RU2761957C1 - Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof - Google Patents

Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2761957C1
RU2761957C1 RU2020139862A RU2020139862A RU2761957C1 RU 2761957 C1 RU2761957 C1 RU 2761957C1 RU 2020139862 A RU2020139862 A RU 2020139862A RU 2020139862 A RU2020139862 A RU 2020139862A RU 2761957 C1 RU2761957 C1 RU 2761957C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
space
objects
orbit
laser radiation
Prior art date
Application number
RU2020139862A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Борисович Ковалев
Александр Владимирович Кашковский
Александр Николаевич Шиплюк
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority to RU2020139862A priority Critical patent/RU2761957C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761957C1 publication Critical patent/RU2761957C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Abstract

FIELD: cosmonautics.
SUBSTANCE: group of inventions relates to space equipment and can be used for clearing near-earth space from particles of space debris (SD) contaminating said space. The method for pulse laser clearing of space from single small SD objects includes detection of a single SD object, determination of the parameters thereof, guidance and focusing of laser emission on the SD object. Detection of SD objects subject to removal from the orbit, focusing of laser emission thereon and exposure to laser emission are executed in at least two opposite directions, both on the SD object flying towards the pulse laser system and one flying in the trace thereof. The pulse laser exposure mode is automatically selected for each selected object individually. Each object is exposed to laser emission in a series of pulses. Ignition and maintenance of the burning of plasma in a vapour cloud near the surface of the SD are ensured. An area of increased pressure is formed in the vapour cloud with a shock wave capable of changing the velocity modulus of the SD object and reducing the time for removal thereof from orbit to Earth.
EFFECT: efficiency of SD removal is increased.
2 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки околоземного космического пространства от засоряющих его частиц космического мусора (КМ).The invention relates to space technology and can be used for cleaning near-earth space from space debris (CM) contaminating it.

Согласно ранее проведенным исследованиям Eichler и др. [1-4] большая часть КМ находится на высотах от 400 км до примерно 2000 км с двумя вершинами около 800 км и 1500 км. Существуют предложения различных мировых центров по утилизации КМ крупных, средних и малых габаритов, которые уже долгое время находятся в стадии всестороннего обсуждения с точки зрения актуальности и эффективности, а также технической и финансовой реализуемости, например, [3, 4] и др.According to earlier studies by Eichler et al. [1-4], most of the CM is located at altitudes from 400 km to about 2000 km with two peaks about 800 km and 1500 km. There are proposals from various world centers for the utilization of large, medium and small CM, which have been in the stage of comprehensive discussion for a long time in terms of relevance and efficiency, as well as technical and financial feasibility, for example, [3, 4] and others.

В настоящее время разрабатывается несколько проектов по удалению КМ с околоземной орбиты с использованием мощных лазеров. Одним из таких проектов является ORION, предложенный Photonics Associates Company и поддержанный NASA (США) [5, 6]. Можно выделить следующие направления использования мощных лазерных комплексов для удаления КМ.Currently, several projects are being developed to remove CM from near-Earth orbit using high-power lasers. One of such projects is ORION, proposed by the Photonics Associates Company and supported by NASA (USA) [5, 6]. The following directions of using high-power laser systems for CM removal can be distinguished.

Лазер на Земле. Лазерные комплексы наземного базирования должны обеспечивать надежное прохождение лазерного пучка через атмосферу. Необходимым требованием для этого является высокая мощность и качество выходного излучения, обеспечивающее расходимость пучка, близкую к дифракционной. Для наиболее эффективного воздействия на КМ предлагается использовать высокочастотные импульсно-периодические DF-лазеры с длиной волны 3,8 мкм, или твердотельные лазеры с длиной волны 1,06 мкм. В этом случае, пиковые значения интенсивности падающего на КМ излучения возрастают на порядки по сравнению с непрерывным режимом. Импульсные лазеры с их возможностью достижения максимальной пиковой мощности могут подавать импульсы с земной поверхности, замедляя космический мусор, который затем может достаточно быстро входить в атмосферу Земли, сгорать или падать в океан. Однако имеющиеся на данном этапе уровень развития технологий потребуют затрат на один объект до 1 миллиона долларов.Laser on Earth. Ground-based laser systems must ensure reliable passage of the laser beam through the atmosphere. A necessary requirement for this is a high power and quality of the output radiation, which provides a beam divergence close to diffraction. For the most effective impact on CM, it is proposed to use high-frequency repetitively pulsed DF lasers with a wavelength of 3.8 μm, or solid-state lasers with a wavelength of 1.06 μm. In this case, the peak values of the intensity of the radiation incident on the CM increase by orders of magnitude in comparison with the continuous mode. Pulsed lasers, with their ability to reach maximum peak power, can deliver pulses from the earth's surface, slowing down space debris, which can then quickly enter the Earth's atmosphere, burn up or fall into the ocean. However, the level of technology development available at this stage will require costs for one facility up to $ 1 million.

Лазер на орбите. Известны предложения для полного уничтожения КМ за счет лазерного испарения, требующие размещения на орбите суперлазера, прикрепленного к космическому телескопу, а также способы замедления или изменения направления движения КМ. В исследованиях Апполонова В.В. [7] было показано, что оптимальная с точки зрения наибольшего энергосъема и эффективного преодоления плазменного экрана частота модуляции составляет ~100 кГц, а превышение пиковой мощности над средней составляет 2-3 порядка. Длительность импульсов в обоих случаях находится в диапазоне 10-7 - 10-8 с. Опытный вариант подобной системы готовится в Китае и России для экспериментов на МКС, куда предполагается доставить рекордный для космоса телескоп с диаметром зеркала в 3 метра и лазер с 10000 опто-волокон.Laser in orbit. There are proposals for the complete destruction of CM by laser evaporation, requiring the placement of a superlaser attached to a space telescope in orbit, as well as methods of slowing down or changing the direction of CM motion. In the research of V.V. Appolonov. [7] it was shown that the modulation frequency, optimal from the point of view of the highest energy output and effective overcoming of the plasma screen, is ~ 100 kHz, and the excess of the peak power over the average is 2-3 orders of magnitude. The duration of the pulses in both cases is in the range of 10 -7 - 10 -8 s. An experimental version of such a system is being prepared in China and Russia for experiments on the ISS, where it is planned to deliver a telescope record for space with a mirror diameter of 3 meters and a laser with 10,000 optical fibers.

В работе Фанга [8] описан пример использования импульсного лазера, размещенного на космической лазерной платформе, с целью удаления обломков КМ сантиметровых размеров. Обсуждаются возможные риски столкновений МКС с опасными обломками на низкой околоземной орбите. В результате долговременного импульсно-периодического лазерного облучения КМ сантиметровых размеров, находящихся в условиях высокоскоростного движения (до 8-10 км/с) на низкой околоземной орбите, высота перигея КМ понижается незначительно (до 244,2 км).Fang [8] describes an example of using a pulsed laser located on a space laser platform to remove centimeter-sized CM debris. Potential risks of collisions between the ISS and hazardous debris in low Earth orbit are discussed. As a result of long-term repetitively pulsed laser irradiation of CMs of centimeter sizes, which are in high-speed motion (up to 8-10 km / s) in low Earth orbit, the CM perigee height decreases slightly (up to 244.2 km).

