Спосіб усунення космічних об’єктів з навколоземних орбіт та система для його здійснення

Реферат: Спосіб усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт (НЗО) та система для його здійснення належить до космічної техніки, а саме до способів та систем усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт. Принцип дії способу усунення космічних об'єктів з НЗО за допомогою космічного апарата-сміттяра (КАС) базується на виведенні КАС на орбіту космічного об'єкта, що усувається (КОУ). Далі проводиться коригування орбіти КАС до забезпечення мінімальної орбітальної відстані між КАС і КОУ та забезпечення за допомогою системи орієнтації та стабілізації і двигунних установок орбітального зближення КАС співпадіння орбіт КОУ і КАС. Після формування єдиної орбіти та максимального зближення КАС і КОУ, від КАС по його повздовжній осі в напрямку КОУ відділяють капсулу, після відділення значно збільшують розміри її поперечного перерізу (розгортають) шляхом формування надувної оболонки. Капсулі при відділенні від КАС надають швидкість, що забезпечує її стикання в розгорнутому стані з КОУ. Після стикання КОУ фіксують та утримують в розгорнутій капсулі до усунення його разом з розгорнутою капсулою з навколоземної орбіти за рахунок їх аеродинамічної взаємодії з навколишнім середовищем. Система для здійснення способу включає ракету-носій з розгінним блоком, КАС з установленими на ньому капсулами, які відділяються по черзі та розгортаються. В розгорнутому вигляді капсула формується зовнішнім шаром тороїдальних оболонок, які утворюють конічну поверхню, та внутрішнім шаром, який за рахунок примусового наддуву або спінювання аерогелю фіксує КОУ до сходу його з орбіти. Винахід дозволяє збільшити UA 109318 C2 (12) UA 109318 C2 ефективність усунення космічного об'єкта з орбіти та зменшити затрати бортової енергії на усунення космічного об'єкта з орбіти. UA 109318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт та система для його здійснення належить до космічної техніки, а саме до способів та систем усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт, зокрема строк активного існування яких закінчився, і вони являють собою загрозу працюючим космічним апаратам. По даних спеціалістів Національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору США (NASA) на січень 2013 р. на навколоземних орбітах знаходилось біля 9400 об'єктів техногенного походження, так званого космічного сміття [The Orbital Debris Quarterly News. NASA JSC Houston. 2013. Vol. 17, № 1. - P. 8.]. Робочою групою Міжагентського комітету по космічному сміттю (МККМ) проведено прогнозування зростання фрагментів космічного сміття на навколоземних орбітах (НЗО) [Virgili В.В. Active debris removal for LEO missions / B.B. Virgili, H. Krag // in proceedings of 31st IADC meeting, Darmstadt, Germany, 18th of April, 2013], в результаті виявлено, що на даний час на навколоземних орбітах висотою 500-1200 км космічне сміття знаходиться в нестійкому стані, і навіть якщо всі космічні апарати, що запускаються, будуть сходити з орбіти протягом не більше 25 років, як це рекомендовано Керівними принципами МККМ, [1ADC Space debris mitigation guidelines [Електронний ресурс]. IADC-2002-01. Revision 1 / Prepared by the IADC Steering Group and WG4 members. - 2003. - September. - 10 p. - Режим доступу: http://www.iadc-online.org/index.cgi?item=docs_pub], кількість фрагментів космічного сміття буде щорічно зростати. Для стабілізації ситуації було запропоновано [Virgili B.