый фрагмент космического мусора.

На фиг. 2 представлена Нормированная спектральная характеристика абсолютно черного тела с температурой Т=5778 К°[15].

На фиг. 3 представлена Зависимость коэффициента отражения металлических покрытий зеркал от длины волны [16].

На фиг. 4 представлен Коэффициент связи С_m, как отношение переданного объекту импульса к доставленной на него энергии излучения для нейлона при длительности импульсного воздействия 22 не [13].

На фиг. 5 представлена Зависимость оптимального потока энергии от времени воздействия [13].

На фиг. 6 представлены Примеры конфигураций избыточного и неизбыточного расположения субапертур в многоапертурных оптических системах [22].

На фиг. 7 представлена Структурная оптическая схема неизбыточной локационной оптической матрицы апертурного синтеза в космосе [26] (вариант).

В таблице 1 представлены характеристики фрагментов космического мусора [13].

Дадим обоснование предлагаемого способа и рассмотрим его реализацию в соответствии с фиг. 1 - фиг. 7.

В предлагаемом способе источником энергии, необходимой для эффективного воздействия на фрагменты космического мусора, является Солнце. Основной энергетической характеристикой солнечного излучения считают солнечную постоянную - суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку на расстоянии 1 астрономической единицы (149597870,61 км) от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений в околоземном космическом пространстве солнечная постоянная составляет I_С=1367вт/м² [15]. На величину солнечной постоянной влияет солнечная активность, которая изменяется с циклом в 11 лет (цикл Швабе). Однако, относительное изменение, по данным прямых измерений, не превышает 0,1%, что для данной работы несущественно.

Энергетический спектр Солнца вне атмосферы практически соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой Т=5778 К°. Спектр такого абсолютно черного тела, нормированный к единице, представлен на фиг. 2.

Относительную энергию излучения абсолютно черного тела, приходящуюся на длины волн видимого диапазона Δλ. от λ₁=0,38 мкм до λ₂=0,78 мкм, исходя из закона Стефана-Бол ьцмана, можно вычислить как [13]

где пределы интегрирования: х₂=hc/λ₂kT=3,192 (нижний) и x₁=hc/λ₁kT=6,553 (верхний).

Численное значение интеграла в (1) приблизительно составляет 3,022, а величина 8 приблизительно равна ε=0,45. Следовательно, можно утверждать, что в видимом диапазоне находится около 45% энергии Солнца, то есть плотность мощности потока энергии солнечного излучения в видимом диапазоне вне атмосферы Земли составляет около 620 Вт/м². Если учитывать еще и ближний ИК диапазон до 1,5 мкм, то аналогичные оценки дают суммарный поток оптического излучения Солнца в полосе Δλ=(0,38÷1,5) мкм около 1000 Вт/м² при солнечной постоянной I_С=1367 Вт/м². Учитывая это, для дальнейших оценок будем считать входной поток мощности солнечного излучения, попадающего на матрицу апертурного синтеза, равным I_В=1000 Вт/м².

Результирующая энергия, передаваемая на фрагмент космического мусора, и ее спектральное распределение будут определяться не только энергетическими характеристиками Солнца, но и передаточной спектральной характеристикой оптического тракта системы апертурного синтеза. Максимум спектральной характеристики солнечного излучения достигается на длине волны порядка λ=0,5 мкм, в связи с чем необходимо использовать покрытия зеркал, хорошо работающие в видимом диапазоне длин волн. Оптимальным будет использование зеркал с серебряным покрытием, работающих в оптическом (видимом и ближнем ИК) диапазоне Δλ=(0,38÷1,5) мкм с коэффициентом отражения порядка 0,90-0,96 (фиг. 3) [16].