Недостатками предлагаемого способа является то, что замедление движения КМ достигается путем многократного и долговременного облучения лазерными импульсами (в количестве более 5000). При этом периоды облучения специальным образом определяются, когда возникают благоприятные условия (и появляются так называемые окна), и понижаются угрозы столкновения между осколками КМ и МКС.The disadvantages of the proposed method is that the slowing down of the CM is achieved by repeated and long-term irradiation with laser pulses (more than 5000). In this case, the periods of irradiation are specially determined when favorable conditions arise (and the so-called windows appear), and the threat of collision between the fragments of the spacecraft and the ISS decreases.

Известны изобретения по патентам [9] RU 2001109184 B64G 9/00, 05.04.2001 г. и [10] RU 2001109185, 05.04.2001 г., заявитель ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, где описаны аппараты для очистки космического пространства от КМ. Аппараты содержат энергетическую установку, систему обнаружения частиц, подлежащих уничтожению, устройство генерации лазерного излучения с системой охлаждения и систему направленной передачи энергии частице, подлежащей уничтожению. Согласно изобретению, устройство генерации лазерного излучения выполнено в виде импульсного газоразрядного лазера на атомных переходах с лазерной средой в виде паров металлов с возбуждением электрическим разрядом. В указанных патентах предложена концепция очистки космоса от мелкого мусора (метеорных частиц) размером от 0.1 до 10 миллиметров с помощью маневрирующего космического аппарата (КА) с ядерной электро-двигательной установкой (ЯЭРДУ) мощностью 150 кВт и питаемой от нее лазерной системы, обеспечивающей дистанционную передачу энергии испаряемой метеорной частице на расстояние до 10 км. Цель - очистка космического пространства от малоразмерного техногенного засорения в диапазоне высот от 800 до 1500-2000 км. Объекты воздействия - метеорные частицы искусственного происхождения, размером менее 3 мм и более нескольких сотен микрон. Частицы таких размеров - за пределами возможной каталогазации с использованием системы слежения за околоземным космическим пространством, но выше порогового размера, представляющего опасность для целостности систем космических аппаратов (скафандров, гермоотсеков и пр.). Недостатком предлагаемого способа является существенное ограничение размеров КМ до миллиметровых размеров.Known inventions under patents [9] RU 2001109184 B64G 9/00, 05.04.2001, and [10] RU 2001109185, 05.04.2001, applicant RSC Energia im. S.P. Korolev, where devices for clearing space from CM are described. The devices contain a power plant, a system for detecting particles to be destroyed, a device for generating laser radiation with a cooling system, and a system for directed energy transfer to a particle to be destroyed. According to the invention, the device for generating laser radiation is made in the form of a pulsed gas-discharge laser based on atomic transitions with a laser medium in the form of metal vapors excited by an electric discharge. These patents propose a concept of space cleaning from small debris (meteoric particles) with a size of 0.1 to 10 millimeters using a maneuvering spacecraft (SC) with a nuclear electric propulsion system (NEPPU) with a power of 150 kW and a laser system powered by it, providing remote transmission energy of an evaporated meteoric particle at a distance of up to 10 km. The goal is to clean up space from small-sized technogenic debris in the altitude range from 800 to 1500-2000 km. The objects of influence are meteoric particles of artificial origin, less than 3 mm in size and more than several hundred microns. Particles of this size are beyond the limits of possible cataloging using a tracking system for near-Earth space, but above a threshold size that poses a danger to the integrity of spacecraft systems (space suits, pressurized compartments, etc.). The disadvantage of the proposed method is a significant limitation of the size of the CM to millimeter sizes.

В работе Schall [11] рекомендуется использовать мощные лазеры для удаления небольших осколков КМ диаметром до 10 см. Предполагается, что данные для наиболее вероятной орбиты столкновения с осколками известны. Оцениваются реальные скорости выброса паров осколков при лазерном облучении, и рассчитывается ускорение осколков. Это позволяет изменить орбиту осколков и обеспечить их повторный вход в атмосферу Земли или наоборот полный выход из гравитационного поля Земли. Вместе с тем, с появлением очень мощных лазеров может стать доступным метод, использующий такие лазеры для полного уничтожения (путем испарения) большей части мелкого мусора на низкой околоземной орбите (LEO) и, возможно, даже на геостационарной орбите (GEO).. Согласно оценкам Schall [11], лазер класса мегаватт будет необходим для объектов с размерами до 10 см. Лазеры класса мегаватт довольно габаритные (большие по размерам) и обычно не используются в космосе для гражданских целей. Недостатком такого способа является возможность перехода объекта на более высокую орбиту. Полное испарение мелких осколков мусора также не эффективно, потому, что необходимо выводить на орбиту или использовать стационарно установленный на Земле лазер с повышенной мощностью, габаритами и весом.Schall [11] recommends the use of high-power lasers to remove small CM fragments up to 10 cm in diameter. It is assumed that the data for the most probable orbit of collision with fragments is known. The real velocities of the ejection of vapors of the fragments under laser irradiation are estimated, and the acceleration of the fragments is calculated. This allows you to change the orbit of the fragments and ensure their re-entry into the Earth's atmosphere or, on the contrary, complete exit from the Earth's gravitational field. However, with the advent of very powerful lasers, a method may become available that uses such lasers to completely destroy (by evaporation) most of the small debris in Low Earth Orbit (LEO) and possibly even geostationary orbit (GEO). Schall [11], a megawatt-class laser will be required for objects up to 10 cm in size. Megawatt-class lasers are rather large (large in size) and are not usually used in space for civilian purposes. The disadvantage of this method is the ability to transfer the object to a higher orbit. The complete evaporation of small debris is also not effective, because it is necessary to launch into orbit or use a permanently installed on Earth laser with increased power, dimensions and weight.

В качестве прототипа к предлагаемому техническому решению выбран малогабаритный лазер с импульсно-периодическим излучением, описанный в работе Soulard и др. [12].A small-sized laser with repetitively pulsed radiation, described in the work of Soulard et al. [12], was chosen as a prototype for the proposed technical solution.

Предметом рассмотрения настоящего технического решения являются небольшие объекты космического мусора (до и около 10 см) на низкой околоземной орбите (до 800 км), которые вызывают особенное беспокойство, потому что их много, и их сложно отслеживать или даже обнаруживать на постоянной основе. Одним из рациональных решений на сегодняшний день, по-нашему мнению, является размещение на околоземной орбите малогабаритного лазера с импульсно-периодическим излучением и мощностью в 25, 50 или 100 кВт.The subject of this technical solution is small objects of space debris (up to and about 10 cm) in low Earth orbit (up to 800 km), which are of particular concern because they are many and difficult to track or even detect on an ongoing basis. One of the rational solutions for today, in our opinion, is the placement of a small-sized laser with repetitively pulsed radiation and a power of 25, 50 or 100 kW in near-earth orbit.

