Космічний апарат для утилізації космічного сміття

Реферат: Космічний апарат для утилізації космічного сміття включає екранну перепону для зустрічних космічних об'єктів та виконавчі органи для її орієнтації. Додатково повністю або частково сукупно застосовано останній ступінь засобу виведення на орбіту, енергосилову установку, електричну енергоустановку, системи орієнтації та стабілізації, навігації, керування, зв'язку та передачі даних, контролю стану перепони, приведення перепони в робочий стан, передачі тягових зусиль на перепону, контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів. UA 72974 U (54) КОСМІЧНИЙ АПАРАТ ДЛЯ УТИЛІЗАЦІЇ КОСМІЧНОГО СМІТТЯ UA 72974 U UA 72974 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до космічної техніки, конкретно - до очистки космічного простору від космічного сміття (КС). Відомий космічний апарат (КА) для очистки космосу від космічного сміття [1], який містить джерело електроживлення (ДЕЖ), систему виявлення частинок сміття і декілька пристроїв генерації та дистанційної передачі енергії виявленій частинці, що розміщені на тросовій системі. Апарат може бути обладнаний накопичувачем, електроракетними двигунами (ЕРД), а як ДЕЖ може бути використана ядерна або сонячна електроустановка. Недоліком цього рішення є мала ефективність, великі складність і вартість та завелика екологічна небезпека. Мала цільова ефективність пов'язана з принципом дії, який потребує постійного сканування зовнішнього простору і розпізнавання частинок космічного сміття. У цьому процесі присутні помилки, пропуски. Частина близьких частинок може бути пропущена через концентрацію зусиль на одній з них. При цьому під дією енергії частинка починає рухатись внаслідок перегону частини матеріалу, що створює реактивну силу. Крім того, на великих відносних швидкостях (до 16 км/с) згадана система внаслідок запізнювань та інерційності може не зреагувати потрібним чином. Дистанційна передача енергії приводить до появи "електронного смогу". Відомий пристрій [2] для збору космічного сміття, який включає КА та екран (Е) із гнучкої плівки, утворений двома незамкненими поверхнями і який взаємодіє із зовнішнім середовищем, троси та контейнери для збору фрагментів КС. Екран гасить відносну швидкість дрібних фрагментів. Відома також система для видалення космічного сміття [3], що містить КА, диск з м'якого матеріалу, привод обертання та замковий пристрій. Диску надають обертання і відокремлюють. Найбільш близьким аналогом є пристрій для здійснення способу [4], що має плівкову екранну перепону та виконавчі органи (реактивні двигуни) для його орієнтації та утримання в робочому стані. Принципові недоліки пристроїв [2]-[4] такі. Низька цільова ефективність, пов'язана з тим, що екрани рухаються по тій самій орбіті і очищують дуже тонкий сферичний шар навколоземного космічного простору (НКП). При цьому вони руйнуються і самі, їх фрагменти стають космічним сміттям. Крім того, непередбачений маневр ухилення від зіткнення з іншими небезпечними космічними об'єктами (КО). Маневр запобігання зіткненню шляхом переорієнтації та згорнення екрана [4] зовсім неефективний, якщо КО перетинає орбіту КА в границях згорненої конфігурації. Внаслідок попадань КС у гнучкий Е випадково змінюється його орбіта, орієнтація, форма і конфігурація. Розтягнення такого екрана при наявності пробоїв може прискорити його руйнування. Внаслідок відсутності маневрових можливостей в свою чергу виключена можливість оперативного очищення потрібних орбітальних шарів. Конфігурація Е у вигляді незамкнених поверхонь знижує цільову ефективність, оскільки попадання частинок КС у будьякій точці орбіти можливе з усіх напрямків по азимуту та прямому піднесенню, тобто для деяких напрямків ефективність мала або зовсім відсутня. Крім того, засоби, що виводять згадані пристрої, залишаються на близьких орбітах і вже як КС. Контейнери із зібраним сміттям залишаються на навколопланетних орбітах і не уводяться на безпечні орбіти. Внаслідок низької цільової ефективності знижуються інші показники загальної ефективності: загальна вартість та складність очистки підвищуються, засмічення зростає, безпека польотів падає. В основу корисної моделі поставлена задача розробки