Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об’єктів на навколоземних орбітах та пристрій для його здійснення

Реферат: Спосіб належить до космічної техніки, а саме до способів зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів (КО) на навколоземних орбітах (НЗО). Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів на НЗО та пристрій для його здійснення працюють наступним чином. При необхідності усунення КО з орбіти спочатку висувається за допомогою висувного елементу аеродинамічний елемент (АЕ) і КО починає відводитись з орбіти. Як тільки АЕ вийде із ладу, внаслідок втрат товщини матеріалу його оболонки (під дією космічного вакууму і атомарного кисню) та порушення цілісності оболонки (під дією фрагментів космічного сміття), АЕ елемент від'єднується від космічного об'єкта. Коли КО знизиться на висоту, прийнятну для розгортання АЕ, новий АЕ елемент розгортається і КО продовжує відводитися з орбіти. Як тільки новий АЕ вийде з ладу, для нього повторюються дії попереднього АЕ, а саме від'єднання АЕ від КО. Досягається зменшення об'єму та маси, необхідних для використання одного АЕ на борту КО, та підвищення надійності функціонування аеродинамічної системи відведення в цілому. UA 115378 C2 (12) UA 115378 C2 UA 115378 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить до космічної техніки, а саме до способів усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт. За даними національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору США (НАСА) на січень 2013 р. на навколоземних орбітах перебувало близько 13000 об'єктів техногенного походження [The Orbital Debris Quarterly News. -- Houston: NASA JSC, 2014. -Vol. 18, № 1. -P. 10], так званого космічного сміття (КС). Проблемі засмічення навколоземного космічного простору приділяють увагу всі оператори космічної діяльності, а міжнародне співробітництво координується Міжагентським комітетом з космічного сміття (МККС). Головним завданням МККС є координація на міжнародному рівні робіт національних космічних агентств щодо вирішення проблем, пов'язаних із засміченням навколоземного космічного простору космічним сміттям. Головними джерелами створення КС є відпрацьовані космічні апарати (КА), ступені ракетносіїв (РН), проведення космічних місій і вибухи космічних об'єктів. Для запобігання росту кількості фрагментів МККС розроблені керівні принципи [IADC 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.iadconline.org/index.cgi?item=docs_pub], які рекомендують включати до складу космічних об'єктів, що запускаються, системи, які після закінчення терміну активного існування відведуть космічні об'єкти в щільні шари атмосфери, або переведуть їх на орбіти поховання. В [Алпатов А. П. Аэродинамические системы увода космических объектов / А.П.Алпатов, А.С.Палий, А.Д.Скорик // Техническая механика. - 2015. - № 4. - С. 126-138] показано, що для зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів після закінчення терміну їх активного існування можуть бути використані аеродинамічні системи відведення (АСВ). Принцип дії АСВ оснований на збільшенні площі перерізу космічного об'єкта на орбіті, що призводить до збільшення його сили аеродинамічного опору і зменшення терміну балістичного існування. АСВ пропонують об'ємної конфігурації у формі конуса, кулі, тора, циліндричної труби, комбінації торів, або ж у формі парасольки, парашуту, та інше. Для виготовлення АСВ пропонується використовувати тонкоплівкові полімерні матеріали різних модифікацій, наприклад Upilex-S, товщиною 25 мкм [Maesen D. С. Development of a generic inflatable de-orbit device for cubesats / E.D.van Breukelen, В. Т. С Zandbergen, О. К. Bergsma // 58th International astronautic congress, September 24-28, 2007, Hyderabad, Andhra Pradesh, India, IAC-07-A6.3.06.]. АСВ різних конструктивних схем приведено в ряді джерел інформації, зокрема (див. нижче). Способи зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів на навколоземних орбітах, описані в приведених вище джерелах інформації, та пристрої для їх здійснення, являються аналогами способу, що заявляється. Всі ці аналоги мають різноманітні недоліки, це, зокрема, значна вага, внаслідок впливу факторів космічного простору (наприклад, космічного вакууму, атомарного кисню, сонячної радіації), складність технології виготовлення і розгортання в космосі, а також низька надійність роботи системи під дією дрібних фрагментів КС. Найбільш близьким по технічній суті та досягаємому ефекту до способу, що заявляється, є технічне рішення, описане в [Пат. на винахід 109194 Україна, МПК В64G 1/62. Аеродинамічна система усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт / Алпатов А.