Сенсорная система с искусственным интеллектом, разработанная на основе нейронных сетей, и установленная вместе с лазером на платформе носителя (МКС или спутнике), позволяет обнаруживать, распознавать и регистрировать параметры (скорость, размеры, траекторию и др.) одиночных объектов КМ попадающих в световое поле лазерного излучения.A sensor system with artificial intelligence, developed on the basis of neural networks, and installed together with a laser on a carrier platform (ISS or satellite), allows detecting, recognizing and recording parameters (speed, size, trajectory, etc.) of single CM objects falling into the light field laser radiation.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности и эффективности удаления малых фрагментов КМ с околоземной орбиты с применением высокочастотной импульсно-периодической лазерной системы.The objective of the proposed technical solution is to increase the productivity and efficiency of removing small CM fragments from near-earth orbit using a high-frequency repetitively pulsed laser system.

Поставленная задача решается благодаря предлагаемому способу импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ, которая осуществляется благодаря конструктивному решению импульсной лазерной системы.The task is solved thanks to the proposed method of pulsed laser cleaning of outer space from single small objects of CM, which is carried out thanks to the constructive solution of the pulsed laser system.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ включает обнаружение одиночного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты, определение его параметров, определение параметров наведения и фокусировки лазерного излучения на объект КМ и автоматический подбор определенного режима импульсного лазерного воздействия на объект КМ, и осуществление собственно самого воздействия. Согласно изобретению обнаружение объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, фокусировку на них лазерного излучения и воздействие лазерным излучением осуществляют, по крайней мере, в двух противоположных направлениях, как на объект КМ летящий навстречу импульсной лазерной системе, так и летящий в ее следе, при этом осуществляют автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта, затем осуществляют воздействие лазерным излучением на каждый объект сериями импульсов: в начале воздействуют лазерными импульсами определенной длительности - τin (несколько миллисекунд) с интенсивностью ниже порога образования плазмы с продолжительностью до момента формирования плотного облака пара вокруг поверхности объекта КМ, затем воздействуют импульсами длительностью меньшей, чем первоначальный импульс - τ << τin с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, обеспечивающими зажигание и поддержание горения плазмы в облаке пара вокруг поверхности КМ, способные осуществить передачу дополнительной лазерной энергии плазме пара и сформировать в облаке пара область повышенного давления с ударно-волновым воздействием, способным изменить модуль скорости объекта КМ и сократить время его удаления с орбиты на Землю.The method of pulsed laser cleaning of space from single small CM objects includes detecting a single CM object to be removed from orbit, determining its parameters, determining the parameters of laser radiation guidance and focusing on the CM object and automatically selecting a certain mode of pulsed laser action on the CM object, and implementing the actual impact itself. According to the invention, detection of CM objects to be removed from orbit, focusing of laser radiation on them and exposure to laser radiation are carried out in at least two opposite directions, both on the CM object flying towards the pulsed laser system and flying in its wake, while automatic selection of the optimal mode of pulsed laser action is carried out individually for each selected object, then the action of laser radiation on each object is carried out in series of pulses: at the beginning, laser pulses of a certain duration are applied - τ in (several milliseconds) with an intensity below the plasma formation threshold with a duration up to the moment of formation dense cloud of vapor around the surface of the CM object, then they are exposed to pulses with a duration shorter than the initial pulse - τ << τ in with an intensity higher than the plasma ignition threshold, providing ignition and surfaces of the CM, capable of transferring additional laser energy to the vapor plasma and forming a region of increased pressure in the vapor cloud with a shock-wave effect capable of changing the modulus of the CM object and reducing the time of its removal from orbit to the Earth.

Способ реализует импульсная лазерная система очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора КМ, размещенная на космической платформе носителя, например МКС и содержащая блок источника лазерного излучения, связанный с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения, блоком обнаружения, распознавания и регистрации параметров одиночных объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, и блоком наведения и фокусировки передачи энергии лазерного излучения на обнаруженные объекты КМ. Согласно изобретению, используют высокочастотный импульсно-периодический лазер (ВИП-лазер) по крайней мере, с двумя противоположно направленными по отношению друг к другу выводами лазерного излучения, связанный с блоком обнаружения и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на объекты КМ, выполненный с двумя телескопическими отражателями противоположно направленными по отношению друг к другу и двумя подвижными зеркалами, установленными с возможностью автоматического изменения их кривизны и соответственно направления волнового вектора лазерного излучения посредством связи с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения и подбора оптимального режима импульсного лазерного воздействия оптимально соответствующего параметрам объекта КМ подлежащего удалению с орбиты.The method implements a pulsed laser system for cleaning outer space from single small objects of space debris CM, located on the space platform of the carrier, for example, the ISS and containing a block of a laser radiation source associated with an automatic control unit for laser radiation parameters, a unit for detection, recognition and registration of parameters of single CM objects , to be removed from orbit, and a block for pointing and focusing the transmission of laser radiation energy to the detected CM objects. According to the invention, a high-frequency repetitively pulsed laser (VIP laser) is used with at least two laser radiation leads opposite to each other, connected to a detection unit and a unit for aiming and focusing laser radiation on CM objects, made with two telescopic reflectors opposite to each other and two movable mirrors installed with the ability to automatically change their curvature and, accordingly, the direction of the wave vector of laser radiation by means of communication with the automatic control unit for laser radiation parameters and selection of the optimal mode of pulsed laser action that is optimally consistent with the parameters of the CM object to be removed from orbit.

Положительный эффект технического решения заключается в конструктивном решении лазера, который позволяет, по крайней мере, в двух направлениях обнаруживать и фокусировать излучение на объекты КМ, что позволяет увеличить область наблюдения за объектами КМ, и повысить степень защиты носителя от нежелательных столкновений с объектами КМ, а также автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта, способного изменить модуль скорости объекта КМ и сократить время его удаления с орбиты на Землю.The positive effect of the technical solution lies in the constructive solution of the laser, which allows at least in two directions to detect and focus radiation on CM objects, which makes it possible to increase the observation area of CM objects, and to increase the degree of protection of the carrier from unwanted collisions with CM objects, and also automatic selection of the optimal mode of pulsed laser action individually for each selected object, capable of changing the velocity modulus of the CM object and reducing the time of its removal from orbit to the Earth.

На фиг. 1 схематично представлена импульсная лазерная система, которая может быть размещена на космической платформе носителя, например МКС или спутнике (на фиг. не показано) с двумя выводами лазерного излучения противоположно направленными относительно друг друга и с двумя телескопическими отражателями, противоположно направленными относительно друг друга, фокусирующие лазерное излучение на одиночные объекты КМ, как перед носителем, так и в его следе. На фиг. 1 также изображены элементы солнечных батарей, как возможный элемент энергоснабжения для питания лазерной системы.FIG. 1 schematically shows a pulsed laser system that can be placed on a space platform of a carrier, for example, the ISS or a satellite (not shown in the figure) with two laser radiation leads opposite to each other and with two telescopic reflectors opposite to each other, focusing laser radiation on single CM objects, both in front of the carrier and in its wake. FIG. 1 also depicts solar cells as a possible power supply for powering a laser system.