Оценим энергию, необходимую для эффективного воздействия на удаляемые фрагменты космического мусора. Основная идея предлагаемого способа удаления космического мусора, как и прототипа, состоит в том, что при воздействии на фрагменты космического мусора излучением достаточно высокой интенсивности будет происходить их торможение и изменение орбит. Процесс торможения фрагмента при воздействии на него излучением высокой интенсивности связан не с давлением света, а с испарением тонкого слоя с поверхности фрагмента, ионизацией паров и формированием плазмы (в результате процесса, называемого «абляцией»). Данный процесс достаточно сложен для теоретических оценок, поэтому в прототипе [13] его рассматривают экспериментально и оценивают лишь результаты, не вдаваясь в подробности процессов, происходящих в испаряемом слое. Для этого вводят коэффициент связи С_m как отношение переданного объекту импульса к доставленной на него энергии излучения. Коэффициент связи есть нелинейная функция интенсивности для данного материала и, кроме того, Cm зависит от длительности облучения. На фиг. 4 представлена зависимость C_m(I) для одного материала и одной длительности импульса. Пик функции C_m(I) соответствует оптимальной интенсивности, при которой максимальное изменение импульса фрагмента достигается при наименьшей величине вложенной энергии. На фиг. 4 показан коэффициент связи для обычного нейлона, облучаемого KrF (krypton fluoride) эксимерным лазером изменяемой интенсивности с длительностью импульса 22 не. При интенсивности I₀=2,5⋅10⁸ Вт/см² энергия излучения наиболее эффективно (оптимально) согласуется с изменением импульса фрагмента, причем уменьшение величины интенсивности на 50% уменьшает коэффициент связи с максимального 6,5 до 6,0 дин-с/Дж.

В действительности, оптимальная интенсивность связи Ь зависит как от длительности импульса воздействия, так и от материала. По мере уменьшения длительности импульса остается меньше времени для попадания энергии воздействия на поверхность мишени и ее проникновения внутрь, при этом оптимальная интенсивность падает.Кроме того, очевидно, что для металлов нужна несколько большая интенсивность для максимального коэффициента связи, чем для неметаллов, поскольку металлы являются лучшими проводниками тепла. В работе [13] (прототип) приводится достаточно простая формула зависимости оптимального потока энергии от времени воздействия. А именно, оптимальная плотность энергии, обеспечивающая получение максимального коэффициента связи С_m для большинства материалов и длин волн имеет степенную зависимость от времени (2), представленную на фиг. 5

где Ф_опт(t) - оптимальный поток энергии, τ - время воздействия.

Экспериментальные исследования процесса образования плазмы, проведенные в проекте «Орион», как уже отмечалось выше, имеют частичное применение к предлагаемому нами способу. Во-первых, данные, представленные авторами проекта «Орион», относятся к длительностям импульса лазерного воздействия 1/1000 сек. и менее, а в предлагаемом нами способе можно организовать практически непрерывное воздействие излучения Солнца на фрагмент, и, во-вторых, лазер работает на фиксированной длине волны, тогда, как солнечное излучение имеет широкий спектр. Это свидетельствует о преимуществах использования солнечного излучения, повышающих эффективность воздействия по сравнению с лазерным, наряду с использованием внеатмосферного (космического) канала воздействия без атмосферных искажений, а также наличием возможности круглосуточной работы. Проведенные в прототипе эксперименты позволили дать оценку требуемой (пороговой) интенсивности при длительности воздействия 1 сек. и более, как I_ПОР≈10 кВт/см². Полученная оценка интенсивности излучения, необходимой для образования плазмы, по порядку величины согласуется с приводимыми в отечественной литературе данными по требуемой плотности мощности для лазерной сварки металлов [17], что позволяет принять указанную оценку 1пор, как достоверную.

Исходя из этой величины требуемой пороговой интенсивности воздействия можно определить требуемые параметры оптической системы апертурного синтеза, формирующей изображение Солнца на удаляемых фрагментах космического мусора. Простой расчет позволяет определить, что для сфокусированного на фрагменте пятна площади S_d=1 см² и требуемой интенсивности воздействия I_ПОР=10 кВт/см² с учетом полученной выше оценки для передаваемого многоапертурной оптической системой потока солнечного излучения на входе матрицы I_В=1 кВт/м² требуется набор N субапертур матрицы апертурного синтеза с суммарной площадью S_Σ=10 м². Для обеспечения надежности силового воздействия с образованием плазмы желательно иметь трехкратный (а лучше четырехкратный) энергетический запас потому, что:

- указанные оценки делались в предположении, что падающий световой поток перпендикулярен основным зеркалам, тогда как реально лучи будут падать под некоторыми углами;

- неизбежны дополнительные потери энергии за счет пере отражений на нескольких зеркалах субтелескопов и оптической системы апертурного синтеза в целом.

Принимая 4-кратный энергетический запас, получаем, что суммарная площадь синтезируемой апертуры должна быть S_4Σ=40 м², что соответствует, например, N=6 субапертурам диаметра D=2,9 м, N=9 субапертурам диаметра D=2,4 м или N=50 субапертурам диаметра D=1 м. Выбор оптимального диаметра субапертуры следует производить исходя из критерия «эффективность-стоимость». Этот вопрос для наземных оптических систем апертурного синтеза подробно рассмотрен в работе [18]. Согласно [18] зависимость общей стоимости создания матрицы N субтелескопов C_N на единицу ее светособирающей поверхности S_M определяется соотношением

где C_N определяется как C_N=N (αD^β+I), а S_M определяется как S_M=N⋅πD²/4; D - диаметр субапертуры субтелескопа матрицы; α и β - параметры масштабного закона стоимости С=αD^β, а I - стоимость оборудования каждого субтелескопа матрицы.

