Спосіб забезпечення безпеки польотів космічних апаратів

Реферат: UA 91455 U UA 91455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до космічної техніки, конкретно - до забезпечення безпеки космічних польотів, в тому числі запусків ракет-носіїв, космічних апаратів (КА) та очистки космічного простору ВІД космічного сміття (КС). Відомий спосіб захисту космічного апарата [1], що включає виявлення небезпечних об'єктів на шляху його руху і уведення КА із небезпечної зони шляхом запуску ракетних двигунів. Його недоліком є недостатня масова і енергетична ефективність внаслідок необхідності заздалегідь мати на борту КА додаткові запаси палива на випадок зустрічі з небезпекою та невикористання інших типів рушіїв, що потребують менших цільових витрат маси (палива або іншого робочого тіла). Відомий спосіб захисту КА [2], що передбачає захоплення небезпечних орбітальних об'єктів та їх знищення. Ефективність такого рішення незначна внаслідок невикористання цих об'єктів для зменшення потрібної енергетики КА Відомий спосіб [3] уведення з орбіт корисних навантажень (КН) на основі використання космічного буксира, з'єднаного з КН тросом. Недоліком його є мала енергетична та масова ефективність рішення внаслідок необхідності мати додаткове обладнання, маси, запаси енергетики, палива та необхідність збільшення габаритів для реалізації способу. Найбільш близьким аналогом є спосіб збільшення строків активного існування космічних апаратів (КА) [4], оснований на виконанні маневру орбітального переходу за допомогою рушіїв. Недоліком цього рішення та подібних вищенаведених рішень є зниження цільової та енергетичної ефективності внаслідок необхідності мати на борту такі рушії з ВІДПОВІДНИМИ запасами робочого тіла. Використання як рушіїв електродинамічних тросових систем (ЕДТС) на близьких до полярних орбітах практично неможливе внаслідок неможливості генерування електричного струму в таких системах, оскільки троси не перетинають ліній магнітної напруженості. В основу способу поставлена задача розробки способу забезпечення безпеки польотів космічних апаратів підвищеної цільової, енергетичної, масової та іншої ресурсної ефективності, гнучкості, універсальності та розширенням діапазону використання. Поставлена задача вирішується тим, що у способі забезпечення безпеки польотів космічних апаратів, основаному на виведенні їх на цільові орбіти, в тому числі безпечні для космічних польотів, шляхом виконання маневру орбітального переходу за допомогою рушіїв, визначають наявність та достатність ресурсів космічного апарата, наприклад палива, енергії, тягових зусиль, кількості руху та інших обмежених факторів, для переходу на цільову орбіту, наприклад вхід в густі шари атмосфери і наступний спуск в ній або орбіту захоронення, або орбіту, що відповідає цілі місії іншого космічного апарата, та/або наявність інших небезпечних космічних об'єктів, наприклад із числа космічного сміття, ресурси яких можуть бути використані для зазначеного переходу, при необхідності додатково визначають можливість небезпечних зустрічей в процесі переходу з іншими учасниками космічного руху, наприклад космічними апаратами, об'єктами та небесними тілами, та наявність і достатність ресурсів для переходу на цільову орбіту з урахуванням виконання маневрів ухилення від таких зустрічей та/або обходу небезпечних учасників руху, та/або додатково визначають достатність тягових зусиль для переходу на вказану орбіту щонайменше в межах заданого часу, в разі неможливості виконання хоча б однієї із зазначених умов в процесі маневру виведення на вказану орбіту до нього приєднують щонайменше один інший космічний об'єкт із числа космічного сміття переважно з рушієм та/або ресурсами, необхідними для вихідного космічного апарата, або об'єкт із числа космічних апаратів, що закінчують строк існування або потребують переходу на орбіту щонайменше проміжну на шляху до цільової орбіти, або небесне тіло, рушій та/або його ресурси використовують для виконання наступного маневрування, при цьому, якщо рушієм хоча б одного із зазначених об'єктів є тросова система, то другий космічний об'єкт з'єднують з її кінцевим тілом або використовують замість цього кінцевого тіла, якщо на вихідному