Г.П. Шарапенко, А.В. Пилецкий

ФГУП «КБ «Арсенал», г. Санкт-Петербург

1. Введение

Шарапенко--02.1

Шарапенко Г.П.

Пилецкий-02.1

Пилецкий А.В.

 

Дальнейшее засорение области низких орбит (ОНО) (до 2000 км) может привести к возникновению каскадного эффекта, который характеризуется увеличением количества столкновений между существующими объектами КМ, приводящих к разрушению этих объектов, что, в конечном итоге, приведёт к образованию большого количества более мелкого мусора. Повышенная концентрация частиц КМ может привести, в отдельных случаях, к частым столкновениям с возможностью падения частиц на Землю.

Моделирование возможного развития процесса засорения ОНО, согласно данным [1] и [2], позволило определить прогноз начала катастрофического засорения космоса, который ожидается уже к 2032 году. При этом доступ на низкие орбиты окажется закрытым. Отсюда, экономическая целесообразность очистки ОКП от техногенного мусора может определяться стоимостью космических проектов, которые, по причине засоренности космического пространства, невозможно будет реализовать.

В приводимых ниже материалах рассматриваются принципы создания космических средств удаления КМ, вопросы стратегии и тактики захвата и удаления космического мусора с низких орбит.

2. Техногенное засорение низких орбит

Достаточно заметно в настоящее время засоряются следующие орбитальные области [1]:

- от 100 до 800 км;

- от 900 до 1000 км;

- от 1400 до 1500 км.

В результате исследования ОНО в пределах 150 – 2000 км [1] выявились наиболее засоренные слои на высотах: 500, 700 и 1500 км.

Обнаружение космических объектов (КО) наземными средствами ведется системами контроля космического пространства (СККП) России и США. Фрагменты конструкций КО с размерами в поперечнике более 10 см наблюдаются радиолокационными станциями, оптико-электронными системами наблюдения и регистрируются в специальных каталогах системы слежения за космическим пространством. Использование оптико-электронных систем наблюдения позволяет обнаруживать на околоземных орбитах частицы КМ порядка 1 см и даже менее [1]. Объекты КМ в ОНО занимают 75% всего каталога, располагаясь на высотах до 2000 км над Землёй, поэтому наибольший интерес представляет рассмотрение областей, ограниченной этой высотой сверху.

Анализ положения объектов КМ показывает [2], что более 90% этих объектов имеют орбиты близкие к круговым (с величиной эксцентриситета менее 0.1), а 70% из их числа движутся по круговым орбитам.

Замечено, что в плоскости экватора по круговым орбитам частицы могут двигаться неограниченно долго, что объясняется строгим порядком в их движении практически без соударений друг с другом (аналогично кольцам Сатурна). Засорение экваториальных и полярных орбит приводит к очень быстрому росту концентрации объектов КМ вследствие малой области их сосредоточения и потому является недопустимым.

С начала 1970-х до конца 1980-х годов в СССР было запущено около трех десятков КА УС-А, УС-АМ с ядерными энергетическими станциями (ЯЭС) на орбиту высотой 260-275 км. После окончания функционирования КА, от него отделялся блок с ЯЭС, который ракетными двигателями уводился на орбиту высотой 800-900 км, наклонением 65°. Оставшийся на рабочей орбите основной блок КА через непродолжительное время, под действием внешних сил, входил в плотные слои атмосферы и сгорал. В 1987 году на орбиты высотой 800-900 км, наклонением 65° были запущены два экспериментальных КА «Плазма-А» с ЯЭС другого типа. В настоящее время фрагменты ЯЭС КА УС-А, УС-АМ и КА «Плазма-А» с ЯЭС обращаются на высоте 800-900 км в широтном поясе 65°с.ш. – 65°ю.ш.

Моделирование возможного развития процесса засорения ОНО по интенсивности проведения запусков космических средств на период до 2020 года выявило [2] несколько сценариев, соответствующих различным темпам прироста количества запусков. В частности, при 10%-ом увеличении темпов запусков ежегодно, начало катастрофического засорения космоса может ожидаться уже к 2032 году.

Во многих отечественных и зарубежных обоснованиях по дальнейшему развитию средств выведения и освоения космического пространства прогнозируется грузопоток в ОНО, который связывается с 5-7%-м, а то и с 10%-м ежегодным приростом. Такой прирост ежегодных темпов запусков недопустим, поскольку связан с опасностью каскадного образования КМ, которое блокирует все дальнейшее освоение космоса на сотни лет.

В связи с изложенным выше необходимо принять следующие меры для недопущения грядущего катастрофического засорения КМ ОНО:

- осуществлять снижение темпов запусков КА на орбиту за счет одновременного увеличения сроков функционирования КА; представляется целесообразным государствам, участвующим в запусках КО в ОКП установить нулевой или даже отрицательный темп прироста количества запусков;

- ввести ограничения по продолжительности пребывания КА в ОНО после окончания срока функционирования за счет:

1) управляемого увода КА с орбиты, для чего в его состав ввести ДУ увода или, в имеющейся ДУ, предусмотреть дополнительный запас топлива, позволяющий осуществить расчетное приземление;

2) тормозящего действия остаточной атмосферы на отказавший КА – за счет увеличения его баллистического коэффициента;

- проводить работы по очищению ОКП от космического мусора. В этой связи следует проработать такую возможность, как уборка КМ теми странами, космические программы которых явились источником соответствующего мусора.

