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Stand der Technik
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Zurzeit fliegen um die Erde sehr viele Trümmerteile von Raketen und Satelliten, nicht mehr benötigte Raketenstufen, Beschleunigungsaggregate, Satelliten ohne Kontrolle usw. Diese Gegenstände sind nichts anderes als Müll. Sie werden im Allgemeinen mit dem englischen Begriff „Space Debris“ bezeichnet. Die Space Debris stellen für aktive Satelliten sowie für bemannte und unbemannte Weltraumfahrzeuge eine große Gefahr dar, weil eine mögliche Kollision mit den Space Debris zu sehr großem Schaden bis hin zu vollständiger Zerstörung der Kollisionsobjekte führen kann.
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Die große Anzahl dieser Müllteile und die Tatsache, dass es bei den Kollisionen der Space Debris untereinander weitere Müllteile produziert werden, erschweren die Durchführung der Raumfahrtmissionen erheblich.
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Im weiteren Verlauf werden die Bestandteile des Weltraummülls - unabhängig davon, ob ein Teil oder mehrere Teile gemeint sind - allgemein als SDOs (Space Debris Objects) bezeichnet.
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Die bis heute gebrachten Vorschläge für die Beseitigung von SDOs kann man im Wesentlichen unter den folgenden vier Methoden zusammenfassen:
- 1. Verfolgung der SDOs durch einen speziellen Raumflugkörper (Bergungsahrzeug), Annäherung an die SDOs und Ergreifung und Bergung der SDOs unter Verwendung von Greif- bzw. Fangelementen jeglicher Art (Greifarme, Netze usw.) mit anschließender Abbremsung des Bergungsahrzeugs und Eintauchung in die Erdatmosphäre, wo das Bergungsahrzeug samt seiner „Beute“ verglüht oder in den unbewohnten Gegenden niederschlägt;
- 2. Erzeugung großräumiger, elektromagnetischer Felder auf der Bahn der SDOs mit Hilfe von z.B. unter elektrischer Spannung stehenden oder elektrisch geladenen Seilen, die auf einem Raumflugkörper befestigt sind. Solche Felder üben auf die SDOs eine Störkraft aus, die zur Abbremsung der SDOs führt. Dazu müssen die SDOs elektrisch geladen sein bzw. magnetisch sein, was nicht auf alle SDOs zutrifft.
- 3. Dauerhaftes Anstrahlen der SDOs mit einem Laserstrahl, der genug Leistung besitzt, um an der Trefferstelle das Verdampfen des Materials der SDOs hervorzurufen. Dieses Verdampfen produziert seinerseits einen geringen Schub, der - bei der entsprechenden Ausrichtung - die SDOs abbremsen kann, damit diese in die Erdatmosphäre eintreten und dort verglühen oder in den unbewohnten Gegenden niederschlagen;
- 4. Erzeugung von unterschiedlichen Hindernissen auf der Bahn der SDOs in Form von großräumigen Konstruktionen ( EP2508430B1 ) oder in Form von großen Gaswolken bzw. großen Wolken aus festen, durch das Verbrennen gewisser Materialien ( EP2688804B1 , US2013082146A1 , RU2478062C2 ) oder durch Explosionen ( US2012175466A1 , RU2204508C1 ) erzeugten Partikeln. Beim Fliegen durch diese Hindernisse sollen die SDOs abgebremst werden und schließlich in die Erdatmosphäre eintreten und dort verglühen oder in den unbewohnten Gegenden niederschlagen.
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Die Nachteile der beschriebenen Methoden sind die folgenden:
- 1. Bei der Greif- und Fangmethode erlauben die Größe der SDOs, seine geometrische Beschaffenheit und Ausrichtung im Raum nicht immer das sichere Ergreifen mit Greifelementen oder Fangen mit Netzen.
Die SDOs können sehr groß sein (z.B. die ausgebrannten Raketenstufen mit bis zu mehreren Metern im Durchmesser und bis zu mehreren Zehn Metern in der Länge), die SDOs können große flache Objekte sein (z.B. Solarpanels oder Radiatoren) und die SDOs rotieren in der Regel um den eigenen Schwerpunkt, das heißt die Ausrichtung der SDOs im Raum ist nicht immer gleich.