космічному апараті та/або кінцевому тілі, та/або космічному об'єкті присутні щонайменше одна електронна гармата та/або один електроракетний двигун або його катодний блок, то їх використовують як плазмовий замикач і формують електродинамічну тросову систему, причому для електроракетного двигуна попередньо визначають найбільшу ефективність виконання маневру для випадків використання його переважно як маршового рушія та/або як плазмового замикача, після чого електроракетний двигун використовують в режимі найбільшої ефективності, наприклад при польоті на орбіти, близькі до полярних, наявний електроракетний двигун використовують переважно як маршовий рушій для буксирування на вказану орбіту, при цьому прогнозують кількість можливих небезпечних зближень З ІНШИМИ учасниками космічного руху і визначають витрати ресурсів, наприклад, робочого тіла або палива, із урахуванням необхідності виконання маневрів ухилення від небезпечних зустрічей, в тому числі з 1 UA 91455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 урахуванням з'єднання з іншими космічними об'єктами та використанням їх для маневрів ухилення і переходу на цільову орбіту, далі виконують визначені маневри, причому на шляху до вказаної орбіти приєднаний космічний об'єкт або апарат відокремлюють при максимальному наближенні до його цільової орбіти, якщо вона не співпадає з такою орбітою вихідного космічного апарата, при достатності ресурсів на досягнення цільової орбіти вихідного космічного апарата, яку попередньо визначають, причому вказані операції повторюють до виходу на вказану орбіту із заданою або максимальною якістю. Суть винаходу продемонстрована на кресленні. На фіг. 1 зображено розгортку орбітального руху для космічної ситуації, що розглядається, на фіг. 2 зображено варіант використання способу на полярних орбітах. Заявлена корисна модель реалізується таким чином. КА 1 з напрямком руху 2, як зображено на фіг. 1, рухається по орбіті 3. В кінці терміну активного існування приймається рішення про його перехід на безпечну для інших учасників руху (КО 4, 5, ΚΑ 6) орбіту - вхід в густі шари атмосфери Землі 7. Для цього за найближчим аналогом виконується маневр орбітального переходу 8 за допомогою реалізації імпульсу швидкості 9 рідкісним двигуном 10. В цьому разі КА 1 повинен мати високонадійний двигун, запаси палива та інші необхідні ресурси на весь цей перехід. За заявленим рішенням визначають наявність і достатність ресурсів КА 1 для переходу на цільову орбіту, а саме: палива, енергії, тягових зусиль та інших потрібних ресурсів. Далі визначають наявність інших небезпечних КО та КА, ресурси яких можуть бути використані КА 1 для зазначеного переходу. Таким є КО 4 з напрямком руху по орбіті 11. Рушієм 10 реалізують менший імпульс швидкості 12 на перехід 13 для зустрічі з КО 4. КА 1 приєднують до КО 4, наприклад, тросом. Здійснюється обмін кількостями руху між ними, тобто гальмування і перехід на орбіту спуску 14. Визначають можливість небезпечних зустрічей в процесі переходу 14 з іншими учасниками космічного руху: на фіг. 1 це попадання в КО 5. Якщо в разі такого формуються безпечні орбіти КА1- КО 4 - КО 5, то додаткових дій не виконують. В разі подальшого зіткнення всі об'єкти ще більше гальмуються і ще швидше сходять в атмосферу, де найімовірніше згоряють. В разі же необхідності запобігання зіткнення визначають на борту КО 4 необхідних для маневру ухилення палива та/або рушія, і використовують їх для подальшого маневру ухилення 15. Якщо на борту КА 1 та/або КО 4 присутні або одна електронна гармата (ЕГ) та/або один електроракетний двигун (ЕРД) або його катодний блок (КБ), то їх використовують як плазмовий замикачі, тобто формують ЕДТС, для чого КО 4 на другом кінці тросу виконує функцію кінцевого тіла. На шляху подальшого руху виявляють КА 6, який потребує підвищення орбіти. За допомогою ЕДТС зв'язку КА 1 - КО 4 підводять до КА 6 і з'єднують їх між собою. Приєднання КА 6 збільшує поверхню для збору електронів, що підвищує ефективність ЕДТС за рахунок збільшення струму в ній. Запуском ЕГ або ЕРД, або КБ на верхньому кінці ЕДТС змінюють напрямок струму в системі і за рахунок цього - змінюють напрямок руху: зі спуску на підйом по траєкторії 16 На