П., Палій О.С, Скорік О.Д. та ін. -а201312759; заявл. 01.11.2013; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 14.]. Система-найближчий аналог являє собою АСВ, виконану у формі конічної тонкостінної плівкової оболонки (КТПО) і надувних кільцевих торових оболонок, які торкаються одна одної і внутрішньої поверхні КТПО, і не менше трьох строп або штанг, що зв'язані одним кінцем з космічним об'єктом, що відводиться, а іншим з КТПО. Для підвищення ефективності відведення космічних об'єктів з орбіт під впливом фрагментів космічного сміття у внутрішніх порожнинах надувних кільцевих торових оболонок розміщено надувні сферичні тонкостінні плівкові оболонки, які зовнішніми поверхнями торкаються одна одної і внутрішньої поверхні надувних кільцевих торових оболонок. Дана система має недолік - це збільшення об'єму АСВ у згорнутому на космічному об'єкті вигляді для забезпечення надійного функціонування протягом всього терміну її активного існування під впливом факторів космічного простору на матеріал оболонки АСВ. Крім того, використовується разова оболонка максимально можливого розміру, що зменшує термін її роботи внаслідок підвищеної ймовірності порушення її цілісності мікрометеоритами, або фрагментами КС. Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів на навколоземних орбітах та пристрій для його здійснення, які заявляють автори, ліквідують недоліки найближчого аналога. Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів на навколоземних орбітах шляхом збільшення їх аеродинамічного опору в орбітальному польоті за рахунок 1 UA 115378 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 утворення зв'язаних з ними надувних оболонок, поперечні перерізи яких значно більші, ніж у об'єктів, термін балістичного існування котрих зменшують, який заявляють автори, відрізняється тим, що кожну утворену надувну оболонку використовують до вичерпання нею своїх функціональних можливостей, потім відділяють її від космічного об'єкта, а замість неї вводять наступну і ці дії повторюють до отримання космічним об'єктом інтегрального орбітального імпульсу сили, потрібного для одержання космічним об'єктом встановленого терміну балістичного існування. Пристрій, для здійснення способу, що має в своєму складі декілька згорнутих у вихідному стані надувних оболонок, засоби їх механічного зв'язку з космічним об'єктом та розгортання, який заявляють автори, відрізняється тим, що засоби мають конструктивні елементи для забезпечення відділення оболонок після втрати ними своїх функціональних можливостей та їх заміни на наступну оболонку. Спосіб і пристрій, які заявляються, пояснюються кресленнями, де показано: на Фіг. 1 пристрій-найближчий аналог; на Фіг. 2 - зовнішній вид пристрою, що заявляють автори, де 1 космічний об'єкт, 2 - елементи за допомогою яких АСВ кріпиться до космічного об'єкт, 3 аеродинамічний елемент (АЕ), наприклад, із торових оболонок, складених в конічну форму; на Фіг. 2 А - вихідне положення; на Фіг. 2 Б - від'єднання АЕ; на Фіг. 2 В - введення в дію наступного АЕ; на Фіг. 2 Г - повторне від'єднання АЕ; на Фіг. 2 Д - від'єднання АЕ; на Фіг. 2 Е - введення в дію останнього АЕ. На фіг. 1 показано 1 – космічний об'єкт; 2 – елемент, за допомогою якого АСВ кріпиться до космічного об'єкта; 3 – аеродинамічний елемент (АЕ). На фіг. 2 показано 1 – космічний об'єкт; 2 – елемент, за допомогою якого АСВ кріпиться до космічного об'єкта; 3-7 – аеродинамічний елемент (АЕ). Пристрій функціонує наступним чином. При необхідності усунення КО 1 з орбіти спочатку висувається за допомогою елемента 2 аеродинамічний елемент 3 (Фіг. 2 А) і космічний об'єкт починає відводитись з орбіти. Як тільки АЕ вийде із ладу, внаслідок втрат товщини матеріалу його оболонки (під дією космічного вакууму і атомарного кисню) та порушення цілісності оболонки (під дією фрагментів КС), АЕ елемент від'єднується від космічного об'єкта (Фіг. 2 Б). Коли КО знизиться на висоту, прийнятну для розгортання