Unter diesen Umständen ist es nötig die Bergungsfahrzeuge sehr speziell für eine bestimmte Art der SDOs zu konstruieren und während der Bergung sowohl die lineare als auch die rotatorische Bewegung des Bergungsfahrzeuges in Orbit an die Bewegung der SDOs anzupassen. Das führt zu einem sehr großen Aufwand bei der Entwicklung von solchen Bergungsfahrzeugen. Das Bergungsfahrzeug muss auch entsprechenden Vorrat an Treibstoff haben, um seine Bewegungen an die Bewegungen der SDOs anpassen zu können.
Außerdem fliegen größere SDOs sehr oft in Begleitung von kleineren Trümmerteilchen, welche die Mechanik der Greif- und Netzelemente beschädigen können oder zu deren Klemmung führen können.
- 2. Bei der Methode elektromagnetischen Feldern ist, neben der Komplexität der Seilkonstruktion, die Unwirksamkeit der Methode bei den nicht magnetischen SDOs oder bei SDOs, die keine elektrische Ladung aufnehmen können. Um diesen Umstand zu Umgehen und eine elektrische Ladung auf die SDOs zu bringen, wurden ebenfalls Vorschläge erbracht ( CN111661368A ). Außerdem muss sich das erzeugte Feld relativ zu den SDOs bewegen oder zumindest seine Lage relativ zu den SDOs immer wieder korrigieren, damit die abbremsende Wirkung des Feldes aufrechterhalten wird.
- 3. Bei der Methode mit dem Laserstrahl ist es sehr schwierig die SDOs genau an der gleichen Stelle dauerhaft zu bestrahlen. Neben der Schwierigkeit die SDOs überhaupt zu treffen und sie entlang ihrer Bahn - vom Boden oder von einem fliegenden Fahrzeug aus - mit dem Laserstrahl sehr genau zu verfolgen, besteht das Problem in der Rotation der SDOs. Durch die Rotation der SDOs muss der Laserstrahl immer wieder ein neues Bereich der SDOs erwärmen, bevor es zu einer Verdampfung kommt. Der Strahl soll außerdem die SDOs so treffen, dass der von den verdampften Materialien erzeugte Schub die SDOs abbremst, was die Anforderungen an die Genauigkeit des Treffens noch mal erhöht. Die hohe Leistung des Laserstrahls, die notwendig ist, um die Materialien von SDOs zu verdampfen, stellt für fliegende Fahrzeuge ebenfalls ein Problem dar.
- 4. Bei der Methode mit der Gaswolke aus Verbrennung oder Explosionen ist die sehr kurze Lebensdauer der Wolke der offensichtliche Nachteil. Das nach der Verbrennung aus der Brennkammer austretende Gas expandiert im Weltraum sehr schnell. Teilweise ist diese Expansion durch die angewendete Technologie nicht zu vermeiden ( EP2688804B1 ). Bei einer Explosion ist die Expansion des Gases bzw. der Explosionsprodukten ebenfalls sehr schnell. Die Gasmoleküle bzw. Verbrennungs- oder Explosionsprodukte fliegen unter Weltallbedingungen weit weg auseinander. Dementsprechend ist die Dichte der durch solche Methoden erzeugten Gaswolken sehr gering. Daraus resultiert sich der weitere Nachteil dieser Methode: die abbremsende Wirkung auf die SDOs ist ebenfalls sehr gering. Des Weiteren werden durch solche Methoden neben den Molekülen des Gases auch feste Partikeln bzw. Teilchen in unterschiedlichen Größen produziert, teilweise bis 5mm Größe ( US2013082146A1 ) oder gar als ein „monolither Torpedo“ ( RU2478062C2 ). Solche Teile durchlöchern die SDOs oder zerstören sie und produzieren dabei weitere SDOs.