Результаты оценки оптимального размера субапертур матрицы по критерию «эффективность-стоимость» (3), приведенные в [18], дают оптимальный диаметр субапертуры одного субтелескопа матрицы в диапазоне D_опт=(2-5) м. Увеличение количества зеркал с уменьшением их диаметра приведет к увеличению в (3) второго слагаемого I/D², так как для каждого субтелескопа потребуется свой дорогостоящий комплект оборудования, что, как следствие, приведет к нежелательному увеличению стоимости всей системы. Учитывая изложенное, исходя из весовых и габаритных возможностей носителя, доставляющего субтелескопы в космос, выбираем для системы формирования мощного оптического излучения 6 субтелескопов космической матрицы с диаметрами субапертур D=2,9 м каждая или 9 субтелескопов матрицы с диаметрами субапертур D=2,4 м, обеспечивая требуемую светособирающую поверхность матрицы S_M=S_4Σ=40 м². Существующие технологии позволяют добиться снижения веса каждого зеркала субапертуры матрицы до (80-100) кг и обеспечить его доставку в космос для сборки всей оптической системы апертурного синтеза на орбите [19].

Остановимся на выборе пространственной конфигурации расположения субапертур (субтелескопов) в матрице. Здесь предлагается неизбыточное расположение субапертур, когда расстояния между субапертурами субтелескопов матрицы не повторяются ни по величине, ни по направлению [20]. Преимущества неизбыточного расположения субапертур матрицы апертурного синтеза отмечены в работе [21]. Пример неизбыточного расположения субапертур для субтелескопов матрицы при N=6 (GOLAY-6) и N=9 (GOLAY-9) представлен на фиг. 6 [22]. Здесь также представлены избыточные конфигурации монолитного телескопа одной апертуры диаметра D, нового национального технологического телескопа (NNTT), много зеркального телескопа (ММТ) и неизбыточная конфигурация креста Миллса. Проведенные исследования неизбыточных конфигураций расположения субапертур матрицы показали, что в этом случае оптическая передаточная функция матрицы не имеет нулей в области пространственных частот вплоть до частоты отсечки матрицы, а функция рассеяния точки матрицы имеет минимальный уровень боковых лепестков и максимальную интенсивность центрального пика. Кроме того, неизбыточная матрица в меньшей степени подвержена воздействию аберрационных инструментальных искажений в субтелескопах матрицы по сравнению с избыточной матрицей.

Оценим время, в течение которого требуется производить облучение удаляемого фрагмента. Для изменения скорости и орбиты фрагмента в случае облучения всей его поверхности справедлива формула [13]

где C_m - коэффициент связи, рассмотренный выше; Ф(t) - требуемый поток энергии, определяемый (3); a S/m - отношение площади поверхности фрагмента к его массе.

Изменения скоростей, требуемые для изменения орбит фрагментов, представлены в таблице [13].

Принимая С_m=6 дин⋅c/Дж=6⋅10^-5 Н⋅c/Дж и S/m=0,15 см²/г=150 см²/кг, можно получить оценку времени воздействия τ=0,5 сек. Таким образом, можно оценить необходимое время воздействия на фрагмент космического мусора площадью S_d=1 см² как τ_в=1 сек. Для более крупных фрагментов, соответственно, потребуется более длительное воздействие, возрастающее квадратично с увеличением площади. Уменьшить время воздействия можно лишь увеличив размер пятна воздействия с сохранением его интенсивности, что, в свою очередь, потребует увеличения светособирающей поверхности матрицы S_4Σ и числа ее субтелескопов N.

Здесь следует заметить, что в прототипе [13] рассматривается случай воздействия на объект с земной поверхности, когда возникающая в результате облучения перпендикулярная составляющая скорости направлена вверх и является нежелательной. В нашем случае, когда система находится на более высокой орбите, чем фрагмент, перпендикулярная составляющая скорости, наоборот, направлена вниз и будет полезной, что позволит сократить время воздействия.

