Спосіб усунення модульних великогабаритних космічних об’єктів з навколоземних орбіт

Реферат: Спосіб належить до космічної техніки, а саме до способів усунення модульних великогабаритних космічних об'єктів з навколоземних орбіт шляхом збільшення їх аеродинамічного опору в орбітальному польоті за рахунок утворення зв'язаних з ними надувних оболонок з поперечним перерізом, значно більшим, ніж у об'єктів, що усуваються з орбіти. Кожний конструктивний модуль великогабаритного космічного об'єкта, заздалегідь споряджають згорнутою автономною аеродинамічною системою усунення його з орбіти у вигляді зв'язаних з ним надувних оболонок. При необхідності усунення модульного великогабаритного космічного об'єкта з орбіти його розділяють на конструктивні модулі, з яких його було попередньо складено. Їх аеродинамічні системи вводять в дію після розходження конструктивних модулів на орбіті на відстань, прийнятну для розгортання цих систем. В залежності від поточних умов функціонування великогабаритного космічного об'єкта конструктивні модулі великогабаритного космічного об'єкта відокремлюють та розгортають їх аеродинамічні системи усунення з орбіти вибірково. Винахід дозволяє підвищити надійність та ефективність усунення великогабаритних модульних космічних об'єктів з навколоземних орбіт. UA 107880 C2 (12) UA 107880 C2 UA 107880 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до космічної техніки, а саме до способів усунення космічних об'єктів з навколоземних орбіт. Довготривале існування на орбітах космічних апаратів, що відпрацювали свій ресурс, або що вийшли із ладу, зокрема модульних великогабаритних космічних об'єктів ("Модульное орбитальное средство - орбитальное средство, выполненное из набора модулей или из набора модулей и несущих конструкций с коммуникациями, узлами крепления и стыковки, обеспечивающими его функционирование, целостность конструкции, возможность соединения и разделения модулей, их замену при техническом обслуживании и/или ремонте" [ГОСТ Р 53802-2010 Системы и комплексы космические. Термины и определения. - Действителен от 29.06.10. - М.: Стандартинформ, 2011. - 24 с.]), а також верхніх ступенів ракет-носіїв спричинило створення великої кількості об'єктів техногенного походження, так званого космічного сміття (КС). На січень 2013 р. на низьких навколоземних орбітах знаходилось близько 9500 фрагментів КС [The Orbital Debris Quarterly News. NASA JSC Houston.-2013. - Vol. 17, № 1. - P. 8.], діаметром більше 10 см. Для вирішення проблеми зростання об'єму КС Міжагентським комітетом по космічному сміттю (МККС) вироблено керівні принципи [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], що рекомендують включати до складу космічних апаратів, що будуть запускатися, системи, котрі по закінченні строку активного існування усунуть космічні апарати у щільні шари атмосфери, або переведуть їх на орбіти поховання. Системи усунення космічних об'єктів з орбіти можна розподілити на наступні групи [Алпатов А. П. Техногенное засорение околоземного космического пространства / А. П. Алпатов, В. П. Басе, С. А. Баулин, В. И. Бразинский, В. П. Гусынин, Ю. Ф. Даниев, С. А. Засуха. Днепропетровск: Пороги, 2012. - 380 с, Вениаминов С. С. Космический мусор- угроза человечеству / С.С.Вениаминов, А. М. Червонов. - Москва: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук, 2012.