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Erfindung
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Die Erfindung - das neue Verfahren zur Beseitigung der SDOs - bringt folgende Vorteile:
- - Das neue Verfahren eignet sich für die Beseitigung beliebiger SDOs, und zwar unabhängig von deren Größe, Form, elektrischen Ladung, Rotation und Ausrichtung im Raum. Es ist keine spezifische Entwicklung für bestimmte SDO-Arten notwendig. Kleine SDO-Teilchen in der Nähe der größeren SDOs stellen kein Problem dar und werden durch das neue Verfahren ebenfalls beseitigt.
- - Die Konstruktion eines Raumflugkörpers, der das neue Verfahren anwendet, kann einfach gehalten werden, da keine komplexen mechanischen Elemente und keine elektromagnetischen Geräte mit hohem Energieverbrauch für das neue Verfahren notwendig sind.
- - Das neue Verfahren erlaubt es dem Raumflugkörper, der das neue Verfahren anwendet, weniger genau auf seiner Bahn geführt zu werden. Außerdem ist beim neuen Verfahren keine Anpassung der Bewegung des Raumflugkörpers an die Bewegungen der SDOs notwendig.
- - Das neue Verfahren bietet hohe Effizienz bei der Beseitigung der SDOs bei geringerer Gefahr der weiteren Zerstörung der SDOs an.
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Die Erfindung ist wie folgt:
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Um die SDOs (1 im Bild 1) zu beseitigen, das heißt von ihrer Umlaufbahn (2 im Bild 1) zu holen, werden die SDOs so weit abgebremst, dass ihre Geschwindigkeit für den Verbleib auf der Umlaufbahn nicht mehr ausreicht, und sie in die Erdatmosphäre eintauchen und dort verglühen bzw. in den unbewohnten Gegenden niederschlagen.
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Die Abbremsung der SDOs erfolgt, indem es auf die SDOs eine abbremsende Kraft ausgeübt wird, die durch die Wechselwirkung beim Zusammenprall der SDOs und Partikeln, die ein Partikelobjekt oder mehreren Partikelobjekten (3 im Bild 1) bilden - das oder die mit einer gewissen Geschwindigkeit auf SDOs zufliegt bzw. zufliegen - entsteht. Die SDOs fliegen eine gewisse Zeit durch das Partikelobjekt und erfahren durch den Impulsaustausch mit den Partikeln eine Abbremsung.
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Die Partikeln gehen von einem Raumflugkörper (4 im Bild 1) aus, das sich entweder auf einer geschlossenen Umlaufbahn oder auf einer ballistischen Flugbahn um die Erde bewegt. Der Raumflugkörper bewegt sich auf einer solchen Bahn, von der eine optimale abbremsende Wirkung der Partikeln auf die SDOs erzielt werden kann. Vorzugweise ist sie, geometrisch gesehen, die gleiche oder eine sehr ähnliche Bahn wie die der SDOs. Die Bewegungsrichtung des Raumflugkörpers soll allerdings entgegen der Bewegungsrichtung der SDOs sein.
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Während die Partikeln den Raumflugkörper verlassen, erfährt er einen Bremsimpuls, der die Bahn des Raumflugkörpers, wenn auch nur geringfügig, ändert. Der Raumflugkörper bewegt sich nach der Abgabe der Partikeln auf einer veränderten Bahn (5 im Bild 1).
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Die Partikelobjekte sollen sich während des Wechselwirkungsvorgangs beim Zusammenprall mit den SDOs vorzugsweise in die Richtung bewegen, die der Bewegungsrichtung der SDOs entgegengesetzt ist - im Bild 1 ist dieser Umstand mit kleinen gebogenen Pfeilen an SDOs und an Partikelobjekten dargestellt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Partikeln relativ zu den SDOs erhöht und somit größere Bremswirkung auf die SDOs beim Zusammenprall erzielt.