Рассмотрим принципы построения и стратегию применения системы, реализующей предлагаемый способ удаления фрагментов космического мусора. Для активного удаления фрагментов космического мусора мы предлагаем использовать силовую оптическую космическую систему апертурного синтеза, представленную на фиг. 1. Для оптической локации космического мусора необходимо иметь отдельную от силовой информационную многоапертурную оптическую систему контроля, так как силовая система, формирующая изображение Солнца на фрагменте космического мусора, должна все время быть нацелена на Солнце, и ее использование для локации фрагментов космического мусора является проблематичным. Существующие системы оптической локации космического мусора, как правило, являются наземными и рассмотрены в прототипе [13] и в монографии [18]. Для контроля высокоорбитальных космических объектов и фрагментов космического мусора предложена и запатентована наземная оптическая система апертурного синтеза на базе матрицы отдельных подвижных субтелескопов и центральной неподвижной станции, когерентно комбинирующей субпучки от субтелескопов и формирующей изображение контролируемого объекта космического мусора [23]. Принципы, лежащие в основе построения и функционирования наземных оптических систем контроля космического мусора могут с успехом быть применены и в космосе. Основные преимущества космических систем перед наземными заключаются: в отсутствии атмосферы и связанных с ней искажений, а также, в большей яркости наблюдаемых объектов и возможности круглосуточной работы. Учитывая это, здесь мы предлагаем оптическую локационную систему контроля фрагментов космического мусора космического базирования, использующую в качестве источника подсвета Солнце и расположенную рядом с силовой космической системой удаления фрагментов космического мусора. Основные трудности создания космических систем связаны с ограничениями на размеры, массу и механические свойства конструкций в космосе. Оптические матрицы апертурного синтеза в космосе для наблюдения астрономических объектов активно разрабатываются в США, Франции и ряде других стран, подтверждая актуальность и перспективность этих исследований по контролю космического пространства из космоса. Различные подходы к созданию многоапертурных оптических систем в космосе изложены в трудах международного коллоквиума [24]. Учитывая это, считаем, что оптимальным для контроля фрагментов космического мусора является использование оптической системы локации фрагментов, подсвеченных Солнцем, расположенной на орбите высотой (2000-2500) км, то есть на таком же расстоянии 1000 км от орбит с наибольшей концентрацией космического мусора (800-1600) км, что и наземные системы контроля [13].

Оценим некоторые параметры оптической локационной системы контроля. Как будет показано ниже, размер изображения Солнца на фрагментах космического мусора, соответствующий современным возможностям по суммарной площади приемной апертуры и требуемой плотности мощности составляет λ=1 см. Следовательно, требуется, чтобы система локации как минимум дифракционно разрешала подобный размер. Для расстояния R=1000 км и средней длины волны солнечной подсветки космического мусора λ=0,5 мкм имеем требуемую апертуру оптического локатора диаметра D_Л=λRJd=50 м, то есть такую же, как у силовой оптической системы воздействия. Очевидно, что построение монолитного зеркала с указанной апертурой не представляется возможным (тем более в космосе) и система локации космического мусора, как и система воздействия, должна быть многоапертурной, состоящей из субтелескопов апертурного синтеза. Субпучки от отдельных субтелескопов будут сводиться в центральную станцию (выходной телескоп), аналогично [23], где будет производиться формирование и детектирование изображений удаляемых фрагментов космического мусора.

Оценим параметры детектора, требуемого для такой локационной системы. Разрешение детектора должно быть согласовано с разрешением оптической системы по критерию Найк-виста, когда на элемент разрешения оптики приходятся как минимум два элемента разрешения (пикселя) цифрового детектора [25]. Это согласование дает угловой размер элемента разрешения (пикселя) цифрового детектора порядка θ ≈ 0,5⋅1 см/1000 км ≈ 0,5⋅10^-8 рад. При скорости фрагментов космического мусора в 10 км/сек и времени экспонирования 1/1000 сек потребуется 10⁴ элементов (пикселей) цифрового детектора (по горизонтали и вертикали) для надежного определения скорости и направления движения фрагмента. В настоящее время это является технически возможным, так как при размере одного пикселя детектора порядка 10 мкм потребуется цифровой детектор с размером ПЗС матрицы 10 см × 10 см.

