RU2773070C1 - Способ ускорения схода с орбиты космического аппарата - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для ускорения схода с орбиты космического аппарата (КА), выработавшего свой ресурс. Способ ускорения схода с орбиты космического аппарата заключается в том, что осуществляют торможение связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами, наполненных газом, в сильно разреженных слоях атмосферы Земли за счет аэродинамического торможения надувных баллонов, наполненных газом, и взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли. Повышается скорость схода с орбиты КА, завершившего активное функционирование, в плотные слои атмосферы. 15 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для снятия с орбиты космических аппаратов (КА), завершивших активное функционирование (выработавших свой ресурс).

КА, выработавшие свой ресурс, могут оставаться на орбите в течение многих лет, засоряя таким образом околоземное космическое пространство (ОКП). Наибольший уровень засоренности ОКП - низкоорбитальная, до высот примерно 2000 км [1].

Известен способ очистки ОКП от ненужных объектов, заключающийся в стыковке с этими объектами транспортного корабля и последующем спуске с орбиты образовавшейся связки [2] (Инженерный справочник по космической технике. М: Воениздат.1977. С. 134-140). Недостатками этого способа являются необходимость систем стыковки, стыковочных узлов и систем ориентации на обоих кораблях, потеря тормозного отсека транспортного корабля и ограниченные возможности по удаляемой спускаемой массе.

Другим аналогом изобретения является способ уборки космического мусора (КМ), включающий выведение на орбиту устройства уборки КМ, при этом осуществляют процесс наблюдения за КМ, перемещают устройства уборки КМ в положение захвата. Устройства уборки КМ близко подводят к космическому мусору, выпускают гарпун в полый фрагмент КМ. Соединяют устройства уборки КМ и космический мусор, фиксируют КМ. Тормозят захваченный КМ с помощью сброса проводящего фала [3] (Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора, патент 2574366, Российская Федерация). Недостатком данного способа является сложность технической реализации.

Известен способ формирования управляющих воздействий на КА с помощью силовых электродинамических явлений [4] (Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Физические проблемы космической тяговой энергетики. М: Атомиздат.1969. С.240). Устройством, реализующим способ, может служить электрический парус для поступательного перемещения космического корабля [5] (Электрический парус для поступательного перемещения космического корабля, патент US 7641151). Устройство содержит множество электропроводных удлиненных распределенных элементов, радиально расходящихся от корпуса за счет его вращения. Генератор, установленный в корпусе, заряжает удлиненные элементы таким образом, что все они несут положительный заряд.

Характер формирования управляющих воздействий для изменения высоты орбиты КА после «включения» заряда зависит от углов ориентации в геомагнитной системе координат, отношения заряда к массе КА и продолжительности полета. Приложение управляющих воздействий производится включением и выключением заряда. Недостатком способа является необходимость производить затраты электроэнергии, в том числе для постоянного дополнительного заряда элементов.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ снятия спутников с орбиты с использованием технологии аэроторможения, основанной на использовании аэродинамической поверхности, предназначенной для увеличения поверхности лобового сопротивления без специальной стабилизации спутника на орбите [6] (Развертываемая аэродинамическая поверхность аэроторможения спутника, патент 2435711, Российская Федерация). Недостатком прототипа является то, что предлагаемое аэроторможение является недостаточно эффективным из-за малой величины развернутой аэродинамической поверхности.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в ускорении схода с орбиты КА, завершившего активное функционирование (выработавшего свой ресурс), в плотные слои атмосферы.

Указанный технический результат достигается тем, что для торможения КА, завершившего активное функционирование, на орбите разворачивают крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции, внутри которой размещают надувные баллоны. Перед выводом КА на орбиту Земли в крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции закладывают надувные баллоны в сдутом состоянии. При этом крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок с надувными баллонами в сдутом состоянии упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА. После завершения активного функционирования К А по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, выталкивают или выдвигают из герметичного контейнера. При этом сохраняют жесткую или гибкую механическую связь крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с КА. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, из герметичного контейнера по сигналу от датчиков, расположенных на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, наполняют надувные баллоны газом и придают крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок заданную форму.

В дальнейшем осуществляют торможение связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами, наполненных газом, в сильно разреженных слоях атмосферы Земли за счет аэродинамического торможения надувных баллонов, наполненных газом, а также взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли. В результате обеспечивают переход связки на более низкую орбиту и последующий вход связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами в плотные слои атмосферы.