-191 с, Nock К. Т. Removing orbital debris with less risk / К. Т. Nock, Aaron K. M., McKnight D. // Journal of spacecraft and rockets, 2013. - Vol. 50, № 2. - P. 365-379]: - ракетні двигунні системи; - аеродинамічні системи усунення (АСУ); - сонячні вітрильні системи усунення; - електродинамічні космічні тросові системи. В [Палий А. С. Методы и средства увода космических аппаратов с рабочих орбит (состояние проблемы) / А. С. Палий // Техническая механика, 2012. - № 1. - С. 94 102., Nock К. Т. Gossamer orbit lowering device (GOLD) for safe and efficient de-orbit / К. Т. Nock, Gates K. L., Aaron K. M., McRonald A. D. // AIAA/AAS Astrodynamics specialist conference, 2-5 August 2010, Toronto, Ontario, Canada, AIAA 2010-782] показано, що для усунення об'єктів з навколоземної орбіти висотою 200-700 км найбільш ефективним, по критеріях простоти конструкції, відношенню вартості до маси та надійності, є використання АСУ. Принцип дії АСУ оснований на збільшенні площі перерізу космічного об'єкта на орбіті, що призводить до збільшення його сили аеродинамічного опору і зменшення часу орбітального існування. АСУ пропонують об'ємної конфігурації у формі конуса, кулі, тора, циліндричної труби, або ж у формі парасольки, парашута та інше. Для виготовлення АСУ 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.]. АСУ різних конструктивних схем приведено в ряді джерел інформації, зокрема: 7 1. Пат. США на винахід 3282539, МПК В 64 G 1/62. Recovery system / Н. W. Wiant.-420836; заявл. 23.12.64; опубл. 01.11.66. 7 3. Пат. США на винахід 4504031, МПК В 64 G 1/58. Aerodynamic braking and recovery method for a space vehicle / D. G. Andrews.-353828; заявл. 02.03.82; опубл. 12.03.85. 7 4. Пат. США на винахід 4832288, МПК В 64 G 1/62. Recovery system / R. Т. Kendall.-76631; заявл. 23.07.87; опубл. 23.03.89. 7 5. Пат. США на винахід 6264144, МПК В 64 G 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. 1 UA 107880 C2 7 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 6. Пат. РФ на винахід 2199474, МПК В 64 G 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 7. Пат. США на винахід 6830222, МПК В 64 G 1/62. Balloon device for lowering space object orbits / K.T. Nock, A. D.McRonald, K.M.Aaron.-10/394477; заявл. 21.03.03; опубл. 14.12.04. 7 8. Пат. РФ на винахід 2363627, МПК В 64 G 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 9. Пат. РФ на винахід 243571 1, МПК В 64 G 1/62. Развертываемая аэродинамическая поверхность аэроторможения спутника / В. Пейпуда, О. Ле Куль. - 2008138539/11; заявл. 14.02.07; опубл. 10.12.11. 10. Пат. України на корисну модель 75540, В 64 G 1/62. Пристрій відведення космічних апаратів з орбіти / А. С. Палій. - u201204438; заявл. 09.04.12; опубл. 10.12.12. 11. Nock К. Т. Gossamer orbit lowering device (GOLD) for safe and efficient de-orbit / K. T. Nock, Gates K. L., Aaron К. М., McRonald A. D. // AIAA/AAS Astrodynamics specialist conference, 2-5 August 2010, Toronto, Ontario, Canada, AIAA 2010-782. 12. Nock К. Т. Removing orbital debris with less risk / К. Т. Nock, Aaron K. M., McKnight D.// Journal of spacecraft and rockets, 2013. - Vol. 50, № 2. - P. 365-379. 13. Землянский Б. А. Современное состояние вопроса о применении технологии надувных элементов конструкции в изделиях ракетно-космической техники, об использовании надувных тормозных устройств в конструкции спускаемых аппаратов и теплозащитные покрытия этих устройств / Б. А. Землянский, А. А. Иванков, С. Н. Устинов, В. С. Финченко // Вестник РФФИ, 2008. - № 1. - С. 37-63. 14. 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. 15. Smith В. P. A historical review of inflatable aerodynamic decelerator technology development [Електронний ресурс] / В. Р. Smith, G. L. Tanner, M. Mahzari, I. G. Clark, R. D. Braun // IEEAC paper #1276. - Режим доступу: http://www.ssdl.gatech.edu/papers/conferencePapers/IEEE-2010 1276.pdf. 16. Иванов П. И. Методы введение в действие и поддержание в раскрытом состоянии высотного тормозного аэродинамического устройства / П. И. Иванов, Ю. Г. Мехоношин // Аэродинамика, динамика, баллистика и управление полетом летательных аппаратов, 2009. - № 5. - С. 51-57. 17. LeipoldM. Applications for Inflatable and Deployable Space Structures for In-Orbit Propulsion and Orbital Debris Removal / M. Leipold, C. Kiaser // First European workshop on inflatable space structures: proceedings. 