Общие принципы работы системы оптической локации космического базирования аналогичны принципам работы подобных систем наземного базирования, рассмотренных в работах [13, 18, 20]. Такая система должна осуществлять:

- поиск и автономное обнаружение фрагмента космического мусора;

- сопровождение фрагмента;

- быструю идентификацию фрагмента по данным траекторных и сигнальных измерений;

- передачу данных о фрагменте на следящее устройство выходного телескопа силовой оптической системы для наведения мощного солнечного излучения воздействия на удаляемый фрагмент;

- оценку факта воздействия мощного солнечного излучения на фрагмент. Алгоритм функционирования локационной системы включает следующие операции:

- сканирование космического пространства в поисках фрагментов космического мусора (наблюдение в течение фиксированного времени выбранного участка космического пространства, а затем перемещение к следующему участку);

- при обнаружении фрагмента осуществляют слежение за его движением в поле зрения системы в течение нескольких кадров;

- производится расчет траектории и скорости движения фрагмента для предсказания его будущего положения;

- данные расчета передаются на силовую оптическую систему, которая осуществляет воздействие на фрагмент с учетом задержки наведения;

- одновременно с воздействием на фрагмент силовой оптической системой выполняют поворот матрицы субтелескопов оптической локационной системы для удержания фрагмента в поле зрения системы и оценки степени изменения его траектории в результате воздействия.

Перейдем к рассмотрению принципов построения и стратегии применения силовой оптической космической системы, осуществляющей удаление фрагментов космического мусора в соответствии с предлагаемым нами способом.

При ее разработке требуется определить следующее:

- орбиту расположения силовой оптической системы и положение удаляемых ею фрагментов;

- тип многоапертурной оптической системы;

- число и расположение субапертур в многоапертурной оптической системе;

- комбинирование субпучков от отдельных субтелескопов силовой оптической системы для формирования мощного оптического излучения путем наведения, фазирования и фигуризации субпучков;

- фокусировку и наведение мощного оптического излучения Солнца на удаляемый фрагмент;

- удержание под контролем локационной оптической системы сфокусированного излучения воздействия на удаляемом фрагменте до возникновения плазмы и изменения его траектории.

Выбор орбиты, на которой должна располагаться система удаления фрагментов космического мусора, определяется, в основном, двумя факторами. С одной стороны, система должна быть расположена достаточно близко к фрагментам космического мусора, чтобы пятно диаметра d=1 см на фрагменте дифракционно разрешалось для синтезируемой апертуры. С другой стороны, при слишком большом приближении к фрагментам космического мусора потребуется наклон фокусирующей оптики на очень большие углы при осуществлении облучения удаляемого фрагмента. Например, при расстоянии до фрагмента космического мусора порядка 10 км потребуется работа системы наведения со скоростью до 1 рад/сек и с точностью 10^-6 рад, что практически невозможно. Верхний предел расстояния до фрагмента космического мусора можно оценить в 1000 км, что соответствует 50-метровому разносу (базису) субапертур многоапертурной оптической системы воздействия. Исходя из этих соображений, а также данных о преимущественном нахождении фрагментов космического мусора на орбитах (800-1600) км можно сделать вывод о том, что оптимальным будет размещение силовой многоапертурной оптической системы воздействия, как и локационной, на орбитах (2000-2500) км. При этом, в процессе работы системы возможен перевод их на более высокие или более низкий орбиты, в зависимости от расчищаемого диапазона высот.

Рассмотрим тип многоапертурной оптической системы, подходящей для реализации предлагаемого способа удаления фрагментов космического мусора. Существуют два основных подхода (концепции) к построению оптических матриц в космосе: это, во-первых, связанные матрицы, содержащие жестко соединенные элементы (субтелескопы) на несущем каркасе [26], аналогичные концепции многозеркального телескопа наземных оптических систем апертурного синтеза [27], и, во-вторых, это свободные матрицы, содержащие субтелескопы, свободно плавающие в космическом пространстве [28], аналогичные матрице отдельных телескопов наземных оптических систем апертурного синтеза [29].

В предлагаемом нами способе удаления космического мусора целесообразно использовать жесткую конструкцию связанной матрицы, так как: - расстояние между отдельными субтелескопами матрицы здесь не так велико, чтобы создание такой жестко связанной конструкции в космосе было невозможно;

- в свободных матрицах требуются дополнительные системы позиционирования, но такие системы на основе реактивных двигателей могут не обеспечить требуемую точность, а конструкции на основе солнечных парусов для предлагаемой силовой оптической системы, постоянно направленной на Солнце, могут быть неоправданно сложными; - жесткие матрицы подобного размера (50 м) хорошо изучены, в том числе и с точки зрения стабильности положения субтелескопов, а доступные материалы с малым коэффициентом теплового расширения (например, карбид кремния) делают такие системы практически реализуемыми.