В. Active debris removal for LEO missions / B.B. Virgili, H. Krag // in proceedings of 31st IADC meeting, Darmstadt, Germany, 18th of April, 2013] видаляти з навколоземних орбіт щорічно не менше 5 об'єктів розміром більше 10 см у перерізі. Видаляти космічне сміття пропонують різними способами та системами для їх здійснення, зокрема за допомогою космічних апаратів-сміттярів (КАС). Принцип дії способу усунення космічних об'єктів (КО) з НЗО за допомогою КАС базується на виведенні КАС на орбіту космічного об'єкта, що усувається (КОУ), виконання за допомогою двигунної установки КАС орбітального маневру по зближенню з КОУ, подальше коригування орбіти КАС до забезпечення мінімальної орбітальної відстані між цими космічними об'єктами, та забезпечення за допомогою системи орієнтації та стабілізації і двигунних установок орбітального зближення КАС співпадіння орбіт КОУ і КАС, в тому числі - нахилу орбіт, напрямів та величин орбітальної швидкості з метою подальших дій з боку КАС на КОУ, наприклад, опромінюванням потужним променем лазера, спрямованим вибухом, а найчастіше - захоплення при безпосередньому контакті КАС і КОУ та усунення КОУ з орбіти за допомогою двигунної установки КАС. Вперше у світовій практиці захоплення космічних апаратів Раlара-B2R та Westar-6 маніпулятором і усунення їх з орбіти було виконано під час місії Спейс Шаттла STS-51A [Retrievals of Westar VI, Palapa B-2: An Epic Adventure [Електронний ресурс] / Hughes aircraft company. - Режим доступу: http://www.hughesscgheritage.com/retrievals-of-westar-vi-palapa-b-2-anepic-adventure-from-a-special-commemorative-issue-of-scg-journal-december-1984/]. 8 листопада 1984 p. була проведена космічна місія Спейс Шаттла "Діскавері" STS-51А. Метою цієї місії було повернення на Землю на борту Шаттла "Діскавері" КА Раіара-В-2 та Westar-6. KA знаходилися на орбіті висотою 362 км. Шаттл виконав орбітальний маневр по зближенню на відстань 10,7 м до КА та зрівнянню орбітальної швидкості до 7,8 км/с. Після цього два астронавти виконали вихід у космічний простір та за допомогою маніпулятора довжиною 15 м зачепили та перенесли КА Раlара-В-2 та Westar-6 на борт Шаттла "Діскавері". Шаттл "Діскавері" разом з супутниками приземлився 16 листопада 1984 р. Для КАС запропоновані різноманітні системи захоплення або безконтактної дії на КОУ - у вигляді механічного маніпулятора, надувного маніпулятора, гарпуна, полімерної сітки, концентрованого опромінювання потоку іонізованого газу та ін. [Lousada J. An overview and evaluation of active space debris removal concepts / J. Lousada, N. van der Pas, С. Terhes, M. Bernabeu, W. Bauer // Proceedings of 64th International Astronautical Congress, IAC-13-A6.6.2, Beijing, China, 2013, The Space Debris Story 2013 [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.youtube.com/watch?v=OGfU2u1__ОІ]. Описи КАС різних конструктивних схем, які реалізують вказані способи, приведено в ряді джерел інформації, зокрема: 7 1. Пат. РФ на винахід 2141436, МПК В 64 G 1/00. Космический аппарат для очистки космоса от пассивных КА и их фрагментов /A.А. Масленников. - 98118792/28; заявл. 14.10.98; опубл. 20.11.99. 7 2. Пат. РФ на винахід 2092408, МПК В 64 G 9/00. Космический аппарат для очистки космического пространства от мусора / А.А. Масленников, В.В. Синявский. - 93050919/11; заявл. 09.11.93; опубл. 10.10.97. 1 UA 109318 C2 7 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. Пат. РФ на винахід 2092409, МПК В 64 G 9/00. Способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления / Ю.В. Корягин, В.Н. Долгих, В.И. Савин, B.П. Сенкевич, Э.Г. Семененко. - 93052084/11; заявл. 16.11.93; опубл. 