18. Dupuy C. Gossamer technology to deorbit LEO non-propulsion fitted satellite / С Dupuy, O. Le th Couls // Proceedings of the 40 Aerospace mechanisms symposium, NASA Kennedy space center, May 12-14, 2010. - P. 301-308. Конструктивні схеми АСУ, описані в приведених вище джерелах інформації, та способи їх розгортання та застосування є аналогами способу, що заявляється. Всі ці аналоги мають різноманітні недоліки, це, зокрема, значна вага, складність технології виготовлення і розгортання в космосі, особливо АСУ для усунення з орбіти модульних великогабаритних космічних об'єктів, а також низька надійність роботи системи під дією дрібних фрагментів КС. Найбільш близьким по технічній суті та досягуваному ефекту до способу, що заявляється, є технічне рішення, описане в [Nock К. Т. Gossamer orbit lowering device (GOLD) for safe and efficient de-orbit / K. T.Nock, Gates K. L., Aaron К. М., McRonald A. D. // AIAA/AAS Astrodynamics specialist conference, 2-5 August 2010, Toronto, Ontario, Canada, AIAA 2010-782]. Спосіб-прототип являє собою АСУ, виконану у формі надувної з м'якої еластичної оболонки кулі. Автор цього способу, запропонував з його використанням усувати з орбіти висотою ≈ 250380 км модульні великогабаритні космічні об'єкти, наприклад орбітальні станції, в тому числі "Мир" масою 140 тон за допомогою кулі діаметром 182 м, що виконана із полімерної плівки 9 мікрон товщиною з матеріалу "Каптон" (поліімід), з наступними технічними характеристиками: 3 максимальна робоча температура +300 °C, щільність 1,42 кг/м , модуль пружності 231 МПа [Summary of Properties for Kapton® Polyimide Films [Електронный ресурс]. - Режим доступу: http://www2.dupont.com/Kapton/en_US/assets/downloads/pdf/summaryofpr op.pdf]. Маса такої АСУ складала б ≈ 893 кг. Використання такої системи для усунення модульних великогабаритних космічних об'єктів практично неможливе, тому що, по-перше, проблематичне її виготовлення та розгортання в космічному просторі, через те, що її розміри та вага складають величини, значно 2 UA 107880 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 більші, ніж прийнятні розміри відомих реально виготовлених та використаних в космосі тонкостінних плівкових космічних об'єктів (наприклад, супутників Ехо-1-30,5 м, Ехо-2-41м [Jenkins С. Н. М. Gossamer spacecraft: membrane and inflatable structures and technology for space Applications, AIAA, Reston (USA), 2001.-586 p.]), запуск та розгортання яких продемонстрували успішне використання надувних тонкоплівкових пристроїв у космосі. А, по-друге, при таких розмірах АСУ різко зростає вірогідність швидкого пробиття оболонки фрагментами КС. Для наочності, авторами способу, що заявляється, проведено розрахунок частоти та часу зіткнення фрагментів КС із оболонкою, що запропонована в способі-прототипі, за співвідношенням: Nt0   F  Qt0   96651,6  1746  168753693 зіткнень/рік 2 2 де F - площа поверхні АСУ, м ; Qt0  - середній потік фрагментів КС, 1/м /рік, на орбітах Н≈380 км. Період утворення одного отвору в оболонці складає: 1 T  0,375 Nt0  с [Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2 т. / Под ред. М. И. Панасюка, Л. И. Новикова. - Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. - М.: КДУ, 2007. - С. 973.], [Палий А. С. Анализ эффективности устройства аэродинамического торможения космических аппаратов / А. С. Палий // Техническая механика. - 2012. - № 4. - С. 82-90]. Всі перелічені недоліки прототипу, а саме надвеликі габарити і маса, проблематичність виготовлення та швидке порушення цілісності оболонки АСУ дрібними фрагментами КС, усуваються в способі, що заявляється. Спосіб усунення модульних великогабаритних космічних об'єктів з навколоземних орбіт шляхом збільшення їх аеродинамічного опору в орбітальному польоті за рахунок утворення зв'язаних з ними надувних оболонок з поперечним перерізом, значно більшим, ніж у об'єктів, що усуваються з орбіти, який заявляють автори, відрізняється тим, що кожний конструктивний модуль великогабаритного космічного об'єкта, заздалегідь споряджають згорнутими