Проведенная выше оценка оптимального числа зеркал в матрице воздействия показала, что для эффективного воздействия потребуется, как минимум, шесть зеркал (N=6) диаметра D=2,9 м или девять зеркал (N=9) диаметра D=2,4 м для достижения суммарной светособи-рающей поверхности S_4Σ=40 м² и расположенных в неизбыточной конфигурации, представленной на фиг. 6. Итоговая система удаления космического мусора будет представлять собой частично заполненную матрицу апертурного синтеза (фиг. 1), состоящую из трех основных ступеней. Первую ступень представляет ряд отдельных входных афокальных субтелескопов (коллиматоров) - 3. Вторая ступень состоит из системы когерентного выравнивания субпучков - 4 (фазирования - 5,6,7, наведения и фигуризации - 8). И третья ступень состоит из выходного телескопа - 9, фокусирующего суммарное излучение субпучков и наводящего его на удаляемый фрагмент космического мусора - 10. Перед третьей ступенью в соответствии с «золотым правилом» обычно формируется изображение выходного зрачка, эквивалентное входному зрачку матрицы. Почти все требуемые юстировки матрицы выполняются с помощью наклонов и смещений плоских зеркал 8 второй ступени. В нее могут включаться оптические линии задержки 7 при различном удалении субтелескопов и их попарно комбинируемых субпучков от центра матрицы.

Пример локационная оптическая система апертурного синтеза, состоящая из линейки четырех неизбыточно расположенных субтелескопов космической системы «COSMIC» "Coherent Optical System of Modular Imaging Collectors" [26] представлен на фиг. 7. Здесь также, как и в силовой оптической системе (фиг. 1) присутствуют три ступени. Первую ступень образуют независимые афокальные телескопы (independent afocal telescopes). Вторая ступень состоит из зеркал, регулирующих фазу (phase adjusting mirrors) - выравнивателей оптических трасс (optical path equalizers). И третья ступень состоит здесь из выходного телескопа, комбинирующего пучки (beam combining telescope) и формирующего когерентное изображение (coherent image) в фокальной плоскости (focal plane).

Здесь (фиг. 7) введены обозначения масштабных коэффициентов: М_Т=D'_n / D_n и М_С=r_n/ r'_n, а при М_С=М_Т выполняется упомянутое выше «золотое правило» апертурного синтеза [14].

Рассмотрим стратегию применения всей системы удаления фрагментов космического мусора, включающей локационную и силовую многоапертурные оптические системы в космосе.

Оптическая локационная система контроля фрагментов космического мусора осуществляет поиск, обнаружение, захват и сопровождение удаляемого фрагмента космического мусора. Определив траекторию движения фрагмента, оптическая локационная система передает эту информацию на силовую оптическую систему удаления фрагментов космического мусора. Одновременно с этим силовая оптическая система апертурного синтеза формирует мощное оптическое излучение Солнца. По полученным от локационной системы целеуказаниям силовая оптическая система с помощью выходного телескопа - 9 фокусирует суммарное мощное оптическое излучение N субпучков - 4 от N субтелескопов - 3 матрицы, прошедших последовательность операций фазирования, наведения субпучков и фигуризации системы апертурного синтеза - 5÷8, и наводит его на удаляемый фрагмент космического мусора. После наведения, силовая оптическая система удерживает сфокусированное мощное оптическое излучение Солнца на удаляемом фрагменте до образования на его поверхности плазмы торможения и перевода фрагмента с круговой орбиты на эллиптическую для входа его в плотные слои атмосферы и сгорания. При этом оптическая локационная система наблюдает за изменением состояния удаляемого фрагмента, а именно, за возникновением плазмы на его поверхности и фиксирует факт изменения его траектории. После чего начинается поиск и удаление следующего фрагмента космического мусора.

Тот факт, что в предлагаемом способе удаления фрагментов космического мусора энергетическое воздействие на удаляемые фрагменты осуществляется мощным излучением естественного источника - Солнца, свидетельствует о сокращении энергетических затрат на воздействие по сравнению с прототипом, формирующим для воздействия на фрагмент мощное лазерное излучение. А тот факт, что в предлагаемом способе, в отличие от прототипа, удаление фрагментов космического мусора осуществляется из космоса, минуя земную атмосферу, позволяет избежать негативных эффектов влияния атмосферы на распространение мощного пучка оптического излучения. Это свидетельствует о том, что цель предлагаемого способа удаления фрагментов космического мусора, а именно, сокращение энергетических затрат и устранение влияния атмосферы - достигнута.