космічного апарата для утилізації космічного сміття підвищеної ефективності, оперативності, мінімальних складності та вартості, з підвищеними функціональними можливостями. Поставлена задача вирішується тим, що в космічному апараті для утилізації космічного сміття, що включає екранну перепону для зустрічних космічних об'єктів та виконавчі органи для її орієнтації, згідно з корисною моделлю, додатково повністю або частково сукупно застосовано останній ступінь засобу виведення на орбіту, енергосилову установку, електричну енергоустановку, системи орієнтації та стабілізації, навігації, керування, зв'язку та передачі даних, контролю стану перепони, приведення перепони в робочий стан, передачі тягових зусиль на перепону, контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів, при цьому система орієнтації та стабілізації включає виконавчі органи на базі електроракетних двигунів та/або хімічних реактивних, двигунів та/або силових гіроскопів, та/або гравітаційних електропровідних або непровідних жорстких або нежорстких подовжених елементів, та/або електромагнітів, та/або магнітів, енергосилова установка виконана на базі електроракетних двигунів та/або хімічних реактивних двигунів, та/або сонячних парусів, та/або електромагнітодинамічних тросових систем, електрична енергоустановка виконана на базі сонячних та/або акумуляторних, та/або радіоізотопних, та/або ядерних джерел живлення, наприклад, батарей, перепона виконана у вигляді тонкої замкненої об'ємної оболонки, 1 UA 72974 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наприклад, має фігуру сфероїда і армована, наприклад, металевою сіткою або ребрами жорсткості із матеріалу оболонки та орієнтована в робочому стані найбільшим характерним розміром у напрямку руху, система приведення перепони в робочий стан включає, наприклад, балони з газом і наповнювачем, наприклад аерогелем або будівною піною, або без наповнювача та газову арматуру, сполучену з порожниною перепони, система передачі тягових зусиль включає жорсткі або нежорсткі тяги або антифрикційну контактну поверхню на основі антифрикційних матеріалів, наприклад фторопласту, або у вигляді упорного кулькопідшипника, кульки якого в радіальному напрямку охоплені обоймою у вигляді, наприклад, двох кілець, як у радіальному кулькопідшипнику, так, що кульки з боку контакту з перепоною виходять за зовнішній край кілець, кільця зафіксовані відносно контактної поверхні і при цьому система приведення перепони в робочий стан має пристрій для механічного розриву сполучення газової арматури після випуску газу, наприклад, дистанційний керований заряд, та сама система передачі тягових зусиль у разі нежорстких тяг додатково включає електролебідку, на яку, щонайменше у вихідному стані, намотані тяги, з торсіонною пружиною, зв'язану з валом електролебідки, або без неї, тяги своїми кінцями фіксовано або нефіксовано зв'язані з перепоною та системою передачі зусиль, система контролю стану перепони виконана, наприклад, на базі сцинтиляційних або п'єзоелементів або електропровідних або світлопровідних елементів у складі арматури оболонки, причому системи навігації, керування, контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів виконані з можливістю повного або часткового застосування таких зовнішніх наземних та/або орбітальних систем, при цьому всі вказані бортові елементи і системи, крім перепони, повністю або частково виконані з можливістю повної або часткової установки в окремому модулі та/або повної або часткової установки на перепоні, та/або повної або часткової інтеграції з такими самими зовнішніми наземними та/або орбітальними елементами і системами, та/або елементами і системами останнього ступеня засобу виведення на орбіту, а рушії енергосилової установки встановлені переважно в щонайменше одній площині, що проходить через центр мас космічного апарата, і знаходяться переважно на найбільшій відстані від нього. Суть корисної моделі продемонстрована на кресленні. На фіг. 1 зображено схему заявленого космічного апарата, на фіг. 2 зображено принцип роботи пристрою, на фіг. 3 зображено один варіант КА в робочому стані, на фіг. 4 зображено другий варіант КА в робочому стані, на фіг. 5 зображено схему роботи заявленого