10.10.97. 7 4. Пат. РФ на винахід 2040448, МПК В 64 G 9/00. Космический аппарат для очистки космоса от мусора / В.В. Пухов, В.В. Синявский, А.А. Масленников. - 5025498/23; заявл. 04.02.92; опубл. 25.07.95. 5. Зайцева О.Н. Аспекты технической реализации автоматического космического комплекса для захвата и свода с орбиты объектов, прекративших свое существование / О.Н. Зайцева, А.В. Лукьянчиков, К.М. Пичхадзе // Вестник НПО им. C.А. Лавочкина. - 2012. - № 2. - С. 4-11. 6. Головко М.Г. Технические аспекты борьбы с космическим мусором / М.Г. Головко, В.А. Безуглый, С.Г. Бондаренко, Ю.А. Рубаха, Р.О. Покровский // Екологія та ноосферологія. - 2012. Т. 23, № 1-2. - С. 110-120. 7. Дронь Н.М. Оценка характеристик космических мусоросборщиков с ЭРД при двух вариантах маневров их выведения на орбиту / Н.М. Дронь, Л.Г. Дубовик, А.И. Кондратьев, А.В. Хитько, П.Г. Хорольский // Космічна наука і технологія. - 2010. - Т. 16, № 5. - С. 59-61. 7 8. Пат. США на винахід 5120008, МПК В 64 G 1/10. Orbital debris processor and method therefor / K. Ramohalli. - 387583; заявл. 28.07.89; опубл. 09.06.92. 7 9. Пат. США на винахід 5153407, МПК В 23 К 26/00. Method and device for removing space debris / W. Schall. - 631386; заявл. 20.12.90; опубл. 06.10.92. 7 10. Пат. США на винахід 5421540, МПК В 64 G 1/22. Method and apparatus for disposal/recovery of orbiting space debris / P.C. Ting. - 937057; заявл. 26.08.92; опубл. 06.06.95. 7 11. Пат. США на винахід 5405108, МПК F 42 В 1/00. Space debris clearing device / L. Marin, Jr., K. DeVault, J.J. Secary. - 940147; заявл. 03.09.92; опубл. 11.04.95. 7 12. Пат. США на винахід 6655637, МПК В 64 G 1/62. Spacecraft for removal of space orbital debris / E.Y. Robinson. - 10/179788; заявл. 24.06.02; опубл. 02.12.03. 7 13. Пат. США на винахід 7070151, МПК В 64 G 1/64. In orbit space transportation and recovery system / R.F. D'Ausilio, R.X. Lenard, С.W. Uphoff, F.H. Williams, Jr. - 10/755200; заявл. 09.01.04; опубл. 04.07.06. 7 14. Пат. США на винахід 7293743, MПK В 64 G 1/64. Method and associated apparatus for capturing, servicing, and de-orbiting earth satellites using robotics / F.J. Cepollina, R.D. Burns, J.M. Holz, J.E. Corbo, N.M. Jedhrich. - 11/670270; заявл. 01.02.07; опубл. 13.11.07. 7 15. Пат. США на винахід 8226046, МПК В 64 G 1/64. Stabilization of unstable space debris / D. Poulos. - 12/952886; заявл. 23.11.10; опубл. 24.07.12. 7 16. Заява на видачу пат. США на винахід 20120175466, МПК В 64 G 1/62. Space debris removal using upper atmosphere / D.A. Gregory, J-F. Mergen. - 12/986346; заявл. 07.01.11; опубл. 12.07.12. 7 17. Заява на видачу пат. США на винахід 20120241562, МПК В 64 G 1/62. Space debris removal / М.J. Dunn. - 13/069028; заявл. 22.03.11; опубл. 27.09.12. 7 18. Пат. США на винахід 8403269, МПК В 64 G 1/40. Orbit debris removal and asset protection assembly / S.F. Stone, J.L. Guerrero, D.L. Towles. - 12/909935; заявл. 22.10.10; опубл. 26.03.13. 19. Bombardelli С. Ion beam shepherd for contactless space debris removal / C. Bombardelli, J. Pelaez // Journal of guidance, control and dynamics, 2011. - Vol. 34, № 3. - P. 916-920. 20. Nishida S. Japan & OOS: Selected prospects [Електронний ресурс] / S. Nishida, S. Kibe // National aerospace laboratory of japan. Режим доступу: http://www.on-orbitservicing.com/workshop_2002/OOS-Docs-ST6-1/5-4a.pdf. 21. Quinlan J.R. On the design of an active debris removal architecture for low earth orbit space debris remediation / J.R. Quinlan, C.A. Jones, V. Vittaldev, A. Wilhite // Proceedings of AIAA Space conference & exposition 27-29 September 2011, AIAA 2011-7250, Long Beach, California. 