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Ein Partikelobjekt (3 im Bild 1 und 11 im Bild 2) ist eine kompakte räumliche Ansammlung - z.B. ein Strahl oder Ähnliches - aus sehr kleinen Partikeln (12 im Bild 2). Die Partikeln können Kristalle, Flocken, Kügelchen, Körner usw. in verschiedenen Anteilen aus gefrorenem Material und / oder sehr kleinen Tropfen (ebenfalls 12 im Bild 2) aus flüssigem Material sein. Diese Partikeln stehen in einem kleinen Abstand zueinander. Das Partikelobjekt bleibt als solches über längere Zeit bestehen und expandiert im Raum sehr langsam oder gar nicht. An dieser Stelle muss unterstrichen werden, dass das Partikelobjekt überwiegend kleine Teilchen oder Tropfen und kein oder ein sehr geringes Volumen eines Gases enthält. Restmengen von Gasen sind aus technischen Gründen nicht zu vermeiden und sind zulässig, allerdings spielen sie bei dieser Erfindung keine nennenswerte Rolle.
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Die Partikeln (12 im Bild 2) aus gefrorenem und / oder flüssigem Material sollen beim Aufprall auf die SDOs so klein sein, dass sie beim Aufprall auf die SDOs sofort vollständig oder fast vollständig verflüssigt und / oder verdampft werden, ohne dabei die Zerstörung der SDOs zu bewirken. Gleichzeitig übertragen die Partikeln beim Aufprall ihren Impuls vollständig (falls sie beim Aufprall verdampfen oder an den SDOs haften bleiben) oder anteilig auf die SDOs. Die SDOs werden dadurch langsamer. Das Verdampfen der Partikeln sowie möglicherweise das Verdampfen der Teile der SDOs-Oberfläche beim Zusammenprall erzeugt zusätzlichen Schub, der zur Abbremsung der SDOs beiträgt.
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Das Material, aus dem die Partikeln bestehen - im weiteren Verlauf der Erfindungsbeschreibung als Partikelmaterial bezeichnet - sowie die Masse und die Form der Partikeln sollen so sein, dass die Partikeln als solche eine gewisse Mindestzeit unter den im Weltall herrschenden Bedingungen bestehen bleiben und nicht sehr schnell sublimieren bzw. verdampfen und dadurch ihre Masse verlieren. Diese notwendige Mindestzeit des Bestehenbleibens der Partikeln hängt von deren Bahn und dem Zeitpunkt der Abgabe der Partikeln ab und sie muss ausreichend lang sein, damit die Partikeln nach dem Verlassen des Raumflugkörpers die SDOs erreichen.
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Das Partikelmaterial, aus dem die Partikeln bestehen, kann sowohl ein reines Material als auch eine Mischung aus unterschiedlichen Materialien sein. Die geeigneten Partikelmaterialien sind Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Wasserstoff, deren Isotope. Die Mischungen der erwähnten Materialien (z.B. Wasser-Methanol-Mischung oder Wasser-Kohlenstoffdioxid-Mischung) sind ebenfalls für die Herstellung von Partikeln geeignet. Andere Materialien oder Materialmischungen, aus denen sich kleine gefrorene Partikeln oder kleine Tropfen herstellen lassen, sind ebenfalls verwendbar.
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Die Herstellung der gefrorenen Partikeln und / oder Tropfen geschieht mit Hilfe eines Partikelgenerators oder mehreren Partikelgeneratoren (21 im Bild 3). Die Konstruktion des Partikelgenerators ist dabei unerheblich, sobald diese unter Weltraumbedingungen funktioniert. Als zwei Beispiele seien hier die Zerstäubung von Wasser (wie sie bei Schneekanonen den Einsatz findet) und die Erzeugung von Tropfen in den Tintenstrahldruckern genannt. Auch andere Prinzipien und Konstruktionen zum Herstellen von kleinen Partikeln oder Tropfen sind verwendbar. Der Partikelgenerator wird als beliebige auf dem Markt verfügbare Konstruktion betrachtet.
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Der Partikelgenerator (21 im Bild 3) - es können auch mehrere Partikelgeneratoren sein - befindet sich auf dem Raumflugkörper (s. Bild 3). Der Partikelgenerator generiert aus dem im Vorratstank (23 im Bild 3) vorhandenen Partikelmaterial mehrere Partikeln, die dann durch eine spezielle Düse (27 im Bild 3) geht bzw. gehen. Das Partikelmaterial wird aus dem Vorratstank mit Hilfe vom Fördersystem (22 im Bild 3) zu den Partikelgeneratoren gefördert.