На фиг. 2 представлена функциональная схема импульсной лазерной системы;FIG. 2 is a functional diagram of a pulsed laser system;

На фиг. 3 представлены зависимости изменения отношения исходного времени «жизни» на околоземной орбите Т0, без воздействия, к времени «жизни» Tv (ось ординат) при внезапном уменьшении орбитальной скорости сферических частиц алюминия (объектов КМ) на заданную величину ΔV (ось абсцисс) при вариации размеров частиц от 1 мм до 10 см.FIG. 3 shows the dependences of the change in the ratio of the initial "life" time in the near-earth orbit T 0 , without impact, to the "life" time T v (ordinate axis) with a sudden decrease in the orbital velocity of spherical aluminum particles (CM objects) by a given value ΔV (abscissa axis) with a variation in particle size from 1 mm to 10 cm.

На фиг. 4 приведены результаты экспериментов [13] по абляции различных материалов (металлов и неметаллов), которые демонстрируют поведение удельного коэффициента связи Cm энергии лазера с импульсом силы в зависимости от поглощенной плотности мощности излучения Iab, при этом время действия лазерного импульса ограничено 5 наносекундами.FIG. 4 shows the results of experiments [13] on ablation of various materials (metals and non-metals), which demonstrate the behavior of the specific coupling coefficient C m of the laser energy with a force pulse depending on the absorbed radiation power density I ab , while the duration of the laser pulse is limited to 5 nanoseconds.

На фиг. 5 приведена примерная схема разделенных по времени профилей импульсов для одного лазерного «выстрела» по мишени.FIG. 5 shows an exemplary diagram of time-separated pulse profiles for one laser "shot" at a target.

В Таблице приведены времена «жизни» Т0 макрочастиц металлов (сталь и алюминий) различных диаметров D на круговой околоземной орбите на высоте около 400 км.The Table shows the lifetimes T 0 of metal macroparticles (steel and aluminum) of various diameters D in a circular near-earth orbit at an altitude of about 400 km.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ осуществляется благодаря конструктивному решению импульсной лазерной системы.The method of pulsed laser cleaning of outer space from single small objects of CM is carried out thanks to the constructive solution of the pulsed laser system.

Импульсная лазерная система (фиг. 1), включает: энергетический блок с высокочастотным импульсно-периодическим лазером (ВИП-лазером) 1; блок автоматического управления 2 лазерным излучением; блок обнаружения 3 объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты; блок наведения и фокусировки 4 ВИП-лазера 1 на обнаруженный объект КМ.Pulsed laser system (Fig. 1), includes: an energy unit with a high-frequency pulse-periodic laser (VIP laser) 1; automatic control unit 2 for laser radiation; a unit for detecting 3 CM objects to be removed from orbit; block for aiming and focusing 4 VIP-laser 1 on the detected CM object.

Малогабаритный ВИП-лазер 1 мощностью до 100 кВт, обеспечивает дистанционную передачу достаточной энергии испаряемому объекту КМ, диаметром до 10 см, удаленному до 10 км.A small-sized VIP laser 1 with a power of up to 100 kW provides a remote transmission of sufficient energy to an evaporated CM object, up to 10 cm in diameter, at a distance of up to 10 km.

ВИП-лазер 1 содержит, по крайней мере, два выхода для вывода излучения на объекты КМ, противоположно направленные по отношению друг к другу.VIP laser 1 contains at least two outputs for outputting radiation to CM objects, oppositely directed with respect to each other.

Блок автоматического управления 2 лазерным излучением 1 осуществляет связь блоков 3 и 4 с блоком лазерного излучения 1; управляет кривизной телескопических отражателей и зеркал, для изменения направления волнового вектора лазерного излучения, а также осуществляет автоматический подбор оптимального режима импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного для удаления объекта КМ. Блок автоматического управления 2 обрабатывает данные параметры объекта КМ, полученные от блока 3, такие как геометрия, размеры, скорость и направление перемещения и вырабатывает «тактику» воздействия на объект КМ. Наблюдение за объектом начинается уже с расстояния L=D2/λ, что составляет 1070 км, для диаметра зеркального отражателя D=1 м и длины волны излучения λ=1,07 мкм.The automatic control unit 2 for laser radiation 1 connects units 3 and 4 with the unit for laser radiation 1; controls the curvature of telescopic reflectors and mirrors to change the direction of the wave vector of laser radiation, and also automatically selects the optimal mode of pulsed laser exposure individually for each CM object selected for removal. The automatic control unit 2 processes these parameters of the CM object, received from the unit 3, such as geometry, dimensions, speed and direction of movement, and develops the "tactics" of affecting the CM object. Observation of the object begins already from the distance L = D 2 / λ, which is 1070 km, for the diameter of the mirror reflector D = 1 m and the radiation wavelength λ = 1.07 μm.

Лазерное воздействие ограничено диаметром пятна фокусировки, который определяется по формуле: ds=kθdifL, где L - расстояние до объекта КМ, θdif=2,44λ/D - угол дифракционной расходимости луча, зависящий от длины волны λ и диаметра зеркала D, k - отношение реальной расходимости к дифракционной. Если считать, расходимость излучения равной двум дифракционным пределам (т.е. k=2), то для λ=1,07 мкм, D=1 м, на расстоянии L=10 км получаем ds=0,0488 м. Это означает, что первые лазерные импульсы могут подаваться на объект КМ с расстояния порядка 10 км.The laser effect is limited by the focusing spot diameter, which is determined by the formula: d s = kθ dif L, where L is the distance to the CM object, θ dif = 2.44λ / D is the angle of diffraction beam divergence, depending on the wavelength λ and the mirror diameter D , k is the ratio of the real divergence to the diffraction one. If we assume that the radiation divergence is equal to two diffraction limits (i.e., k = 2), then for λ = 1.07 μm, D = 1 m, at a distance L = 10 km we obtain d s = 0.0488 m. This means that the first laser pulses can be applied to the CM object from a distance of about 10 km.

Блок обнаружения 3 объектов КМ, производит обнаружение объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, как перед носителем импульсной лазерной системы, так и в его следе, в противоположном направлении по отношению к направлению движения носителя и передает информацию на блок автоматического управления 2 для анализа и принятия оптимального решения индивидуально для каждого объекта, учитывая его параметры.The 3 CM object detection unit detects CM objects to be removed from orbit, both in front of the carrier of the pulsed laser system and in its wake, in the opposite direction to the direction of movement of the carrier and transmits information to the automatic control unit 2 for analysis and acceptance the optimal solution individually for each object, taking into account its parameters.