Используемые источники

1. Велихов Е.П., Васильев А.А., Арбатов А.Г. Космическое оружие: Дилемма безопасности / Под. ред. Е.П. Велихова, Р.З. Сагдеева, А.А. Кокошина, М.: Мир, 1986, 182 с.

2. Bloembergen N., Patel С.K., Avizonis P. et al. Science and Technology of Directed Energy Weapons // Report of the American Physical Society Study Group, April, 1987, 424 p.

3. Проблема загрязнения космоса (космический мусор): Сб. науч. тр. / Ин-т астрономии РАН; отв. редактор А.Г. Масевич, М.: Космосинформ, 1993, 150 с.

4. Столкновения в околоземном пространстве (космический мусор): Сб. науч. тр. / Ин-т астрономии РАН; отв. редактор А.Г. Масевич, М.: Космосинформ, 1995, 322 с.

5. Аблеков В.К., Колядин С.А., Фролов А.В. Высокоразрешающие оптические системы, М.: Машиностроение, 1985, 176 с.

6. Иванов В.Л., Меньшиков В.А., Пчелинцев Л.А., Лебедев В.В. Космический мусор: Проблема и пути ее решения: в 3 томах, Т. 1, М.: Патриот, 1996, 302 с.

7. Клюшников В.А. Синдром Кесслера: будет ли закрыта дорога в космос? // Воздушно-космическая сфера, 2021, №4 (109), С. 32-43.

8. Мещеряков С.А. О работах по защите космических аппаратов от воздействия частиц космического мусора // Космонавтика и ракетостроение, 2000, №18, С. 109-113.

9. Горькавый Н.Н. Проблемы экологии ближнего космоса и оценки эффективности искусственной очистки. В Сб. науч. тр. Проблема загрязнения космоса (космический мусор): Сб. науч. тр. / Ин-т астрономии РАН; отв. редактор А.Г. Масевич, М.: Космосинформ, 1993, 150 с., С. 142-146.

10. Зеркала Архимеда - Википедия. URL: https://ru.wikipedia.Org/w/index.php?title= Зеркала_Архимеда&oldid=1096234 57

11. Archimedes Weapon. URL: http://www.time.come/time/magazine/article/ 0,9171,908175,00.html?promoid=googlep

12. Толстой A.H. Гиперболоид инженера Гарина. М.: Советская Россия. 1988. 293 с.

13. Campbell G.W. Project ORION: Orbital Debris Removal Using Ground-Based Sensors and Lasers, NASA Technical memorandum №108522, 1996.

14. Traub W.A. Combining beams from separated telescopes // Applied Optics, 1986, V. 25, №4, C. 528-532.

15. NASA Sun Facts sheet. URL: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html

16. Telescope Mirror Coating Specifications. URL: http://www.spectrum-coatings.com/telescope.html

17. Вашуков Ю.А., Хомич Ю.В. и др. Лазерная обработка поверхности металлических сплавов для диффузионной сварки // Прикладная физика, 2019, №1, С. 82-87.

18. Свиридов К.Н. Оптическая локация космического мусора. М.: Знание. 2006. 488 с.

19. Современные телескопы / Под. ред. Дж. Бербиджа, А. Хьюита. М.: Мир, 1984, 312 с.

20. Russel F.D., Goodman J.W. Non redundant arrays and postdetection processing for aberration compensation in incoherent imaging // J. Opt. Soc. Am. 1971. V. 61. №2. P. 182-187.

21. Roddier F. Redundant versus non redundant beam recombination in an aperture synthesis with coherent optical arrays // J. Opt. Soc. Am. 1987. V. 4A. P. 1396-1402.

22. M.J.E. Golay, Point arrays having compact non redundant autocorrelation // J. Opt. Soc. Am., Vol.61, pp. 272- 273 (1971).

23. Свиридов К.Н. Патент РФ №2575538 от 26.01.2016 на «Способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу» по заявке на изобретение №2014134182 от 21. 08.2014.

24. Proc. Colloquium "Kilometric optical arrays in space", Cargese (Corsica), 23-25 October 1984 (ESA SP-226), April 1985.

25. Свиридов К.Н. Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения. М.: Знание, 2005, 452 с.

26. Traub W.A., Carlenon N.P. COSMIC: a high resolution, large collecting area telescopes, p.43-48 в сборнике трудов международного коллоквиума Proc. Colloquium "Kilometric optical arrays in space", Cargese (Corsica), 23-25 October 1984 (ESA SP-226), April 1985.

27. Беккерс Дж. M. и др. Многозеркальный телескоп, с. 82-148. В книге Современные телескопы / Под. ред. Дж. Бербиджа, А. Хьюита. М.: Мир, 1984, 312 с.