пристрою, на фіг. 6 зображено розподілений варіант КА, на фіг. 7 зображено варіант виконання системи передачі тягових зусиль на перепону з контактною поверхнею. Заявлений винахід реалізується таким чином. КА 1 для утилізації КС включає: останній ступінь (С) засобу виведення на орбіту 2; екранну перепону (ЕП) 3; енергосилову установку (ЕУ) 4; електричну енергоустановку (ЕЕУ) 5; систему орієнтації та стабілізації (СОС) 6; систему навігації (СН) 7; систему керування (СК) 8; систему зв'язку та передачі даних (СЗПД) 9; систему контролю стану перепони (СКСП) 10; систему приведення перепони в робочій стан(СППРС) 11; систему передачі тягових зусиль на перепону (СПТЗ) 12; систему контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів (СКНСВКО) 13. Останній ступінь засобу виведення на орбіту 2 включений в склад КА 1 і не відділяється від нього, як це прийнято, щоб, по-перше, не засмічувати космічний простір, по-друге, для здешевлення пристрою як можливий силовий елемент, по-третє, з тією самою метою - шляхом можливого повторного використання елементів, агрегатів та систем інтеграцією в КА 1. Крім того, при польоті в атмосфері збільшена за рахунок С 2 маса КА 1 забезпечує менший балістичний коефіцієнт, тобто менше лобовий опір і звідси менша витрата робочого тіла ЕУ 4. ЕП 3 є основним елементом, що утилізує КС. У вихідному стані ЕП 3 складена під обтічник засобу виведення. Замкнена оболонка забезпечує на шляху дрібного КС появу двох перепон, тобто суттєво збільшує можливість гасіння відносної швидкості фрагмента. Форма сфероїда 2 UA 72974 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечує меншу масу при найбільшій поверхні оболонки, простоту переведення її в робочий стан та мінімальні потреби і витрати газу для цього. А головне - забезпечує рівні гальмівні можливості для всіх напрямків попадання КО. Армування оболонки забезпечує збереження форми після пробою оболонки космічними об'єктами, а наповнювач підвищує її гальмівні властивості, забезпечує фіксацію фрагментів КО та захищає її ж від пошкодження вторинними фрагментами від руйнування. У робочий стан ЕП 3 приводять після виведення на вихідну для маневру очистки орбіту по команді СК 8 за допомогою СППРС 11 шляхом подавання газу з наповнювачем або без нього із балонів. У робочому стані при русі в напрямку 14 (фіг. 2), який забезпечується рушіями 15 (фіг. 3) ЕУ 4, у засміченому НКП на шляху ЕП 3 зустрічаються дрібні КО 16, 17, 18. Великогабаритні КО КА 1 визначає завдяки СКНСВКО 13 і ухиляється від них з поверненням на попередню орбіту або без цього, для чого використовують ЕУ 4. КО 16 пробиває фронтальну стінку ЕП, гасить швидкість до такої, що зостається в порожнині перепони. КО 17 має малу відносну швидкість і після зустрічі з фронтальною стінкою ЕП 3 не пробиває її, але гасить до рівня, що приводить до переходу на нову орбіту 19 з меншим часом існування. КО 18 має таку швидкість, що пробиває фронтальну та задню стінку ЕП З, яка гасить його швидкість до такої, що приводить до входу в густі шари атмосфери по траєкторії 20 і подальшого згоряння. При цьому КО 16…19 роздрібнюються до більш безпечних характерних розмірів. Роль ЕУ 4; ЕЕУ 5, СОС 6, СН 7, СК 8, СЗПД 9 зрозуміла із рівня техніки. Система контролю стану перепони 10 необхідна для визначення рівня наближеності ЕП 3 до руйнування. При досягненні критичного стану приймається рішення про подальше використання КА 1 і його маневрів з метою не допустити засмічення НКП. Система передачі тягових зусиль на перепону 12 основана на використанні нежорстких 21 (фіг. 3) і жорстких 22 (фіг. 4) тяг. У першому випадку ЕП 3 тягнуть за С 2 КА 1, а в другому штовхають поперед нього. Наявність електролебідки для нежорстких тяг забезпечує простоту стабілізації КА: у разі нецентральної зустрічі з КО ЕП 3 починає обертатися, лебідка змушено подає тяги, а із зменшенням натягу втягує їх назад, чим зменшує вплив цього збурення на СОС 6 і зменшує витрати енергії та/або робочого тіла ЕУ 4 на процес стабілізації. Торсіони механічно сприяють цьому. Схема роботи пристрою така (фіг. 5). КА 1 виводять на вихідну орбіту 23. ЕП 3 - в складеному стані. СППРС 11 приводить її в робочий стан - надуває. Встановлюються тяги СПТЗ 12. Таким чином