Блок наведения и фокусировки 4 лазера 1 на обнаруженный объект КМ, содержит, по крайней мере, два телескопических (зеркальных) отражателя 5 и 6, противоположно направленных по отношению друг к другу с закрепленными перед ними подвижными параболическими зеркалами, соответственно 7 и 8, с автоматически изменяемой кривизной, посредством связи с блоком автоматического управления 2 параметрами лазерного излучения, для коррекции наклона волнового вектора лазерного излучения.The block for aiming and focusing 4 of the laser 1 on the detected CM object contains at least two telescopic (mirror) reflectors 5 and 6, oppositely directed towards each other with movable parabolic mirrors fixed in front of them, 7 and 8, respectively, with automatically variable curvature, through communication with the automatic control unit 2 parameters of laser radiation, to correct the slope of the wave vector of laser radiation.

Телескопический отражатель 5 предназначен для дальнего обнаружения и фокусировки объектов КМ летящих на встречу платформе носителя и 6 для ближнего обнаружения и фокусировки объектов КМ летящих в следе платформы носителя.Telescopic reflector 5 is designed for early detection and focusing of CM objects flying towards the carrier platform and 6 for near detection and focusing of CM objects flying in the wake of the carrier platform.

На фиг. 1, также изображены объекты КМ 9 и 10, подлежащие удалению с орбиты (малых размеров до 10 см), на которые фокусируется отражателями 5 и 6 лазерное излучение.FIG. 1, CM objects 9 and 10 are also shown to be removed from orbit (small sizes up to 10 cm), onto which laser radiation is focused by reflectors 5 and 6.

Отражатели 5 и 6 и соответственно подвижные зеркала 7 и 8 связаны приводом с блоком автоматического управления 2 лазерным излучением, который изменяет в целом кривизну зеркал и позволяет производить фокусировку переотраженного лазерного излучения на объекты КМ 9 или 10. Отражатель 5 диаметром до 1 м предназначен для обнаружения, лазерной обработки (по специальному импульсному сценарию) и при необходимости, последующего уклонения (за счет маневрирования носителя) от возможного столкновения с объектами КМ летящими навстречу. Отражатель 6 диаметром до 0,5 м предназначен для обнаружения и лазерной обработки (по специальному импульсному сценарию) и последующего уклонения (за счет маневрирования носителя) от возможного столкновения с объектами КМ 10, летящими в следе носителя. Работа отражателя 6 в следе, где разность скоростей между объектом КМ и носителем минимальна, позволяет иметь больше времени для регистрации и обработки данных объекта КМ, и, при необходимости, осуществить маневр носителя с тем, чтобы произвести серию лазерных импульсов, обеспечивающих лобовое и наиболее эффективное облучение объекта КМ.Reflectors 5 and 6 and, respectively, movable mirrors 7 and 8 are connected by a drive with an automatic control unit 2 for laser radiation, which changes the overall curvature of the mirrors and allows focusing of the reflected laser radiation on objects CM 9 or 10. Reflector 5 with a diameter of up to 1 m is intended for detection , laser processing (according to a special impulse scenario) and, if necessary, subsequent evasion (due to maneuvering of the carrier) from a possible collision with CM objects flying towards. Reflector 6 with a diameter of up to 0.5 m is designed for detection and laser processing (according to a special impulse scenario) and subsequent evasion (due to carrier maneuvering) from a possible collision with KM 10 objects flying in the carrier's wake. The operation of the reflector 6 in the wake, where the difference in velocities between the CM object and the carrier is minimal, makes it possible to have more time to register and process the data of the CM object, and, if necessary, to carry out a maneuver of the carrier in order to produce a series of laser pulses that provide a frontal and most effective irradiation of the CM object.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ основан на механизме лазерного испарения материала с поверхностности объекта КМ и образование плотного облака пара вокруг объекта. Серия импульсов создает последующее зажигание плазмы высокого давления, инициирующей ударную волну, которая передает импульс давления на объект КМ и производит торможение объекта КМ.The method of pulsed laser cleaning of space from single small CM objects is based on the mechanism of laser evaporation of material from the surface of the CM object and the formation of a dense vapor cloud around the object. A series of pulses creates the subsequent ignition of a high-pressure plasma, which initiates a shock wave, which transmits a pressure pulse to the CM object and decelerates the CM object.

Технология лазерной абляции считается наиболее эффективным способом удаления мелких объектов КМ в околоземном пространстве. Для лазерной абляции объектов КМ используют импульсно-периодический лазер с длиной волны 1,06 мкм, поскольку он обеспечивает приемлемые интенсивности, и их быструю перенастройку для отработки определенного сценария импульсного лазерного воздействия на объекты КМ. Применение, например, оптоволоконного лазера может позволить использование несколько выводов лазерного излучения.Laser ablation technology is considered the most effective way to remove small CM objects in near-Earth space. For laser ablation of CM objects, a repetitively pulsed laser with a wavelength of 1.06 μm is used, since it provides acceptable intensities, and their rapid readjustment to work out a certain scenario of pulsed laser action on CM objects. The use of, for example, a fiber-optic laser can allow the use of multiple laser leads.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Информация с блока обнаружения, распознавания и регистрации 3 объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты, поступает на блок наведения и фокусировки 4 ВИП-лазера 1 и на блок автоматического управления 2 лазерными импульсами для обработки полученной информации о параметрах объекта КМ и передаче сигнала для начала работы ВИП-лазера 1 на обнаруженный объект КМ, движущийся перед платформой носителя или одновременно при обнаружении объекта КМ в следе платформы носителя (см. фиг. 2).Information from the unit for detecting, recognizing and registering 3 CM object to be removed from orbit is sent to the guidance and focusing unit 4 of VIP lasers 1 and to the automatic control unit 2 of laser pulses to process the received information about the parameters of the CM object and transmit a signal to start work VIP laser 1 on the detected CM object moving in front of the carrier platform or at the same time when the CM object is detected in the trail of the carrier platform (see Fig. 2).

Высокочастотный импульсно-периодический лазер 1 по команде с блока автоматического управления 2 по индивидуальному расчетному сценарию рассчитанного для каждого обнаруженного объекта КМ (учитываются параметры объекта: скорость движения, размер, траектория), производит серию импульсного воздействия. Первый лазерный импульс (см. фиг. 5) определенной длительности - τin несколько миллисекунд (1-2 мс) с интенсивностью ниже порога образования плазмы формирует плотное облако пара около поверхности объекта КМ. Возникающего при этом давления отдачи будет не достаточно для существенного замедления скорости объекта КМ, или отклонения его от своей орбитальной траектории движения. Затем воздействуют серией импульсов высокой частоты (см. фиг. 5) меньшей длительностью, чем первоначальный импульс - τ << τin с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, обеспечивающих зажигание и поддержание горение плазмы в облаке пара около поверхности КМ. В плазме пара лазерное излучение почти полностью поглощается, что позволяет повысить эффективность использования лазерной энергии и сформировать в облаке пара ударную волну с повышенным давлением, способным существенно изменить модуль скорости объекта КМ.High-frequency repetitively pulsed laser 1 on command from the automatic control unit 2 according to an individual design scenario calculated for each detected CM object (the parameters of the object are taken into account: movement speed, size, trajectory), produces a series of impulse effects. The first laser pulse (see Fig. 5) of a certain duration - τ in several milliseconds (1-2 ms) with an intensity below the plasma formation threshold forms a dense vapor cloud near the surface of the CM object. The resulting recoil pressure will not be enough to significantly slow down the velocity of the CM object, or deviate it from its orbital trajectory. Then a series of high-frequency pulses (see Fig. 5) are applied with a shorter duration than the initial pulse - τ << τ in with an intensity higher than the plasma ignition threshold, providing ignition and maintenance of plasma combustion in a vapor cloud near the CM surface. In a vapor plasma, laser radiation is almost completely absorbed, which makes it possible to increase the efficiency of using laser energy and to form a shock wave with an increased pressure in the vapor cloud, which can significantly change the velocity modulus of the CM object.