Существует вариант, в котором на борту КА размещают два и более герметичных контейнера с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок, внутри которой помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.

Существует вариант, в котором при размещении на борту КА двух и более герметичных контейнеров с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок, сети из углеродных нанотрубок разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.

Существует вариант, в котором наполнение надувных баллонов газом осуществляют от малогабаритного картриджа с газом.

Существует вариант, в котором в качестве материала надувных баллонов используют пленку из углеродных нанотрубок.

Существует вариант, в котором надувные баллоны полностью или частично покрывают пленкой с высокой отражающей способностью.

Существует вариант, в котором в качестве пленки с высокой отражающей способностью используют пленку из диоксида титана.

Существует вариант, в котором внутри объемной геометрической конструкции крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают не менее десяти надувных баллонов.

Существует вариант, в котором размеры и объем геометрической конструкции крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА, исходя из высоты орбиты и массы КА, а также прогнозируемым временем входа КА в плотные слои атмосферы.

Существует вариант, в котором на борту КА дополнительно размещают резервные герметичные контейнеры с резервными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок, внутри которых помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.

Существует вариант, в котором при потере герметичности надувных баллонов в развернутой крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок по сигналу от датчиков, расположенных на поверхностях сети или надувных баллонов, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, выталкивают из резервного герметичного контейнера резервную крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которых находятся надувные баллоны в сдутом состоянии.

Существует вариант, в котором по сигналу от датчиков, расположенных на поверхности резервной крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, наполняют надувные баллоны газом и придают резервной крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок заданную форму.

Существует вариант, в котором ускоряют процесс торможения КА и снижение высоты его орбиты путем дополнительного увеличения его площади поперечного сечения (площади миделя) в результате разворачивания резервных крупноячеистых сетей из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами.

Существует вариант, в котором для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты команды и/или программу на срабатывание резервных герметичных контейнеров с резервными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок с надувными баллонами передают по радиолинии с наземного комплекса управления КА.

Существует вариант, в котором для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты резервные крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.

Существует вариант, в котором используют крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции в форме шара или пирамиды.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Для торможения КА, завершившего активное функционирование, используют аэродинамическое торможение надувных баллонов, наполненных газом, в сильно разреженных слоях атмосферы Земли, а также эффект взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли. С этой целью на орбите разворачивают крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции - в форме шара или пирамиды, внутри которой размещают надувные баллоны. Причем перед выводом КА на орбиту Земли в крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок во внутренний объем закладывают надувные баллоны в сдутом состоянии. При этом крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок с надувными баллонами в сдутом состоянии упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА.

После завершения активного функционирования КА по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, выталкивают или выдвигают из герметичного контейнера. При этом сохраняют жесткую или гибкую механическую связь крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с КА. После выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, из герметичного контейнера по сигналу от датчиков, расположенных на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, наполняют надувные баллоны газом и придают крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок заданную форму.

В дальнейшем за счет аэродинамического торможения надувных баллонов, наполненных газом, и взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, осуществляют торможение связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с размещенными внутри нее наполненными газом надувными баллонами в сильно разреженных слоях атмосферы Земли. Обеспечивают переход связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с размещенными внутри нее надувными баллонами на более низкую орбиту и последующий вход связки в плотные слои атмосферы.

Использование надувных баллонов значительно увеличивает площадь миделя (площадь поперечного сечения) связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с размещенными внутри нее надувными баллонами. При этом происходит торможение связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с размещенными внутри нее надувными баллонами в результате силы аэродинамического сопротивления, которая вызывает тормозное ускорение даже в очень сильно разреженных слоях атмосферы Земли.

Сверх того, разворачивание крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции на орбите приводит к взаимодействию электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, что способствует торможению КА и вхождению его в плотные слои атмосферы [7]. Углеродные нанотрубки кроме высокой прочности обладают хорошими значениями электропроводности [8].

Кроме того, размещение на поверхности надувных баллонов пленки с высокой отражающей способностью также способствует сходу КА с орбиты за счет давления солнечного света. На высоте полета КА 500 км ≤ h ≤ 700 км влияние светового давления и сопротивления атмосферы приблизительно одинаково, а для высоты полета h > 700 км световое давление становится более значимым, чем сопротивление атмосферы [10] стр. 100-101.

Таким образом, осуществляется переход КА с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок с надувными баллонами на более низкую орбиту и вход КА в плотные слои атмосферы.