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Die spezielle Düse (27 im Bild 3), die am Partikelgenerator bzw. auf dem Raumflugkörper befestigt ist, ist so beschaffen, dass sie es erlaubt aus den generierten Partikeln solche Partikelobjekte zu erzeugen, die sich nach dem Verlassen der Partikelgenerators bzw. des Raumflugkörpers im Weltraum nicht ausdehnen oder sehr langsam ausdehnen. Dadurch treffen viel mehr Partikeln die SDOs. Es können auch mehrere solche Düsen verwendet werden.
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Der Partikelgenerator und der Raumflugkörper sind optional mit Hilfe von einer Einstellvorrichtung (28 in Bild 3) miteinander verbunden. Die spezielle Düse ist optional an dem Partikelgenerator bzw. an dem Raumflugkörper mit Hilfe von einer weiteren Einstellvorrichtung (29 in Bild 3) verbunden. Diese Einstellvorrichtungen erlauben es die Richtung, in der das Partikelobjekt den Raumflugkörper verlässt, in allen drei Raumrichtungen zu steuern. Ebenfalls erlauben diese Einstellvorrichtungen die Größe des erzeugten Partikelobjekts zu verändern, indem die einzelne Partikelobjekte aus unterschiedlichen Generatoren und Düsen in verschiedene Richtungen abgegeben werden.
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Das Partikelobjekt verlässt nach seiner Generierung den Raumflugkörper mit einer gewissen Geschwindigkeit und bewegt sich in die Richtung des Punktes im Raum, wo es nach einer gewissen Zeit mit den SDOs zusammenprallen wird.
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Um die Treffsicherheit zu erhöhen, verfügt der Raumflugkörper über ein Tracking-System (24 im Bild 3). Das Tracking-System ist mit unterschiedlichen Geräten, wie z.B. Radar- und Lidar-Geräte, für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindliche Kameras usw., sowie mit einem entsprechenden Steuerungs- und Kommunikationssystem ausgestattet. Das Tracking-System ist für die Ortung und Verfolgung der SDOs notwendig.
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Der Raumflugkörper verfügt außerdem über ein Steuerungs- und Kommunikationssystem (25 im Bild 3) samt einem Antriebssystem (26 im Bild 3). Das Antriebssystem besteht aus einem Hauptantriebssystem sowie einem Bahn- und Lageregelungssystem. Damit können sowohl die Bahn des Räumungsfahrzeus sowie die Richtung, in der das Partikelobjekt den Raumflugkörper verlässt, gezielt verändert werden.
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Das Tracking-System (24 im Bild 3) dient zusammen mit dem Steuerungs- und Kommunikationssystem (25 im Bild 3) und dem Antriebssystem (26 im Bild 3) auch dazu die Kollisionen mit anderen Objekten, welche die Bahn des Raumflugkörpers kreuzen, zu vermeiden, indem die potenziell gefährlichen Objekte erkannt werden und denen ausgewichen werden.
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Die Form des Partikelobjektes (30 im Bild 4) kann beliebig sein, bevorzugt soll sie der eines ausgedehnten Körpers (z.B. eines Strahls) ähneln, dessen größte Ausdehnung mehr oder weniger entlang der Bahn der SDOs (31 im Bild 4) ausgerichtet ist. Die Projektion der Querschnittfläche des Partikelobjektes (32 im Bild 4) auf die Ebene (33 im Bild 4), zu der der Geschwindigkeitsvektor der SDOs (34 im Bild 4) normal ist, soll in einem gewissen Verhältnis zu der Projektion der Fläche der SDOs (35 im Bild 4) auf dieselbe Ebene (33 im Bild 4) stehen. Falls die SDOs (36 im Bild 4) rotieren, kann anstelle der Projektion der Fläche der SDOs (35 im Bild 4) die Projektion derjenigen Fläche (37 im Bild 4) auf dieselbe Ebene (33 im Bild 4) herangezogen werden, welche die SDOs-Teile bei der Rotationsbewegung überstreichen. Das Verhältnis der erwähnten Flächen zueinander kann sich entlang der Bahn der SDOs ändern. Die erwähnten Flächen sind nicht konstant, sondern ändern sich mit der Zeit. Zur besseren Übersicht im Bild 4 sind diese Flächen nicht auf der Ebene (33 im Bild 4) dargestellt, sondern auf den SDOs bzw. auf dem Partikelobjekt.