Первый импульс должен быть продолжительностью порядка миллисекунды с интенсивностью 106-107 Вт/см2. За это время образуется облако пара с температурой для стали 1800-2300 К. Скорость пара составляет:The first pulse should be on the order of a millisecond with an intensity of 10 6 -10 7 W / cm 2 . During this time, a steam cloud is formed with a temperature of 1800-2300 K for steel. The steam velocity is:

Figure 00000001
Figure 00000001

Давление

Figure 00000002
Pressure
Figure 00000002

Плотность:

Figure 00000003
илиDensity:
Figure 00000003
or

Figure 00000004
Figure 00000004

Последующие импульсы 109-1012 Вт/см2 могут быть нано- или пико-секундными так, чтобы суммарное время соответствовало времени прохождения ударной волны до поверхности тела.Subsequent impulses 10 9 -10 12 W / cm 2 can be nano- or picosecond so that the total time corresponds to the time of passage of the shock wave to the body surface.

Достаточно замедлить скорость объекта КМ массой до 4÷5 кг на величину ΔV=100 м/с, после чего время его падения на Землю (время «жизни») сокращается до десяти тысяч раз, что не превышает одного часа. На Фиг. 3 представлены графики расчета отношения исходного времени «жизни» на околоземной орбите Т0 (без лазерного воздействия) к времени «жизни» Tv при внезапном уменьшении орбитальной скорости сферических частиц алюминия на заданную величину ΔV.It is enough to decelerate the velocity of a CM object weighing up to 4 ÷ 5 kg by the value ΔV = 100 m / s, after which the time of its fall to the Earth (“life time”) is reduced to ten thousand times, which does not exceed one hour. FIG. 3 shows the graphs for calculating the ratio of the initial "life" time in a near-earth orbit T 0 (without laser exposure) to the "life" time T v with a sudden decrease in the orbital velocity of spherical aluminum particles by a given value ΔV.

Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов КМ осуществляется при обнаружении объекта КМ в следе носителя или одновременно с объектом КМ, движущимся перед платформой носителя.The method of pulsed laser cleaning of space from single small CM objects is carried out when a CM object is detected in the trail of the carrier or simultaneously with the CM object moving in front of the carrier platform.

В Таблице приведены данные расчетов времени «жизни» на круговой околоземной орбите сферических частиц из стали и алюминия с размерами от 1 мкм до 10 см. Высота орбиты 400 км, скорость движения 7÷8 км/с.The table shows the calculation data for the "life" time in a circular near-earth orbit of spherical particles made of steel and aluminum with sizes from 1 micron to 10 cm. The orbital altitude is 400 km, the speed is 7 ÷ 8 km / s.

Приведенные данные в Таблице были рассчитаны в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.The data given in the Table were calculated at the Institute of Theoretical and Applied Mechanics named after S.A. Khristianovich SB RAS.

Таблица - времени «жизни» Т0 (в секундах) и полные дни существования макрочастиц металлов на круговой околоземной орбите на высоте около 400 км.Table - time of "life" T 0 (in seconds) and total days of existence of metal particulates in a circular near-earth orbit at an altitude of about 400 km.

Figure 00000005
Figure 00000005

Несмотря на то, что техническая осуществимость предлагаемого способа ограничена малыми размерами объектов КМ от 1 мм до 10 см., но энергетически оправдана благодаря достаточности небольшой серии лазерных импульсов разделенных по времени, и обеспечивающих вначале испарение части поверхности объекта КМ и образование плотного облака пара, а затем зажигание и поддержание горения оптического разряда в плазме пара и генерацию ударной волны, динамически воздействующей на КМ, и замедляющей его орбитальное движение на величину модуля скорости ΔV до 100 м/с.Despite the fact that the technical feasibility of the proposed method is limited by the small size of the CM objects from 1 mm to 10 cm, it is energetically justified due to the sufficiency of a small series of laser pulses separated in time, and providing first the evaporation of a part of the CM object surface and the formation of a dense vapor cloud, and then the ignition and maintenance of the combustion of the optical discharge in the vapor plasma and the generation of a shock wave that dynamically affects the CM and slows down its orbital motion by the magnitude of the modulus of velocity ΔV up to 100 m / s.

Таким образом, облучаемый лазером малоразмерный объект КМ, находящийся на высоте 400 км над Землей уже менее чем через 1 час (см. Таблица и фиг. 3) переходит от орбитальной траектории к баллистической, и далее сгорает в плотных слоях атмосферы. Продукты горения, являясь центрами кристаллизации водяного пара, имеющегося в атмосфере, образуют дождевые облака, которые выпадают в виде осадков, и полностью очищают воздушную атмосферу Земли.Thus, the laser-irradiated small-sized CM object located at an altitude of 400 km above the Earth in less than 1 hour (see Table and Fig. 3) passes from an orbital trajectory to a ballistic one, and then burns up in dense layers of the atmosphere. Combustion products, being the centers of crystallization of water vapor present in the atmosphere, form rain clouds, which fall in the form of precipitation, and completely purify the Earth's air atmosphere.

Положительный эффект технического предложения заключается в эффективности лазерного облучения фрагментов КМ и существенном сокращении их времени «жизни» (существования) на околоземной орбите.The positive effect of the technical proposal lies in the efficiency of laser irradiation of CM fragments and a significant reduction in their "lifetime" (existence) in near-earth orbit.

Положительный эффект технического решения, также заключается в предлагаемой схеме двух выводов лазерного излучения и размещении телескопических отражателей системы в двух направлениях с управляемой кривизной зеркал (см. фиг. 1), способных обеспечивать, как расфокусирование (расширение) лазерного излучения для обнаружения объектов КМ на дальних расстояниях, так и фокусировать его на обнаруженные объекты КМ в следе, что позволяет увеличить область наблюдения, и повысить степень защиты носителя от нежелательных столкновений с КМ.The positive effect of the technical solution also lies in the proposed scheme of two outputs of laser radiation and the placement of telescopic reflectors of the system in two directions with controlled curvature of mirrors (see Fig. 1), capable of providing both defocusing (expansion) of laser radiation for detecting CM objects at distant distances, and focus it on the detected CM objects in the wake, which allows you to increase the observation area, and increase the degree of protection of the carrier from unwanted collisions with CM.