орбіті 17 відокремлюють КА 6, знову міняють напрямок струму в ЕДТС і переходять на орбіту спуску зв'язки КА 1 - КО 4 в атмосферу. Якщо КА 1 рухається по орбіті, близькій до полярної, то трос перетинає лінії магнітної напруженості під малим або нульовим кутом і струми в ЕДТС малі або відсутні. В такому разі при наявності ЕРД на КО 4 цей об'єкт у зв'язці КА 1 - КО 4 переводять в режим буксира, тобто переводять із радіального розташування 19, як на фіг. 2, в стан 20 попереду КА 1 по напрямку руху. І завдяки ЕРД 21 буксирують цю зв'язку по вказаних орбітах. Підвищення ефективності у способі, що заявляється, забезпечується: - принциповим вирішенням проблеми забезпечення орбітального переходу до цільової орбіти при відсутності необхідних енергомасових ресурсів та/або при недостатній середній швидкості переходу до неї; - принциповим вирішенням проблеми зменшення габаритно-масових і інерційних характеристик космічних об'єктів, що запускаються на орбіту, в умовах необхідності виконання ними нецільових функцій (ухилення від небезпечних об'єктів, відводу на безпечні орбіти, де вони у стані космічного сміття не представляють небезпеку для діючих учасників космічного руху тощо); - принциповим вирішенням проблеми неможливості застосування ЕДТС на базі ЕРД на близьких до полярних орбітах шляхом переведенням двигуна в маршовий режим і відповідної орієнтації тросової системи; - приданням універсальності застосуванню рушія на базі ЕДТС для всіх орбіт; - можливістю використання КА та КО в сторонніх місіях; - збільшенням енергомасової ефективності за рахунок зменшення потрібних запасів робочого тіла та запасів енергії на досягнення цільової орбіти та зменшення їх мас та мас 2 UA 91455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 відповідних складових для їх зберігання та використання тощо; - зменшенням засміченості космічного простору шляхом відводу додаткових об'єктів космічного сміття; - створенням можливості керованого руху електродинамічної тросової системи для безконфліктного орбітального переходу шляхом ухилення від зіткнення з іншими учасниками космічного руху; - максимальним використанням запасів робочого тіла, енергії, її генеруючих та інших ресурсів, що залишилися на бортах космічних об'єктів, в тому числі із числа космічного сміття; - економічним витрачанням наявних ресурсів на маневри ухилення від небезпечних зіткнень; - кооперативним характером вирішення проблеми енергетичного забезпечення маневрів для декількох учасників космічного руху; - оптимальним використанням енергетики, апаратури та інших доречних ресурсів задіяних космічних об'єктів; - підвищенням швидкості переміщення між орбітами завдяки підвищенню рівня струму, що протікає в електродинамічній тросовій системі, шляхом збільшення поверхні, що адсорбує електрони із плазми навколишнього середовища, без підвищення вихідних масових витрат і збільшення габаритів, або використання складових, спочатку відсутніх на борту вихідного КО електронної гармати або ЕРД, або КБ; - розширенням діапазону використання електродинамічних тросових систем шляхом застосування їх джерел плазми на близьких до полярних орбітах, де ці системи принципово недієздатні; - заміщенням недостатнього ресурсного забезпечення за рахунок того, що принципово не передбачалося використовувати власниками КО із числа космічного сміття тощо; - простотою вирішення проблеми забезпечення високих тягових зусиль електродинамічної тросової системи при одночасному забезпеченні малих мас, габаритів тощо. Виконання всіх зазначених операцій є реалізовуваним при сучасному космічному рівні техніки. Таким чином, вирішена поставлена задача розробки способу забезпечення безпеки польотів космічних апаратів, основаному на виконанні при необхідності маневру орбітального переходу за допомогою рушіїв, підвищеної цільової, енергетичної, масової та іншої ресурсної ефективності, гнучкості, універсальності та розширенням діапазону використання. Джерела інформації: 1. Пат. № 2001116261 Росія МПК B64G1/56, B64G1/68. Способ защиты космического аппарата и устройство для его осуществления. 2. Пат. № 94027439 Росія МПК B64G1/56. Способ защиты космических аппаратов от метеорных частиц и устройство для его осуществления. 