В результате срок пребывания неиспользуемых КА на орбите может быть сокращен до нескольких месяцев.

Использование надувных баллонов, кроме основной задачи -увеличения площади поперечного сечения КА, обеспечивает полное раскрытие крупноячеистой сети в космическом пространстве для эффективного взаимодействия электропроводящих нитей сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли.

Применение пленки из углеродных нанотрубок для изготовления надувных баллонов обеспечивает их высокую стойкость к пробою при столкновении с мелкими частицами космического мусора. Предел прочности пленки из углеродных нанотрубок составляет 9,6 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности кевларовых волокон составляет всего 3,7 гигапаскаля [9].

Таким образом, обеспечивается сохранение свойства надувных баллонов как аэродинамического тормоза в процессе схода с орбиты связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок.

При этом пленка и нити из углеродных нанотрубок обладают исключительно малой массой [8]. В результате надувные баллоны и крупноячеистая сеть из углеродных нанотрубок могут иметь размеры от нескольких десятков до нескольких сотен метров соответственно при минимальной массе. Такие размеры надувных баллонов значительно увеличивают площадь миделя (площадь поперечного сечения) связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок и в результате увеличивают тормозное ускорение.

Хорошая эффективность упаковки в транспортном положении, низкая удельная масса позволяет установить на КА несколько десятков герметичных контейнеров с упакованными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами. В результате часть контейнеров с упакованными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами в сдутом состоянии может находиться в резерве.

При этом при перфорации мелким космическим мусором надувных баллонов, наполненных газом, или потере герметичности надувных баллонов в развернутой крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок по сигналу от датчиков, расположенных на поверхностях сети или надувных баллонов, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от БВС, разворачивают резервную крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии.

Кроме того, размещение внутри объемной геометрической конструкции крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок не менее десяти надувных баллонов позволяет сохранить аэродинамическое качество при потере герметичности одного или нескольких надувных баллонов.

В результате обеспечивается надежность функционирования предлагаемого способа ускорения схода с орбиты космического аппарата, выработавшего свой ресурс.Кроме того, наличие резервных герметичных контейнеров с упакованными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок позволяет управлять скоростью схода КА с орбиты за счет разворачивания дополнительных крупноячеистых сетей из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами. Управление этим процессом возможно по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления К А или от БВС, на срабатывание резервных герметичных контейнеров с крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок с надувными баллонами на борту КА.

Размещение на поверхности надувных баллонов пленки с высокой отражающей способностью, например, из диоксида титана, кроме торможения КА за счет давления солнечного света, повышает оптическую заметность сходящей с орбиты связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с наполненными газом надувными баллонами. В результате связка КА и крупноячеистой сети хорошо видима для наблюдения средствами контроля космического пространства.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о возможности практического использования предлагаемого способа ускорения схода с орбиты космического аппарата, завершившего активное функционирование (выработавшего свой ресурс).

Более того, предлагаемое изобретение может быть применено к любому объекту, выводимому на орбиту, в частности, таким как разгонные блоки, элементы ракет-носителей (РН) или орбитальные конструкции, для которых желательна возможность снятия их с орбиты [10]. Использование предлагаемого технического решения может обеспечить конкурентные преимущества отечественным РН перед зарубежными [1] стр. 125.

Предлагаемый способ ускорения схода с орбиты космического аппарата обещает быть наиболее эффективным для объектов, находящихся на высотах 750-900 километров.

Источники информации

1. Шатров Я.Т. Развитие исследований по выбору трасс пусков и районов падения отделяющихся частей ракет-носителей в целях обеспечения экологической безопасности. Космонавтика и ракетостроение. №1. 2017. С. 124-125.

2. Инженерный справочник по космической технике. М.: Воениздат. 1977. С. 134-140.

3. Устройство уборки космического мусора и способ уборки космического мусора: патент 2574366 Российская Федерация: МПК8 B64G 1/56. Китадзава Юкихито [и др.]; патентообладатель АйЭйчАй Корпорейшен (JP), АйЭйчАй Аэроспейс КО., ЛТД (JP), - №2014122190/11; заявл. 01.11.2012; опубл. 10.12.2015. Бюл. №4, 2016.

4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Физические проблемы космической тяговой энергетики. М.: Атомиздат. 1969. С. 240.

5. Электрический парус для поступательного перемещения космического корабля. Патент US 7641151 В2, 02.03.2006, B64G 1/22, B64G 1/40.