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Der Geschwindigkeitsvektor des Partikelobjektes (38 im Bild 4) kann relativ zu dem Geschwindigkeitsvektor der SDOs beliebig ausgerichtet sein, bevorzugt soll er mehr oder weniger entgegengerichtet sein, das heißt der Winkel zwischen den beiden Vektoren soll 180°±90°betragen.
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Der Abstand der Partikeln des Partikelobjektes zueinander zum Zeitpunkt des Zusammenpralls mit den SDOs soll gering wie möglich sein. Für die gefrorenen Partikeln des Partikelobjekts soll der Abstand so sein, dass die Partikeln keine größeren Brocken oder Klumpen bilden, damit beim Zusammenprall die SDOs nicht zerstört werden.
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Die Zeit zwischen dem Zeitpunkt der Generierung der Partikeln bis zum Zeitpunkt ihres Zusammenpralls mit einem SDO muss so sein und so gewählt werden, dass die festen Partikeln oder die flüssigen Partikeln im Partikelobjekt nicht vollständig sublimieren oder verdampfen.
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Die Bahn des Raumflugkörpers sowie die Bahn der Partikelobjekte kann entsprechend der Gesetze der Bahnmechanik beliebig gewählt werden, soll aber so sein, dass beim Zusammenprall des Partikelobjektes und der SDOs eine maximal mögliche Abbremswirkung auf die SDOs erzielt wird. Die Ebene der Bahn der Partikelobjekte soll daher bevorzugt in der Ebene der Bahn der SDOs liegen.
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Während das Partikelobjekt den Raumflugkörper verlässt, kann eine Korrektur des Austrittswinkels des Partikelobjekts relativ zu der Bahn des Raumflugkörpers mit Hilfe von Steuerungssystem (25 im Bild 3), Antriebssystem (26 im Bild 3) und Einstellvorrichtungen (28 und 29 im Bild 3) durchgeführt werden, mit dem Ziel die SDOs mit maximal möglicher Anzahl der Partikeln des Partikelobjektes bzw. mit maximal möglicher Abbremswirkung zu treffen.
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Damit diese Korrektur machbar wird, muss die Bahn der SDOs hinlänglich bekannt sein. Das bedeutet, dass die Bahn der SDOs in der Nähe des geplanten Punkts des Zusammenpralls mit Partikeln exakt (mit einer geschätzten Toleranz besser als ±50 m) vermessen oder berechnet werden muss. Das kann entweder im Voraus mit Instrumenten auf der Erde oder direkt vom Raumflugkörper aus mit Hilfe von Tracking-System (24 im Bild 3) geschehen.
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Der Raumflugkörper - nach dem er die komplette Ladung des Partikelmaterials abgegeben hatbremst ab und taucht in die Erdatmosphäre und führt ein Wiedereintrittsmanöver durch und in der Regel verglüht in der Erdatmosphäre oder schlägt in den unbewohnten Gegenden nieder.
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Der Raumflugkörper kann auch als wiederverwendbar konstruiert sein, so dass er beim Wiedereintritt nicht verglüht oder zerstört wird, sondern auf die Erde kommt und nach einer Prüfung, möglicher Reparatur und entsprechender Vorbereitung erneut für die Beseitigung der SDOs eingesetzt werden kann.
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Der wiederverwendbare Raumflugkörper zusammen mit einem vollständig wiederverwendbaren Trägersystem stellt ein vollständig wiederverwendbares System für die Beseitigung der SDOs dar. Ein solches System produziert kein neues Weltraummüll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2508430 B1 [0004]
- EP 2688804 B1 [0004, 0005]
- US 2013082146 A1 [0004, 0005]
- RU 2478062 C2 [0004, 0005]
- US 2012175466 A1 [0004]
- RU 2204508 C1 [0004]
- CN 111661368 A [0005]