22. Richard M. Uncooperative Rendezvous and Docking for MicroSats. The case for CleanSpace One / M. Richard, L. Kronig, F. Belloni and other // Proceedings of 6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, RAST 2013, 12-14 June 2013, Istanbul, Turkiye. 23. Pearson J. The electrodynamic debris eliminator (EDDE): Removing debris in space [Электронный ресурс] / The Bent of Tau Beta Pi, spring 2010. - P. 17-21. - Режим доступа: http://www.tbp.org/pages/publications/Bent/Features/SP10Pearson.pdf Способи активного усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт, описані в приведених вище джерелах інформації, та системи для їх реалізації, є аналогами способу, що заявляється. При цьому слід мати на увазі, що до теперішнього часу не реалізовано жодного з запропонованих способів та систем, за виключенням згаданого усунення КО з допомого КА "Спейс Шаттл". 2 UA 109318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Всі ці аналоги мають різні недоліки, зокрема значну вагу, складність реалізації системи дій на КОУ, значні витрати бортової енергії КАС, складні динаміку усунення КО з орбіти та відновлення початкової орбіти КАС. Найбільш близьким по технічній суті та досягуваному ефекту до способу, що заявляється, є 7 технічне рішення, описане в [Пат. США на винахід 6655637, МПК В 64 G 1/62. Spacecraft for removal of space orbital debris / E.Y. Robinson. - 10/179788; заявл. 24.06.02; опубл. 02.12.03]. Система-прототип являє собою КАС, що має у своєму складі герметичний корпус, систему орієнтації та стабілізації, орбітальну двигунну установку, систему та двигунні установки орбітального зближення з космічним об'єктом, що усувається, системи енергоживлення і терморегулювання та бортові службові радіосистеми, а також надувний маніпулятор для захоплення КОУ. Як тільки КАС зблизиться з КОУ на відстань, прийнятну для захоплення КОУ, маніпулятор надувається і за допомогою виконавчого елемента системи зближення захоплює КОУ. Як тільки КОУ захоплено, виконується маневр по усуненню КОУ з орбіти. Системапрототип має декілька варіантів усунення КОУ з орбіти. В першому варіанті - за допомогою надувної еластичної тонкоплівкової оболонки космічний об'єкт (КО) усувається з низьких навколоземних орбіт за рахунок аеродинамічної взаємодії системи КАС-КОУ з навколишнім середовищем. В другому варіанті КО переводиться на орбіту поховання за допомогою орбітальної двигунної установки або сонячного паруса. Недоліком цієї системи є складність зближення, стикування та захоплення КОУ, а також значні витрати бортової енергії на усунення КО з орбіти. Всі перелічені недоліки прототипу, а саме складність зближення, стикування та захоплення КОУ, а також значні витрати бортової енергії на усунення КО з орбіти усунено в способі та системі, які заявляються. Спосіб усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт, який заявляють автори, складається, як і прототип, з виведення КАС на орбіту КОУ, виконання з допомогою двигунної установки КАС орбітального маневру по зближенню з КОУ, подальше коригування орбіти КАС до забезпечення мінімальної орбітальної відстані між цими КО, та забезпечення з допомогою системи орієнтації та стабілізації і двигунних установок орбітального зближення КАС співпадіння орбіт КОУ і КАС, в тому числі - нахилу орбіт, напрямів та величин орбітальної швидкості. Спосіб, який заявляється, відрізняється тим, що після формування єдиної орбіти та максимального зближення КАС і КОУ, від КАС по його повздовжній