28. Labeyrie A. et al. TRIO: a kilometric array stabilized by solar sails, p. 27-33. В сборнике трудов международного коллоквиума Proc. Colloquium "Kilometric optical arrays in space", Cargese (Corsica), 23-25 October 1984 (ESA SP-226), April 1985.

29. Labeyrie A. Results and limitations of ground-based optical arrays, p. 1-6 в сборнике трудов международного коллоквиума Proc. Colloquium "Kilometric optical arrays in space", Cargese (Corsica), 23-25 October 1984 (ESA SP-226), April 1985.

Использование: для удаления фрагментов космического мусора. Сущность изобретения заключается в том, что для формирования мощного солнечного оптического излучения осуществляют апертурный синтез в оптике и когерентно суммируют путем наведения, фазирования и фигуризации излучения N субпучков, сформированных N субтелескопами синтезируемой многоапертурной оптической системы, находящейся на гелиосинхронной космической орбите и постоянно ориентированной на Солнце, а сформированное мощное излучение Солнца фокусируют и наводят на удаляемый фрагмент космического мусора, после чего удерживают мощное излучение на фрагменте до образования плазмы торможения и перевода фрагмента с круговой орбиты на эллиптическую. При достаточной мощности излучения мелкие фрагменты можно сжигать, а более крупные переводить на низкие эллиптические орбиты с последующим сгоранием фрагментов в плотных слоях атмосферы Земли. Технический результат: обеспечение возможности устранения влияния атмосферы и сокращение энергетических затрат при удалении фрагментов космического мусора. 7 ил., 1 табл.

Способ удаления фрагментов космического мусора, основанный на оптической локации фрагмента космического мусора путем его поиска, обнаружения, захвата, сопровождения, идентификации и определения координат, а после идентификации и принятия решения об удалении фрагмента, передачи его координат на силовую оптическую систему для удаления фрагмента путем формирования мощного оптического излучения, его фокусировки и наведения на удаляемый фрагмент, создания при этом плазмы на поверхности фрагмента, его торможения плазмой и перевода удаляемого фрагмента с круговой орбиты на эллиптическую для последующего его входа в плотные слои атмосферы Земли и сгорания в ней, отличающийся тем, что с целью сокращения энергетических затрат и устранения влияния атмосферы в качестве источника излучения используют Солнце, а для формирования его мощного оптического излучения осуществляют апертурный синтез в оптике и когерентно суммируют путем наведения, фазирования и фигуризации излучения N субпучков, сформированных N субтелескопами синтезируемой многоапертурной оптической системы, находящейся на гелиосинхронной космической орбите высотой (2000÷2500) км и постоянно ориентированной на Солнце, а сформированное мощное излучение Солнца фокусируют и наводят на удаляемый фрагмент космического мусора по целеуказаниям локационной оптической системы, расположенной в космосе рядом с силовой оптической системой, после чего под контролем локационной оптической системы удерживают сфокусированное излучение на фрагменте до образования плазмы торможения и перевода фрагмента с круговой орбиты на эллиптическую, при этом суммарную светособирающую поверхность синтезируемой апертуры площади Si определяют исходя из величины солнечной постоянной плотности мощности (интенсивности) излучения в околоземном космическом пространстве, равной I_С=1367 Вт/м², а также учитывая требование достижения интенсивности синтезируемого суммарного излучения I_Σ, превышающей ее пороговое значение I_ПОР.=10 кВт/см², необходимое для образования плазмы в пятне воздействия площади S_d=1 см² на удаляемом фрагменте, и получают S_Σ=10 м², а для обеспечения 4-кратного энергетического запаса в интенсивности воздействия, равного I_4Σ=40 кВт/см², получают суммарную светособирающую поверхность матрицы, равной S_4Σ=40 м², причем для достижения этого конфигурацию синтезируемой многоапертурной оптической системы формируют как частично-заполненную матрицу разнесенных жестко связанных субтелескопов с неизбыточным расположением их субапертур, а размер каждой субапертуры субтелескопа матрицы площади S выбирают исходя из предельных возможностей по весам и габаритам носителя, доставляющего субтелескопы в космос для сборки матрицы, при этом число субтелескопов в матрице N определяют как N=S_4Σ/S, а для фокусировки сформированного излучения средней длины волны λ=0,5 мкм в пятно воздействия размера d=1 см на дальности до фрагмента космического мусора R=1000 км максимальное базовое расстояние L между субапертурами в матрице определяют равным L=λR/d=50 м.