RU2721368C1

RU2721368C1 - Device for cleaning near earth space from large-size space debris

Info

Publication number: RU2721368C1
Application number: RU2019135737A
Authority: RU
Inventors: Михаил Викторович Яковлев; Анатолий Николаевич Мальченко; Владимир Афанасьевич Архипов; Владимир Иванович Соколов; Александр Павлович Тихонов; Виктория Анатольевна Марчук; Борис Андреевич Григорьев
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-05-19

Abstract

FIELD: space equipment.

SUBSTANCE: invention relates to space engineering and can be used for cleaning near-earth space from relatively large-sized space debris, such as worked-out spacecraft (SC), booster rockets, rocket last stages. Device for cleaning near-earth space from large-size objects of space debris comprises a coarse-meshed network, made in form of a cone, base of which is fixed along the perimeter of the expandable controlled frame, and its top is connected to the rope system of the spacecraft through the ball mechanism, at that the frame is equipped with low-thrust engines.

EFFECT: invention can be used for cleaning near-earth space from space garbage.

1 cl

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства (ОКП) от относительно крупного по размеру космического мусора (КМ), такого как прекратившие активное существование космические аппараты (КА), разгонные блоки (РБ), последние ступени ракет (ПСР).The invention relates to space technology and can be used to clean near-Earth space (OKP) from relatively large-sized space debris (KM), such as spacecraft (SC) that have ceased to exist, booster blocks (RB), last missile stages (RPS) )