осі в напрямку КОУ, відділяють капсулу, після відділення значно збільшують розміри її поперечного перерізу (розгортають) шляхом формування надувної оболонки. Капсулі при відділенні від КАС надають швидкість, що забезпечує її стикання в розгорнутому стані з КОУ. Після стикання КОУ фіксують та утримують в розгорнутій капсулі до усунення його разом з розгорнутою капсулою з навколоземної орбіти за рахунок їх аеродинамічної взаємодії з навколишнім середовищем. Спосіб усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт реалізується за допомогою системи, яка має у своєму складі ракету-носій з розгінним блоком та КАС, що має герметичний корпус, систему орієнтації та стабілізації, орбітальну двигунну установку, систему та двигунні установки орбітального зближення з космічним об'єктом, що усувається, системи енергоживлення і терморегулювання та бортові службові радіосистеми. Система відрізняється тим, що на КАС встановлено пристрій з окремими капсулами, які мають можливість відділення від КАС. Кожна капсула містить конічний надувний аеродинамічний пристрій, який включає зовнішній та внутрішній шари. Шари складені з окремих надувних тороїдальних оболонок, причому зовнішній шар приймає робочу форму за рахунок залишкового тиску після відділення капсули від космічного апарата-сміттяра, а внутрішній шар тороїдальних оболонок формується після входження космічного об'єкта, що усувається, в конічний аеродинамічний пристрій (КАП) за рахунок примусового наддуву тороїдальних оболонок газом або спінювання в їх порожнинах аерогелю. Реалізація способу та системи, що заявляються, пояснюється кресленнями, де показано: на Фіг. 1 - загальний вид КАС, в КАС входять: герметичний корпус 1, система орієнтації і стабілізації 2, орбітальна двигунна установка 3, система та двигунна установка орбітального зближення з КОУ 4, система енергоживлення 5, система терморегулювання 6, бортові службові радіосистеми 7, пристрій з окремими капсулами 8; на Фіг. 2 - вид А на КАС; на Фіг. 3 - схему виведення ракетою-носієм (РН) 9, за допомогою розгінного блоку 10 КАС 11 на орбіту А, яка близька до орбіти Б КОУ 12; на Фіг. 4 - формування єдиної орбіти і максимальне зближення КАС з КОУ на відстані L; на Фіг. 5 - відділення капсули 13 від КАС 11 у напрямку КОУ 12; на Фіг. 6 розгортання КАП 14 із внутрішнім шаром тороїдальних оболонок 15; на Фіг. 7 - захоплення КАП 14 КОУ 12; на Фіг. 8 - фіксація КОУ 12 за рахунок примусового наддуву внутрішнього шару 3 UA 109318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тороїдальних оболонок 15 КАП 14; на Фіг 9 - фази І, II, III усунення з орбіти КАП з КОУ за рахунок їх аеродинамічної взаємодії з навколишнім середовищем. Спосіб та система реалізуються наступним чином. При необхідності усунення космічного об'єкта 12 з орбіти Б ракетою-носієм 9 (Фіг. 3) на перехідну орбіту виводиться КАС з розгінним блоком 10. Далі розгінний блок відділяється, переводячи КАС 11 на орбіту А, близьку до орбіти Б. За допомогою системи орієнтації та стабілізації 2 і системи та двигунних установок орбітального зближення КАС 4 (Фіг. 1) забезпечується співпадіння орбіт КАС 11 і КОУ 12, в тому числі - нахилу орбіт, напрямів та величин орбітальної швидкості. Як тільки КАС 11 зблизиться з КОУ 12 на мінімальну відстань L (Фіг. 4), з борту КАС 11 відділяють у напрямку КОУ 12 капсулу 13 (Фіг. 5). Далі капсула 13 розгортається і приймає форму КАП 14, що містить складений внутрішній шар торових оболонок 15 (Фіг. 6). Після того, як КОУ 12 увійшов у КАП 14 (Фіг. 7) проводиться фіксація КОУ 12 в КАП 14 за рахунок