Следует отметить, что работа на удаление КМ в следе лазерной системы, когда направление перемещения лазерной системы сонаправлено с движением КМ, может быть особенно эффективной. В этой связи эффективность удаления также может быть повышена при размещении лазерной системы на управляемом космическом аппарате-уборщике, в зоне высокой концентрации КМ, или на более высоких орбитах, где орбитальные скорости объектов КМ не будут столь высоки. При этом, требования к мощности лазера и размерам телескопических отражателей могут быть существенно снижены.It should be noted that work to remove CM in the wake of a laser system, when the direction of movement of the laser system is co-directed with the movement of CM, can be especially effective. In this regard, the removal efficiency can also be increased by placing the laser system on a controlled spacecraft-cleaner, in an area of high CM concentration, or in higher orbits, where the orbital velocities of CM objects will not be so high. At the same time, the requirements for laser power and sizes of telescopic reflectors can be significantly reduced.

Источники информацииSources of information

1. Eichler et al. /1 Eichler P.D. Report No. R8840. Institut fur Weltraumtechnologie und Reaktortechnologie, Technical University of Braunschweig, Germany, (1988).1. Eichler et al. / 1 Eichler P.D. Report No. R8840. Institut fur Weltraumtechnologie und Reaktortechnologie, Technical University of Braunschweig, Germany, (1988).

2. Johnson N.L., in "Orbital Debris from Upper-Stage Breakup", Ed. J.P. Loftus Jr., Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol.121 (1989), Ch. 2.2. Johnson N.L., in "Orbital Debris from Upper-Stage Breakup", Ed. J.P. Loftus Jr., Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 121 (1989), Ch. 2.

3. Пикалов P.C., Юдинцев B.B. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора // Труды МАИ. 2018. Выпуск №100.3. Pikalov P.C., Yudintsev B.B. Review and selection of means for removing large-sized space debris // Proceedings of the MAI. 2018. Issue No. 100.

4. Носов А.В. Проблема мусора на космической орбите: угрозы и проекты противодействия // Рецензируемый научный журнал «Тенденции развития науки и образования». Август 2019 г. №53, Часть 3. С. 33-37.4. Nosov A.V. The problem of debris in space orbit: threats and countermeasures projects // Peer-reviewed scientific journal "Trends in the development of science and education." August 2019 No. 53, Part 3. P. 33-37.

5. Campbell J.W. Project ORION: Orbital Debris Removal Using Ground-Based Sensors and Lasers. NASA Technical Memorandum 108522. Marshall Space Flight Center. Alabama. 1996.5. Campbell J.W. Project ORION: Orbital Debris Removal Using Ground-Based Sensors and Lasers. NASA Technical Memorandum 108522. Marshall Space Flight Center. Alabama. 1996.

6. Phipps C.R. L'ADROIT - A spacebome ultraviolet laser system for space debris clearing// Acta Astronautica 104 (2014) 243-255.].6. Phipps C.R. L'ADROIT - A spacebome ultraviolet laser system for space debris clearing // Acta Astronautica 104 (2014) 243-255.].

7. Аполлонов B.B. Уничтожение космического мусора и объектов естественного происхождения лазерным излучением. Квантовая электроника, 43, №9 (2013)890-894.7. Apollo B.B. Destruction of space debris and natural objects by laser radiation. Quantum Electronics, 43, No. 9 (2013) 890-894.

8. Fang Y., Pan J., Luo Y., Li C.-W. Effects of deorbit evolution on space-based pulse laser irradiating centimeter-scale space debris in LEO // Acta Astronautica 165 (2019) 184-190.8. Fang Y., Pan J., Luo Y., Li C.-W. Effects of deorbit evolution on space-based pulse laser irradiating centimeter-scale space debris in LEO // Acta Astronautica 165 (2019) 184-190.

9. Патент RU 2001109184. Синявский B.B., Юдицкий В.Д. Космический аппарат для очистки космического пространства от мелкого мусора. ОАО «РКК» Энергия» им. С.П. Королева. Подана 05.04.2001. Опубл. 20.05.2003.9. Patent RU 2001109184. Sinyavsky V.B., Yuditsky V.D. Spacecraft for cleaning outer space from small debris. JSC RSC Energia named after S.P. Queen. Filed 05.04.2001. Publ. 20.05.2003.

10. Патент RU 2001109185 Юдицкий В.Д., Синявский В.В. Аппарат для очистки космического пространства от мусора. ОАО «РКК»Энергия» им.С.П.Королева. Подана 05.04.2001. Опубл. 20.05.2003.10. Patent RU 2001109185 Yuditsky V.D., Sinyavsky V.V. Apparatus for cleaning outer space from debris. JSC RSC Energia named after SP Korolev. Filed 05.04.2001. Publ. 20.05.2003.

11. Schall W.O. Orbital debris removal by laser radiation // Acta Astronautica, Volume 24,1991, Pages 343-351.11. Schall W.O. Orbital debris removal by laser radiation // Acta Astronautica, Volume 24,1991, Pages 343-351.

12. Soulard R., Quinn M.N., Tajima Т., Mourou G. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal // Acta Astronautica 105 (2014) 192-200.12. Soulard R., Quinn M.N., Tajima T., Mourou G. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal // Acta Astronautica 105 (2014) 192-200.

13. Campbell J.W. Using Lasers in Space Laser Orbital Debris Removal and Asteroid Deflection. Colonel, USAFR, December 2000, Occasional Paper No. 20, Center for Strategy and Technology, Air War College, Air University Maxwell Air Force Base, Alabama, US.13. Campbell J.W. Using Lasers in Space Laser Orbital Debris Removal and Asteroid Deflection. Colonel, USAFR, December 2000, Occasional Paper No. 20, Center for Strategy and Technology, Air War College, Air University Maxwell Air Force Base, Alabama, US.