3. Пат. № 2010119972 Росія МПК B64G1/00. Способ увода космического мусора с орбит полезных нагрузок на основе использования отделившейся части ракеты-носителя, разгонного блока и устройство для его реализации // Трушляков В.Н., Куденцов Я.Т., Макаров Ю.Н. 2010119972/11. Заявл. 18.05.2010; опубл. 27.11.2011. 4. Пат. № 2137682 Росія МПК В64G1/56. Способ увеличения сроков активного существования космических аппаратов // А.Ф. Гуров - 96124535/28. Заявл. 25.12.1996; опубл. 20.09.1999. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 60 1. Спосіб забезпечення безпеки польотів космічних апаратів, оснований на виведенні їх на цільові орбіти, в тому числі безпечні для космічних польотів, шляхом виконання маневру орбітального переходу за допомогою рушіїв, який відрізняється тим, що визначають наявність та достатність ресурсів космічного апарата, наприклад палива, енергії, тягових зусиль, кількості руху та інших обмежених факторів, для переходу на цільову орбіту, наприклад, вхід в густі шари атмосфери і наступний спуск в ній або орбіту захоронення, або орбіту, що відповідає цілі місії іншого космічного апарата, та/або наявність інших небезпечних космічних об'єктів, наприклад, із числа космічного сміття, ресурси яких можуть бути використані для зазначеного переходу, при необхідності додатково визначають можливість небезпечних зустрічей в процесі переходу з іншими учасниками космічного руху, наприклад космічними апаратами, об'єктами та небесними тілами, та наявність і достатність ресурсів для переходу на цільову орбіту з урахуванням виконання маневрів ухилення від таких зустрічей та/або обходу небезпечних учасників руху, та/або додатково визначають достатність тягових зусиль для переходу на вказану орбіту 3 UA 91455 U 5 10 15 20 25 щонайменше в межах заданого часу, в разі неможливості виконання хоча б однієї із зазначених умов в процесі маневру виведення на вказану орбіту до нього приєднують щонайменше один інший космічний об'єкт із числа космічного сміття переважно з рушієм та/або ресурсами, необхідними для вихідного космічного апарата, або об'єкт із числа космічних апаратів, що закінчують строк існування або потребують переходу на орбіту щонайменше проміжну на шляху до цільової орбіти, або небесне тіло, рушій та/або його ресурси використовують для виконання наступного маневрування, при цьому, якщо рушієм хоча б одного із зазначених об'єктів є тросова система, то другий космічний об'єкт з'єднують з її кінцевим тілом або використовують замість цього кінцевого тіла, якщо на вихідному космічному апараті та/або кінцевому тілі, та/або космічному об'єкті присутні щонайменше одна електронна гармата та/або один електроракетний двигу, або його катодний блок, то їх використовують як плазмовий замикач і формують електродинамічну тросову систему, причому для електроракетного двигуна попередньо визначають найбільшу ефективність виконання маневру для випадків використання його переважно як маршового рушія та/або як плазмового замикача, після чого електроракетний двигун використовують в режимі найбільшої ефективності, наприклад при польоті на орбіти, близькі до полярних, наявний електроракетний двигун використовують переважно як маршовий рушій для буксирування на вказану орбіту, при цьому прогнозують кількість можливих небезпечних зближень з іншими учасниками космічного руху і визначають витрати ресурсів, наприклад, робочого тіла або палива, із урахуванням необхідності виконання маневрів ухилення від небезпечних зустрічей, в тому числі з урахуванням з'єднання з іншими космічними об'єктами та використанням їх для маневрів ухилення і переходу на цільову орбіту, далі виконують визначені маневри, причому на шляху до вказаної орбіти приєднаний космічний об'єкт або апарат відокремлюють при максимальному наближенні до його цільової орбіти, якщо вона не співпадає з такою орбітою вихідного космічного апарата, при достатності ресурсів на досягнення цільової орбіти вихідного космічного апарата, яку попередньо визначають, причому вказані операції повторюють до виходу на вказану орбіту із заданою або максимальною якістю. 4 UA 91455 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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