примусового наддуву або в спінювання аерогелю у внутрішньому шарі торових оболонок 15 (Фіг. 8). Після фіксації зв'язка КАП-КОУ поступово (Фіг. 9, фази І, II, III) усувається з орбіти за рахунок її аеродинамічної взаємодії з навколишнім середовищем. Таким чином, при використанні КАС, що заявляється, немає потреби у використанні складної механічної системи захоплення КОУ та у забезпеченні значного запасу бортової енергії КАС для здійснення маневру усунення КОУ до щільних шарів атмосфери і повернення КАС на орбіту Б, оскільки захват та фіксація КОУ здійснюються шляхом наддуву або в спінювання аерогелю, внутрішнім шаром тороїдальних оболонок розгорнутої капсули, а еволюція орбіти КОУ до його сходу в щільні шари атмосфери здійснюється за рахунок енергії аеродинамічної взаємодії розгорнутої капсули з зафіксованим в ній КОУ з навколишнім середовищем. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт, який включає виведення космічного апарата-сміттяра на орбіту космічного об'єкта, що усувається, виконання за допомогою двигунної установки космічного апарата-сміттяра орбітального маневру по зближенню з космічним об'єктом, що усувається, подальше коригування орбіти космічного апарата-сміттяра до забезпечення мінімальної орбітальної відстані між цими космічними об'єктами та забезпечення за допомогою системи орієнтації та стабілізації і двигунних установок орбітального зближення космічного апарата-сміттяра співпадіння орбіт космічного об'єкта, що усувається, і космічного апарата-сміттяра, в тому числі - нахилу орбіт, напрямів та величин орбітальної швидкості, який відрізняється тим, що після формування єдиної орбіти та максимального зближення космічного апарата-сміттяра і космічного об'єкта, що усувається, від космічного апарата-сміттяра по його повздовжній осі в напрямку космічного об'єкта, що усувається, відділяють капсулу, після відділення значно збільшують розміри її поперечного перерізу (розгортають) шляхом формування надувної оболонки, і якій при відділенні від космічного апарата-сміттяра надають швидкість, що забезпечує її стикання в розгорнутому стані з космічним об'єктом, що усувається, після стикання фіксують та утримують космічний об'єкт, що усувається, в розгорнутій капсулі до усунення його разом з розгорнутою капсулою з навколоземної орбіти за рахунок їх аеродинамічної взаємодії з навколишнім середовищем. 2. Система для здійснення способу за п. 1, яка включає ракету-носій з розгінним блоком та космічний апарат-сміттяр, що має герметичний корпус, систему орієнтації та стабілізації, орбітальну двигунну установку, систему та двигунні установки орбітального зближення з космічним об'єктом, що усувається, системи енергоживлення і терморегулювання та бортові службові радіосистеми, який відрізняється тим, що на космічному апараті-сміттярі встановлено пристрій з окремими капсулами, які мають можливість відділення від космічного апарата-сміттяра, а кожна капсула містить конічний надувний аеродинамічний пристрій, який включає зовнішній та внутрішній шари, складені з окремих надувних тороїдальних оболонок, причому зовнішній шар приймає робочу форму за рахунок залишкового тиску після відділення капсули від космічного апарата-сміттяра, а внутрішній шар тороїдальних оболонок формується після входження космічного об'єкта, що усувається, в конічний аеродинамічний пристрій за рахунок примусового наддуву тороїдальних оболонок газом або спінювання в їх порожнинах аерогелю. 4 UA 109318 C2 5 UA 109318 C2 6 UA 109318 C2 7 UA 109318 C2 8 UA 109318 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9