автономними аеродинамічними системами усунення їх з орбіти у вигляді зв'язаних з ними надувних оболонок. При необхідності усунення модульного великогабаритного космічного об'єкта з орбіти його розділяють на конструктивні модулі, з яких його було попередньо складено, а їх аеродинамічні системи вводять в дію після розходження конструктивних модулів на орбіті на відстань, прийнятну для розгортання цих систем. В залежності від поточних умов функціонування великогабаритного космічного об'єкта конструктивні модулі великогабаритного космічного об'єкта відокремлюють та розгортають їх аеродинамічні системи усунення з орбіти вибірково. Наприклад, стикувальний модуль орбітальної станції "Мир", масою ≈4090 кг [Стыковочный модуль орбитальной станции "Мир" [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Cтыкoвoчный_мoдyль_opбитaльнoй_cтaнции_«Мир"], з використанням 2 аеродинамічного пристрою усунення його з орбіти з площею перерізу 94 м (куля, діаметром 30 м), буде усунено з орбіти у щільні шари атмосфери за ticн≈82 дні, що є прийнятним, маючи на увазі, що рекомендований МККС строк орбітального існування космічних об'єктів повинен складати не більше 25 років [IADC Space debris mitigation guidelines [Електронний ресурс]. IADC2002-01. 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]. Реалізація способу, що заявляється, пояснюється кресленнями, де показано: на Фіг. 1 модульний великогабаритний космічний об'єкт у з'єднаному на орбіті вигляді, на Фіг. 2 модульний великогабаритний космічний об'єкт у розділеному на орбіті вигляді, на Фіг. 3 - модулі великогабаритного космічного об'єкта, що розійшлися по орбіті на прийнятну для розгортання АСУ відстань, на Фіг. 4 - модулі великогабаритного космічного об'єкта з розгорнутими АСУ. Модульний великогабаритний космічний об'єкт, що знаходиться на орбіті А, містить модулі 1, 2, 3, 5, 6, 7, що зістиковані з базовим модулем 4 (Фіг. 1). Спосіб реалізується наступним чином. При необхідності усунення модульного великогабаритного космічного об'єкта (Фіг. 1) з навколоземної орбіти А, він заздалегідь розділяється на окремі модулі (Фіг. 2). Як тільки модулі 1-7 розійдуться по орбіті на відстань, прийнятну для розгортання АСУ (Фіг. 3). АСУ 8 (Фіг. 4) розгортаються, площа перерізу модулів різко збільшується, внаслідок чого збільшується сила аеродинамічного опору модуля, і модулі починають поступово усуватися з орбіти в щільні шари атмосфери. При необхідності усунення з орбіти окремого модуля великогабаритного космічного об'єкта, він відокремлюється від базового космічного об'єкта, і після віддалення по орбіті на відстань, прийнятну для розгортання АСУ, вона розгортається і модуль усувається з орбіти. 3 UA 107880 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб усунення модульних великогабаритних космічних об'єктів з навколоземних орбіт шляхом збільшення їх аеродинамічного опору в орбітальному польоті за рахунок утворення зв'язаних з ними надувних оболонок з поперечним перерізом, значно більшим, ніж у об'єктів, що усуваються з орбіти, який відрізняється тим, що кожний конструктивний модуль великогабаритного космічного об'єкта заздалегідь споряджають згорнутою автономною аеродинамічною системою усунення його з орбіти у вигляді зв'язаної з ним надувної оболонки, при необхідності усунення модульного великогабаритного космічного об'єкта з орбіти його розділяють на конструктивні модулі, з яких його було попередньо складено, а їх аеродинамічні системи усунення вводять в дію після розходження конструктивних модулів на орбіті на відстань, прийнятну для розгортання цих систем. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що конструктивні модулі великогабаритного космічного об'єкта відокремлюють та розгортають їх аеродинамічні системи усунення з орбіти вибірково в залежності від поточних умов функціонування великогабаритного космічного об'єкта. 4 UA 107880 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5