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2011131723/11, МПК B64G 1/00, B64G 1/56, 2011 год «Способ разрушения фрагментов космического мусора» (Мирошников С.Ю., Сорокин С.В., Хмельщиков М.В., Тимофеев Ю.Т.), которое предназначено для защиты от космического мусора, метеоритов и других опасных объектов, а также для очистки околоземного космического пространства от КА, прекративших активное существование, и их обломков. Предложенный способ может быть использован, например, для предотвращения столкновения крупных фрагментов космического мусора с Землей. Способ разрушения космического мусора заключается в воздействии на опасный объект взрывами взрывчатых веществ в приповерхностных слоях вещества с использованием последовательно запускаемых к опасному объекту космических перехватчиков. Взрывы производят последовательно серией с изменяющейся частотой, согласованной с геометрическими размерами и плотностью опасного объекта, в том числе метеоритно-кометного происхождения. Необходимую информацию о свойствах опасного объекта получают с использованием дистанционного зондирования и спектрографических исследований. Взрывы последовательно увеличиваются по мощности. Достигается повышение производительности и эффективности разрушения фрагментов космического мусора с широким спектром их характеристик. К недостаткам способа относится необходимость предварительного дистанционного зондирования и проведения спектрографических исследований, что выполняется с использованием наземных средств контроля космического пространства.Known invention protected by patent - analogue: application No. 2011111723/11, IPC B64G 1/00, B64G 1/56, 2011 “A method for destroying space debris fragments” (Miroshnikov S.Yu., Sorokin SV, Khmelshchikov M.V. ., Timofeev Yu.T.), which is intended for protection from space debris, meteorites and other dangerous objects, as well as for cleaning near-Earth space from spacecraft that have ceased active existence, and their debris. The proposed method can be used, for example, to prevent the collision of large fragments of space debris with the Earth. The method of destruction of space debris consists in exposing explosive substances to explosive substances in the surface layers of a substance using space interceptors sequentially launched to a dangerous object. Explosions are carried out sequentially in a series with a changing frequency, consistent with the geometric dimensions and density of the hazardous object, including meteorite-comet origin. The necessary information about the properties of a hazardous object is obtained using remote sensing and spectrographic studies. Explosions sequentially increase in power. EFFECT: increased productivity and destruction efficiency of space debris fragments with a wide range of their characteristics. The disadvantages of the method include the need for preliminary remote sensing and spectrographic studies, which is performed using ground-based space monitoring means.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2008108324/11, МПК B64G 1/52, B64G 1/56, 2008 год «Способ защиты космических аппаратов» (Новосельцев Д.А.), которое предназначено для защиты космических аппаратов от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности. Способ заключается в том, что в направлении потенциально опасных объектов перед КА направляют экран, который выполняют в виде твердого тела малой плотности. Экран выдувают газом из полимерного материала с малым временем затвердевания в условиях вне защищаемого КА. Полимерный материал или его смесь с указанным газом обладают свойством детонации при столкновении с опасными объектами. Габаритные размеры и массу экрана выбирают достаточными для разрушения указанных объектов и отклонения их фрагментов от КА. В направлении опасных объектов может быть направлено, при необходимости, несколько экранов необходимой массы и габаритных размеров. Экраны могут формироваться непосредственно перед отделением от КА из вспененного полимерного материала или аэрогеля путем вспенивания жидкого полимерного материала или выдувания порошкообразного компонента газом. Техническим результатом изобретения является обеспечение многократной и эффективной защиты КА от столкновений с потенциально опасными объектами и их группами при минимальной массе используемых для этого средств. Данный способ требует использования наземных средств контроля космического пространства, которые не обладают достаточной эффективностью при работе в области высоких орбит и геостационарной орбиты, особенно в случае малых размеров космических объектов, сближающихся с космическим аппаратом и представляющих опасность. Помимо сложности обнаружения опасных объектов малой размерности дополнительным недостатком способа-прототипа является задержка выдачи команды на отделение защитного экрана за счет использования наземного контура управления, что повышает вероятность столкновения космического аппарата с приближающимся активным объектом.Known invention protected by patent - analogue: application No. 2008108324/11, IPC B64G 1/52, B64G 1/56, 2008 “A method for protecting spacecraft” (D. Novoseltsev), which is intended to protect spacecraft from collision with objects natural and artificial origin of various masses and degrees of dispersion. The method consists in the fact that in the direction of potentially dangerous objects in front of the SC, a screen is directed, which is made in the form of a solid body of low density. The screen is blown with gas from a polymeric material with a short solidification time under conditions outside the protected spacecraft. The polymer material or its mixture with the specified gas have the property of detonation in collisions with hazardous objects. The overall dimensions and mass of the screen are selected sufficient for the destruction of these objects and the deviation of their fragments from the spacecraft. In the direction of hazardous objects, if necessary, several screens of the required mass and overall dimensions can be directed. Screens can be formed immediately before separation from the spacecraft from a foamed polymeric material or airgel by foaming a liquid polymeric material or by blowing a powdered component with gas. The technical result of the invention is the provision of multiple and effective protection of the spacecraft from collisions with potentially dangerous objects and their groups with a minimum mass of means used for this. This method requires the use of ground-based space monitoring means, which are not sufficiently effective when operating in the high orbit and geostationary orbit, especially in the case of small sizes of space objects approaching the spacecraft and presenting a danger. In addition to the complexity of detecting dangerous objects of small dimension, an additional disadvantage of the prototype method is the delay in issuing a command to separate the protective screen due to the use of a ground control loop, which increases the likelihood of a spacecraft colliding with an approaching active object.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2667673, заявка 2018104993, B64G 1/10, 2017 «Устройство для защиты космического аппарата от столкновения с активно сближающимся объектом» (авторы: Яковлев М.В., Соколов В.И., Архипов В.А., Логинов С.С., Усовик И.В., Попкова Л.Б.), согласно которому устройство выполняют в виде раздвижной рамки, снабженной двигателями малой тяги, расположенными в ее углах, при чем, наружная поверхность рамки покрыта полимерной металлизированной пленкой. Рамку направляют по регистрируемым сигналам в оптическом диапазоне спектра, что позволяет определить пространственную ориентацию активно сближающегося объекта по максимальным показаниями амплитуды, регистрируемых сигналов детекторами, расположенными на поверхности сферической оболочки, которую устанавливают на защищаемом космическом аппарате.Known invention protected by patent - analogue: Patent No. 2667673, application 2018104993, B64G 1/10, 2017 “Device for protecting a spacecraft from collision with an actively approaching object” (authors: Yakovlev M.V., Sokolov V.I., Arkhipov V .A., Loginov S.S., Usovik I.V., Popkova L.B.), according to which the device is made in the form of a sliding frame equipped with small thrust engines located in its corners, and the outer surface of the frame is covered with polymer metallized film. The frame is guided by the recorded signals in the optical range of the spectrum, which makes it possible to determine the spatial orientation of an actively approaching object by the maximum amplitude indications recorded by the detectors located on the surface of the spherical shell, which is mounted on the protected spacecraft.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2661378, заявка 2016148428 от 09.12.2016, B64G 1/56 (2006.01), B64G 99/00 (2009.01), 2017 «Способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора» (автор: Полуян А.П.), согласно которому выводится космический аппарат (КА) в область орбит, предназначенных для их очистки от крупногабаритных объектов космического мусора (КМ). В качестве элемента захвата и торможения КМ используют крупноячеистую сеть. До запуска КА с сетью на орбиту вокруг Земли на поверхности сети размещают пленочные электреты и осуществляют их электретирование одноименным положительным или отрицательным зарядом. На поверхности сети также размещают развертывающие надувные элементы в виде полых многослойных гермооболочек. После обнаружения крупногабаритного объекта КМ, измерения параметров его движения относительно КА и сближения КА с КМ наводят продольную ось контейнера в направлении на крупногабаритный объект КМ и выталкивают крупноячеистую сеть. За счет давления остаточного воздуха во внутренней полости развертывающих надувных элементов сеть разворачивают в космосе и придают ей заданную форму. Осуществляют захват или охват сетью крупногабаритного объекта КМ и/или зацепление сети за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. Недостатком данного технического решения можно признать сложность алгоритма выталкивания и движения крупноячеистой сети к объекту КМ.A patent-protected invention is known as a prototype: Patent No. 2661378, application 2016148428 dated 12/09/2016, B64G 1/56 (2006.01), B64G 99/00 (2009.01), 2017 "A method for cleaning near-Earth space from large-sized objects of space debris" (author: Poluyan A.P.), according to which the spacecraft (SC) is launched into the region of the orbits intended for their cleaning from large-sized objects of space debris (CM). A coarse mesh network is used as an element of capture and braking of CMs. Prior to launching a spacecraft with a network into orbit around the Earth, film electrets are placed on the surface of the network and electrified with the same positive or negative charge. Deploying inflatable elements in the form of hollow multilayer hermetic shells are also placed on the network surface. After detecting a large CM object, measuring the parameters of its motion relative to the SC and approaching the SC with the CM, the longitudinal axis of the container is directed towards the large CM object and the large mesh network is pushed out. Due to the pressure of the residual air in the inner cavity of the deploying inflatable elements, the network is deployed in space and given it a given shape. Carry out the capture or network coverage of a large-sized object KM and / or meshing of the network for the protruding elements of a large-sized object KM. The disadvantage of this technical solution can be recognized as the complexity of the algorithm for pushing and moving the coarse mesh network to the CM object.

Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности очистки ОКП от крупногабаритных объектов КМ, используя раздвижную и управляемую рамку с крупноячеистой сетью.The aim of the proposed invention is to increase the efficiency of cleaning OKP from large objects KM, using a sliding and controllable frame with a large mesh network.

Указанная цель достигается с помощью устройства выполненного в виде раздвижной и управляемой рамки с двигателями малой тяги, расположенными в ее вершинах, причем, крупноячеистая сеть, выполнена в виде конуса и закреплена основанием по периметру рамки, а ее вершина через шаровой механизм крепится к тросовой системе КА. Чтобы сеть не распадалась (в исходном положении), она прошита лентами, проходящими через узловые точки сети и закрепленными в ее вершине и центре ребер рамки.This goal is achieved using a device made in the form of a sliding and controllable frame with small thrust engines located at its vertices, moreover, the coarse mesh is made in the form of a cone and is fixed with a base around the perimeter of the frame, and its apex is attached to the spacecraft cable system through a ball mechanism . So that the network does not fall apart (in the initial position), it is stitched with ribbons passing through the nodal points of the network and fixed at its top and center of the edges of the frame.

Обоснование реализуемости и практической значимости заявляемого способа заключается в следующем. После осуществления маневра сближения и определения пространственной ориентации объекта КМ, в его направлении по нормали перемещают раздвижную и управляемую двигателями малой тяги рамку. После того, как объект КМ окажется внутри рамки, происходит разрыв лент, удерживающих от распада сеть, и осуществляют захват или охват сетью объекта КМ и/или зацепление сети за выступающие элементы крупногабаритного объекта КМ. После чего рамка складывается, тем самым объект КМ оказывается в сетчатом мешке. Вершина сетки через шаровой шарнир крепится к тросовой системе КА. Шаровое соединение необходимо в случае вращения объекта КМ. Далее осуществляют буксировку объекта КМ, либо с целью торможение и входа в плотные слои атмосферы, либо разгоняя объект КМ с целью перевода его на орбиту захоронения.The rationale for the feasibility and practical significance of the proposed method is as follows. After the approaching maneuver is carried out and the spatial orientation of the CM object is determined, a sliding frame driven by small thrust engines is moved along its normal direction. After the CM object is inside the frame, the ribbons that prevent the network from decay breaks and the network captures or covers the CM object and / or meshs the network for the protruding elements of the large CM object. After which the frame is folded, thereby the CM object is in a mesh bag. The top of the grid through a ball joint is attached to the cable system of the spacecraft. Ball connection is necessary in case of rotation of the CM object. Next, the KM object is towed, either with the purpose of braking and entering the dense layers of the atmosphere, or by accelerating the KM object in order to transfer it to the burial orbit.

Линейные размеры рамки и крупноячеистой сети определяются высотой орбиты КМ, размером и массой крупногабаритного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты. Раздвижная рамка с двигателями малой тяги и сетью хранятся в специализированном контейнере. Возможно наличие двух и более таких контейнеров на борту КА.The linear dimensions of the frame and coarse mesh are determined by the height of the orbit of the CM, the size and mass of the large-sized object of the CM to be removed from orbit. A sliding frame with small engines and a net are stored in a specialized container. Perhaps the presence of two or more of these containers on board the spacecraft.

Все операции могут выполняться автономно без подключения наземного контура управления. Это обеспечивает высокую надежность идентификации потенциально опасных ситуаций и повышает оперативность выполнения рассматриваемых мероприятий.All operations can be performed autonomously without connecting a ground control loop. This ensures high reliability of identification of potentially dangerous situations and increases the efficiency of the measures under consideration.

Таким образом, реализуемость и эффективность заявляемого устройства не вызывают сомнений.Thus, the feasibility and effectiveness of the claimed device is not in doubt.

Claims

A device for cleaning near-Earth space from large-sized objects of space debris containing an element for capturing objects in the form of a large mesh network, characterized in that the capture element in the form of a large mesh network is made in the form of a cone, the base of the network is fixed around the perimeter of a sliding guided frame with small engines located in its tops, and the top of the network through a ball mechanism is connected to the cable system of the spacecraft.