КА приведено в робочий стан. Далі він маневрує по траєкторії очистки 24, яку задає СК 8 самостійно або по командах ззовні через СЗПД 9. У стані 25 (на орбіті 25) КА 1 зустрічає КО 17, який відштовхується від ЕП 3 і далі як описано вище. У поз. 26 КА 1 зустрічає великогабаритний КО 27, виявляє його СКНСВКО 13, по її інформації і інформації СН 7 формуються команди СК 8 на зустріч і захоплення КО 27: ЕП 3 підводять до нього, упираються в нього і таким чином далі транспортують по траєкторії подальшого маневру. Цим забезпечується підвищення функціональних можливостей КА, що заявляється, - додаткове очищення від великогабаритних фракцій космічного сміття. У поз. 28 в ЕП 3 КА 1 попадають КО 16, який захоплюється ЕП 3, та КО 18, який гасить швидкість до потрібної на вхід 29 в нижню атмосферу. При досягненні критичного стану ЕП 3, яке визначає СКСП 10, КА 1 переводять на безпечну орбіту 30. На фіг. 6 зображено варіант КА 1, системи та елементи якого розподілені по поверхні ЕП 3. Показано рушії 31 (сопла) ЕУ 4, сонячні батареї 32 ЕЕУ 5 та місце розташування 33 інших систем та елементів КА 1. Варіант виконання системи передачі тягових зусиль на перепону з контактною поверхнею наведений на фіг. 7. Окремий від ЕП 3 модуль 34 з системами та елементами КА 1 має контактну поверхню (КП) 35, на якій нерухомо відносно вказаного модуля розташовано упорний кулькопідшипник з кульками 36 та зовнішнім 37 і внутрішнім кільцями 38 обійми. КА 1 упирається кулькопідшипником в ЕП 3, яка конструктивно розв'язана від модуля, і таким чином транспортує її. ЕП 3 конструктивно розв'язують від модуля після приведення її в робочий стан шляхом розрізу газової арматури СППРС 11 дистанційним керованим пірозарядом. Таким чином забезпечується зменшення навантаження на систему орієнтації та стабілізації СОС 6 у разі обертання ЕП 3 внаслідок попадання в неї КО в напрямку, що не проходить через центр перепони. Усі вказані елементи і системи пристрою відомі із рівня техніки, але в сукупності створюють новий ефект, який не може бути досягнутий кожним із них окремо, а саме: рішення поставленої вище технічної задачі - забезпечення можливості створення космічного апарата для утилізації космічного сміття підвищеної ефективності, оперативності, мінімальних складності та вартості, з підвищеними функціональними можливостями. 3 UA 72974 U 5 10 15 20 25 30 Підвищення ефективності пристрою, що заявляється, забезпечується: наявністю маневрових можливостей, що дозволяє чистити різні шари НКП, в тому числі і в оперативному режимі, забезпечує ухилення від зустрічних великогабаритних КО і діючих КА та повернення на вихідну орбіту; незалежністю очищення НКП у будь-якій точці орбіти від напрямків нальоту КО КС; підвищеною ефективністю гасіння відносної швидкості КО за рахунок наявності двох екранних перепон для нього - передньої та задньої поверхонь сфероїда; запобіганням руйнуванню ЕП на цільових орбітах за рахунок можливості уведення КА на безпечні орбіти ще до переходу в критичний стан; керуванням часом існування КА; можливістю транспортування відокремлюваних частин засобу виведення КА на безпечні орбіти, а не залишати їх на цільових орбітах в якості КС; можливістю прибирання не тільки дрібного, а й попутно великогабаритного космічного сміття; максимальним збереженням форми екрану в процесі функціонування; відсутністю витрат палива на підтримання конфігурації та форми екрана, що дозволяє ефективно використовувати масу КА як корисного навантаження засобу виведення; можливістю використання КА в якості навігаційних орієнтирів та еталонів для радіолокаційних станцій контролю орбіт. При більш детальному аналізі заявленого рішення цей список переваг можна продовжити. Таким чином, вирішена поставлена задача розробки космічного апарата для утилізації космічного сміття підвищеної ефективності, оперативності, мінімальних складності та вартості, з підвищеними функціональними можливостями. Джерела інформації: 1. Пат. № 2040449 Росія МПК В 64 G 9/00. Апарат для очистки космосу від сміття // Масленников А. А., Синявский В. В. - 5032221/23. Заявл. 13.03.92; опубл. 25.07.1995. 2. Пат. № 2046081 Росія МПК В 64 G 9/00. Космический сачок // Поляков Г. Г. - 5015713/23. Заявл. 