6. Развертываемая аэродинамическая поверхность аэроторможения спутника: патент 2435711 Российская Федерация: МПК₈ B64G 1/24, B64G 1/62. Пейпуда Венсан, Ле куль Оливье; патентообладатель Астриум САС, (FR), - №2008138539/11; заявл. 14.02.2007; опубл. 10.12.2011 Бюл. №34, 2011.

7. Космический мусор в рыболовные сети. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. X. №7. 2011. С. 26.

8. Колмаков А.Г., Баринов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит. 2013. С. 134.

9. Углеродная нанопленка прочнее кевлара и углеродного волокна. Биржа Интеллектуальной собственности. Т. XV. №5. 2016. С. 24.

10. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппаратов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. С. 100-101, с. 486.

Claims (16)

1. Способ ускорения схода с орбиты космического аппарата, отличающийся тем, что для торможения космического аппарата (КА), завершившего активное функционирование на орбите, разворачивают крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции, внутри которой размещают надувные баллоны, причем перед выводом КА на орбиту Земли в крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции во внутренний объем закладывают надувные баллоны в сдутом состоянии, при этом крупноячеистую сеть с надувными баллонами в сдутом состоянии упаковывают и в упакованном виде размещают в герметичном контейнере на борту КА, после завершения активного функционирования КА по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, выталкивают или выдвигают из герметичного контейнера, при этом сохраняют жесткую или гибкую механическую связь крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с КА, после выхода крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, внутри которой находятся надувные баллоны в сдутом состоянии, из герметичного контейнера по сигналу от датчиков, расположенных на поверхности крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, наполняют надувные баллоны газом и придают крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок заданную форму, в дальнейшем осуществляют торможение связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами, наполненных газом, в сильно разреженных слоях атмосферы Земли за счет аэродинамического торможения надувных баллонов, наполненных газом, и взаимодействия электропроводящих нитей крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с магнитным полем Земли, в результате обеспечивают переход связки на более низкую орбиту и последующий вход связки КА и крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок с надувными баллонами в плотные слои атмосферы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на борту КА размещают два и более герметичных контейнера с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок, внутри которой помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при размещении на борту КА двух и более герметичных контейнеров с крупноячеистой сетью из углеродных нанотрубок, сети из углеродных нанотрубок разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наполнение надувных баллонов газом осуществляют от малогабаритного картриджа с газом.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала надувных баллонов используют пленку из углеродных нанотрубок.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что надувные баллоны полностью или частично покрывают пленкой с высокой отражающей способностью.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве пленки с высокой отражающей способностью используют пленку из диоксида титана.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внутри объемной геометрической конструкции крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок размещают не менее десяти надувных баллонов.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размеры и объем геометрической конструкции крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок и количество надувных баллонов рассчитывают до запуска КА, исходя из высоты орбиты и массы КА, а также прогнозируемым временем входа КА в плотные слои атмосферы.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на борту КА дополнительно размещают резервные герметичные контейнеры с резервными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок, внутри которых помещают надувные баллоны в сдутом состоянии.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что при потере герметичности надувных баллонов в развернутой крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок по сигналу от датчиков, расположенных на поверхностях сети или надувных баллонов, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, выталкивают из резервного герметичного контейнера резервную крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, внутри которых находятся надувные баллоны в сдутом состоянии.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что по сигналу от датчиков, расположенных на поверхности резервной крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок, по команде и/или программе, передаваемым по радиолинии с наземного комплекса управления КА или от бортовой вычислительной системы, наполняют надувные баллоны газом и придают резервной крупноячеистой сети из углеродных нанотрубок заданную форму.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что ускоряют процесс торможения КА и снижение высоты его орбиты путем дополнительного увеличения его площади поперечного сечения в результате разворачивания резервных крупноячеистых сетей из углеродных нанотрубок с размещенными внутри надувными баллонами.

14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты команды и/или программу на срабатывание резервных герметичных контейнеров с резервными крупноячеистыми сетями из углеродных нанотрубок с надувными баллонами передают по радиолинии с наземного комплекса управления КА.

15. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для ускорения процесса торможения КА и снижения высоты его орбиты резервные крупноячеистые сети из углеродных нанотрубок разворачивают на орбите либо одновременно, либо последовательно.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок в виде объемной геометрической конструкции в форме шара или пирамиды.