АЕ, новий АЕ елемент розгортається і КО продовжує відводитися з орбіти (Фіг. 2 В). Як тільки новий АЕ вийде з ладу, для нього повторюються дії попереднього АЕ (Фіг. 2 Г, 2 Д), а саме від'єднання АЕ від КО, окрім останнього АЕ, який разом з КО досягає щільних шарів атмосфери (Фіг. 2 Е). Таким чином зменшуються об'єм та маса, необхідні для використання однієї оболонки на борту КО, та підвищується надійність функціонування АСВ в цілому. Джерела інформації: 7 1. Пат. США на винахід 6264144, МПК В64G 1/14. Material assembly for an inflatable aerodynamic braking device for spacecraft deceleration and the like / J. M. Thornton. - 09/520533; заявл. 08.03.00; опубл. 24.06.01. 7 2. Пат. РФ на винахід 2199474, МПК В64G 1/22. Устройство надувной пассивной системы торможения последней ступени ракеты-носителя /Ю.Н.Майоров, А.Д.Дукин. - 2000131539/28; заявл. 15.12.00; опубл. 27.02.03. 7 3. Пат. США на винахід 6830222, МПК В64G 1/62. Balloon device for lowering space object orbits / К. Т. Nock, A. D. McRonald, К. М. Aaron. -10/394477; заявл. 21.03.03; опубл. 14.12.04. 7 4. Пат. РФ на винахід 2363627, МПК В64G 1/62. Способ и устройство аэродинамической стабилизации космического аппарата во время спуска на землю / Ж. Мулэн, Э. Муано, М. Прамполини. - 2006144850/11; заявл. 16.05.05; опубл. 10.08.09. 7 5. Пат. РФ на винахід 2435711, МПК В64G 1/62. Развертываемая аэродинамическая поверхность аэроторможения спутника / В. Пейпуда, О. Ле Куль. - 2008138539/11; заявл. 14.02.07; опубл. 10.12.11. 6. Пат. України на корисну модель 75540, В64G 1/62. Пристрій відведення космічних апаратів з орбіти / А. С. Палій. – u 201204438; заявл. 09.04.12; опубл. 10.12.12. 7. Nock К. Т. Gossamer orbit lowering device (GOLD) for safe and efficient de-orbit / K. T. Nock, Gates K. L., Aaron K. ML, McRonald A. D. // AIAA/AAS Astrodynamics specialist conference, 2-5 August 2010, Toronto, Ontario, Canada, AIAA 2010-782. 8. Nock К. Т. Removing orbital debris with less risk / К. Т. Nock, Aaron К. М., McKnight D.// Journal of spacecraft and rockets, 2013. Vol. 50, №2.-P. 365-379. 9. Алексашкин С. Н. Принципы проектирования спускаемых в атмосферах планет аппаратов с надувными тормозными устройствами / С. Н. Алексашкин, К. М. Пичхадзе, В. С. Финченко // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина, 2012. - № 2. - С. 4-11. 2 UA 115378 C2 5 10 10. Dupuy С. Gossamer technology to deorbit LEO non-propulsion fitted satellite / C. Dupuy, O. th Le Couls // Proceedings of the 40 Aerospace mechanisms symposium, NASA Kennedy space center, May 12-14, 2010. -P. 301-308. 11. StrathSat-R: Deploying inflatable cubesat structures in micro gravity [Електрон, ресурс] / Т. Sinn, С. Lucking, N. Donaldson and other // 63rd International Astronautical Congress. Точка старту: nd Italy (1-5 October 2012): proceedings. Symposium E2. 42 student conference. - Naples, 2012. - 1 DVD-ROM. 12. Пат. на винахід 109194 Україна, МПК В 64 G 1/62. Аеродинамічна система усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт / Алпатов А.П., Палій О.С, Скорік О.Д. та ін. а201312759; заявл. 01.11.2013; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 14. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об'єктів на навколоземних орбітах шляхом збільшення їх аеродинамічного опору в орбітальному польоті за рахунок утворення зв'язаних з ними надувних оболонок, поперечні перерізи яких значно більші, ніж у об'єктів, термін балістичного існування котрих зменшують, який відрізняється тим, що кожну утворену надувну оболонку використовують до вичерпання нею своїх функціональних можливостей, потім відділяють її від космічного об'єкта, а замість неї вводять наступну, і ці дії повторюють до отримання космічним об'єктом інтегрального орбітального імпульсу сили, потрібного для одержання космічним об'єктом встановленого терміну балістичного існування. 2. Пристрій, для здійснення способу за п. 1, що має в своєму складі декілька згорнутих у вихідному стані надувних оболонок, засоби їх механічного зв'язку з космічним об'єктом та розгортання, який відрізняється тим, що засоби мають конструктивні елементи для забезпечення відділення оболонок після втрати ними своїх функціональних можливостей та їх заміни на наступну оболонку. 3 UA 115378 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4