11.12.91; опубл. 20.10.1995. 3. Пат. № 2053943 Росія МПК В 64 G 9/00. Система для удаления космического мусора // Атнашев В. Б., Атнашев А. Б. - 5007255/11. Заявл. 15.07.91; опубл. 10.02.1996. 4. Пат. № 2092409 Росія 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 // Корягин Ю. В., Долгих В. Н., Савин В. И. и др. - 93052084/11. Заявл. 16.11.93; Опубл. 10.10.1997. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 60 Космічний апарат для утилізації космічного сміття, що включає екранну перепону для зустрічних космічних об'єктів та виконавчі органи для її орієнтації, який відрізняється тим, що в ньому додатково повністю або частково сукупно застосовано останній ступінь засобу виведення на орбіту, енергосилову установку, електричну енергоустановку, системи орієнтації та стабілізації, навігації, керування, зв'язку та передачі даних, контролю стану перепони, приведення перепони в робочий стан, передачі тягових зусиль на перепону, контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів, при цьому система орієнтації та стабілізації включає виконавчі органи на базі електроракетних двигунів та/або хімічних реактивних, двигунів та/або силових гіроскопів, та/або гравітаційних електропровідних або непровідних жорстких або нежорстких подовжених елементів, та/або електромагнітів, та/або магнітів, енергосилова установка виконана на базі електроракетних двигунів та/або хімічних реактивних двигунів, та/або сонячних парусів, та/або електромагнітодинамічних тросових систем, електрична енергоустановка виконана на базі сонячних та/або акумуляторних, та/або радіоізотопних, та/або ядерних джерел живлення, наприклад батарей, перепона виконана у вигляді тонкої замкненої об'ємної оболонки, наприклад має фігуру сфероїда і армована, наприклад, металевою сіткою або ребрами жорсткості із матеріалу оболонки та орієнтована в робочому стані найбільшим характерним розміром у напрямку руху, система приведення перепони в робочий стан включає, наприклад, балони з газом і наповнювачем, наприклад аерогелем або будівною піною, або без наповнювача та газову арматуру, сполучену з порожниною перепони, система передачі тягових зусиль включає жорсткі або нежорсткі тяги або антифрикційну контактну поверхню на основі антифрикційних матеріалів, наприклад фторопласту, або у вигляді упорного кулькопідшипника, кульки якого в радіальному напрямку охоплені обоймою у вигляді, наприклад, двох кілець, як у радіальному кулькопідшипнику, так, що кульки з боку контакту з перепоною виходять за 4 UA 72974 U 5 10 15 зовнішній край кілець, кільця зафіксовані відносно контактної поверхні і при цьому система приведення перепони в робочий стан має пристрій для механічного розриву сполучення газової арматури після випуску газу, наприклад дистанційний керований заряд та сама система передачі тягових зусиль у разі нежорстких тяг додатково включає електролебідку, на яку, щонайменше у вихідному стані, намотані тяги, з торсіонною пружиною, зв'язану з валом електролебідки, або без неї, тяги своїми кінцями фіксовано або нефіксовано зв'язані з перепоною та системою передачі зусиль, система контролю стану перепони виконана, наприклад, на базі сцинтиляційних або п'єзоелементів, або електропровідних, або світлопровідних елементів у складі арматури оболонки, причому системи навігації, керування, контролю навколишнього середовища та виявлення космічних об'єктів виконані з можливістю повного або часткового застосування таких зовнішніх наземних та/або орбітальних систем, при цьому всі вказані бортові елементи і системи, крім перепони, повністю або частково виконані з можливістю повної або часткової установки в окремому модулі та/або повної або часткової установки на перепоні, та/або повної або часткової інтеграції з такими самими зовнішніми наземними та/або орбітальними елементами і системами, та/або елементами і системами останнього ступеня засобу виведення на орбіту, а рушії енергосилової установки встановлені переважно в щонайменше одній площині, що проходить через центр мас космічного апарата, і знаходяться переважно на найбільшій відстані від нього. 5 UA 72974 U 6 UA 72974 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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 7