Claims (2)

1. Способ импульсной лазерной очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора, включающий обнаружение объекта космического мусора (КМ), подлежащего удалению с орбиты, определение его параметров, определение параметров наведения и фокусировки лазерного излучения на объект КМ и автоматический подбор определенного режима импульсного лазерного воздействия на объект КМ и собственно само воздействие, отличающийся тем, что обнаружение и фокусировку лазерного излучения на объекты КМ, подлежащие удалению с орбиты, осуществляют, по крайней мере, в двух противоположных направлениях, как на объект КМ, летящий навстречу импульсной лазерной системе, так и летящий в ее следе, затем автоматически обрабатывают параметры обнаруженных объектов КМ и подбирают оптимальный режим импульсного лазерного воздействия индивидуально для каждого выбранного объекта КМ, при этом воздействие на каждый объект осуществляют сериями импульсов: вначале воздействуют лазерными импульсами определенной длительности τin с интенсивностью ниже порога образования плазмы с продолжительностью до момента формирования плотного облака пара на поверхности объекта КМ, затем воздействуют импульсами меньшей длительности, чем длительность первоначальных импульсов τ<<τin, с интенсивностью выше порога зажигания плазмы, и обеспечивают передачу дополнительной лазерной энергии для поддержания горения плазмы в облаке пара, которая инициирует ударную волну и передает импульс давления на объект КМ и производит его торможение.1. Method of pulsed laser cleaning of space from single small objects of space debris, including the detection of a space debris object (CM) to be removed from orbit, determination of its parameters, determination of the parameters of guidance and focusing of laser radiation on the CM object and automatic selection of a certain mode of pulsed laser impact on the CM object and the actual action itself, characterized in that the detection and focusing of laser radiation on CM objects to be removed from orbit is carried out in at least two opposite directions, both on the CM object flying towards the pulsed laser system, so and flying in its wake, then the parameters of the detected CM objects are automatically processed and the optimal mode of pulsed laser action is selected individually for each selected CM object, while the action on each object is carried out with a series of pulses: first, laser pulses are applied. of a certain duration τ in with an intensity below the plasma formation threshold with a duration up to the moment of formation of a dense vapor cloud on the surface of the CM object, then they are exposed to pulses of a shorter duration than the duration of the initial pulses τ << τ in , with an intensity higher than the plasma ignition threshold, and provide the transfer of additional laser energy to maintain plasma combustion in a vapor cloud, which initiates a shock wave and transmits a pressure pulse to the CM object and decelerates it. 2. Импульсная лазерная система очистки космического пространства от одиночных мелких объектов космического мусора, размещенная на космической платформе носителя, например МКС, и содержащая блок лазерного излучения, связанный с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения, блоком обнаружения, распознавания и регистрации параметров одиночных объектов КМ, подлежащих удалению с орбиты, и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на обнаруженные объекты КМ, отличающаяся тем, что используют высокочастотный импульсно-периодический лазер, выполненный, по крайней мере, с двумя противоположно направленными друг относительно друга выводами лазерного излучения, связанный с блоком обнаружения объектов КМ, и блоком наведения и фокусировки лазерного излучения на объекты КМ, включающими, по крайней мере, два телескопических отражателя противоположно направленных друг относительно друга с зеркалами, установленными с возможностью изменения их кривизны, посредством связи с блоком автоматического управления параметрами лазерного излучения для изменения фокусировки направления волнового вектора лазерного излучения и подбора оптимального режима импульсного лазерного воздействия, соответствующего параметрам выбранного объекта КМ, подлежащего удалению с орбиты.2. A pulsed laser system for cleaning outer space from single small objects of space debris, located on the space platform of the carrier, for example, the ISS, and containing a laser radiation unit associated with an automatic control unit for laser radiation parameters, a unit for detecting, recognizing and registering parameters of single CM objects, to be removed from orbit, and a block for pointing and focusing laser radiation on the detected objects CM, characterized in that they use a high-frequency repetitively pulsed laser, made with at least two oppositely directed relative to each other laser radiation leads connected to the object detection unit CM, and a block for aiming and focusing laser radiation on CM objects, including at least two telescopic reflectors opposite to each other with mirrors installed with the possibility of changing their curvature by means of communication with b an automatic control unit for laser radiation parameters to change the focusing of the direction of the wave vector of laser radiation and select the optimal mode of pulsed laser action corresponding to the parameters of the selected CM object to be removed from orbit.
RU2020139862A 2020-12-02 2020-12-02 Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof RU2761957C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139862A RU2761957C1 (en) 2020-12-02 2020-12-02 Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139862A RU2761957C1 (en) 2020-12-02 2020-12-02 Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761957C1 true RU2761957C1 (en) 2021-12-14

Family

ID=79175149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020139862A RU2761957C1 (en) 2020-12-02 2020-12-02 Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761957C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2040449C1 (en) * 1992-03-13 1995-07-25 Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева Apparatus for cleaning space of foreign matter
RU2092409C1 (en) * 1993-11-16 1997-10-10 Юрий Владимирович Корягин Method of cleaning near from space objects and small particles by breaking them and device for realization of this method
US6419191B1 (en) * 1997-09-12 2002-07-16 Robert P. Hoyt Electrodynamic tether control
WO2009091037A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Ihi Corporation Device for detecting space floating matters
RU2524325C2 (en) * 2009-12-04 2014-07-27 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Method for cleaning from space debris
RU2703056C1 (en) * 2019-02-14 2019-10-15 Мария Александровна Лозина Space debris spacecraft

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2040449C1 (en) * 1992-03-13 1995-07-25 Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева Apparatus for cleaning space of foreign matter
RU2092409C1 (en) * 1993-11-16 1997-10-10 Юрий Владимирович Корягин Method of cleaning near from space objects and small particles by breaking them and device for realization of this method
US6419191B1 (en) * 1997-09-12 2002-07-16 Robert P. Hoyt Electrodynamic tether control
WO2009091037A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Ihi Corporation Device for detecting space floating matters
RU2524325C2 (en) * 2009-12-04 2014-07-27 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Method for cleaning from space debris
RU2703056C1 (en) * 2019-02-14 2019-10-15 Мария Александровна Лозина Space debris spacecraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Soulard et al. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal
Phipps L׳ ADROIT–A spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing
Phipps et al. A spaceborne, pulsed UV laser system for re-entering or nudging LEO debris, and re-orbiting GEO debris
US5153407A (en) Method and device for removing space debris
US20110302906A1 (en) Laser Tractor Beam
US5152135A (en) Reflector for efficient coupling of a laser beam to air or other fluids
Schall Orbital debris removal by laser radiation
RU2761957C1 (en) Method for pulse laser clearing of space from single small objects of space debris and pulse laser system for implementation thereof
Loktionov et al. Possible utilization of space debris for laser propulsion
Phipps et al. Removing orbital debris with pulsed lasers
H Choi et al. Assessment study of small space debris removal by laser satellites
Schall Removal of small space debris with orbiting lasers
Bondarenko et al. Prospects of using lasers and military space technology for space debris removal
Lubin et al. Effective planetary defense using directed energy de-starlite
Michaelis et al. Laser propulsion: a review
Metzger et al. Nuclear-powered space debris sweeper
RU2679938C1 (en) Method of moving space waste objects with a gradual use of its substance with a space device equipped with a laser propulsion installation
Yabe Prospect of Solar‐Energy‐Pumped‐Laser‐Driven Vehicles Powered by Water
Huang et al. Space Debris Removal Ground-based Laser Nudge De-orbiting System and Modeling Process
Sinko Laser ablation propulsion tractor beam system
Campbell et al. The impact imperative: laser ablation for deflecting asteroids, meteoroids, and comets from impacting the earth
Ebisuzaki et al. Remediation of cm-size debris from the International Space Station (ver20TE6)
Sasoh et al. Characteristics of Ablation Impulse Induced by Repetitive Laser Pulse Irradiations
Pakhomov et al. Ablative laser propulsion efficiency
Roth et al. Advanced space power and propulsion based on lasers