3. Общие требования к космическим средствам по удалению мусора

С целью снижения засоренности ОКП Межагентский комитет по космическому мусору (МККМ) разработал Руководящие принципы по предупреждению образования космического мусора [3]. С учетом Руководящих принципов был разработан Национальный стандарт РФ ГОСТ Р52925-2008 [4], который определил общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения ОКП, в том числе, установил требования по уводу космических средств после завершения их функционирования в зоны захоронения или на орбиты с ограниченным сроком баллистического существования.

Согласно этим требованиям:

- все орбитальные средства выведения, завершившие функционирование и находящиеся в ОНО или проходящие через неё (включая КО на высоких эллиптических орбитах), или способные оказаться там в процессе последующего движения, должны быть уведены на орбиту, на которой обеспечивается одно из следующих условий:

1) продолжительность пассивного баллистического существования за счет действия остаточной атмосферы – не более 25 лет;

2) для исключения возможного входа в ОНО осуществляется увод в зону захоронения (выше 2000 км);

- орбитальные средства, конструкция которых не предусматривает возможность изменения параметров орбиты или маневрирования после окончания их функционирования, должны выводиться в ОНО с временем баллистического существования не более 25 лет;

- для орбитальных средств, содержащих на борту радиоактивные, токсичные или другие вредные вещества, увод с орбиты должен производиться так, чтобы исключить неприемлемое загрязнение этими веществами атмосферы или поверхности Земли.

Таким образом, согласно Национальному стандарту [4], можно считать, что требование об ограничении продолжительности пребывания КА в ОНО двадцатью пятью годами после окончания миссии распространяется на все выводимые на орбиту КО, в том числе, на специализированные КА, предназначенные для очистки ОНО от техногенного мусора.

4. Средства удаления космического мусора в составе КА

Анализ существующих средств и методов решения задачи поиска, захвата и удаления объектов КМ показал необходимость разработки ориентируемых в пространстве КА, в состав которых в качестве целевой аппаратуры предлагается ввести:

- средства обнаружения и определения орбит объектов КМ;

- средства захвата объектов КМ;

- средства хранения захваченных объектов КМ;

- радиотехнические средства приема команд управления работой целевой аппаратуры и передачи информации об объектах КМ, подлежащих удалению.

 В качестве средств обнаружения и определения параметров объектов КМ может быть использована бортовая оптико-радиолокационная система [7].

В качестве средств захвата в составе КА предлагается использовать неотделяемые и отделяемые средства захвата объектов КМ.

К неотделяемым средствам относится приемник мусора, с помощью которого осуществляется непосредственный захват объектов КМ и последующее их хранение.

Отделяемые (отстреливаемые) от КА средства захвата включают в себя:

1) гарпун, который после отстрела и попадания в объект КМ, захватывает его и позволяет космическому аппарату, с помощью буксирного троса, осуществить увод в заданный район ОНО;

2) копье с надувным тормозным устройством (НТУ), которое после отстрела и попадания в объект КМ, захватывает его, осуществляет приведение НТУ в рабочее состояние путем надувания газом тонкопленочной сферической емкости для увеличения миделя объекта КМ, позволяющего, при воздействии атмосферы ликвидировать объект при входе в плотные слои атмосферы.

Конструктивно установка отделяемого (отстреливаемого) средства состоит из гарпуна или копья и направляющего устройства, из которого производится его отстрел.

Рабочими элементами для этих средств являются:

- стрела – для захвата объекта и фиксации в нем;

- поворотные лапы или хлысты – для охвата пораженного стрелой объекта КМ;

- средство выдачи импульса движения – устройство, обеспечивающее полет отстреливаемого средства к объекту КМ;

- электрооборудование.

В состав элементов копья с НТУ, кроме перечисленного выше, входят:

- тонкопленочная сфера;

- баллон с газом для наддува сферы;

- клапан с редуктором давления.

В состав элементов гарпуна, входят:

- буксирный трос с катушкой;

- резак, перерезывающий трос после доставки объекта КМ в заданный район ОНО.

5. Тактика удаления космического мусора

Формирование программы работы специализированного КА по удалению космического мусора должно осуществляться с использованием данных СККП о положении объектов КМ, а также данных, полученных с приборов, входящих в систему навигации и ориентации большинства современных КА – приемника системы глобального позиционирования (ГЛОНАСС, GPS) и звездного датчика. Управление полетом КА должно осуществляться с наземного комплекса управления (НКУ).

Конкретные параметры орбиты выведения выбираются с учетом программы работы КА по удалению объектов КМ. Захват и удаление объектов КМ осуществляется в результате маневрирования КА как в плоскости орбиты, так и изменением наклонения плоскости орбиты или изменением положения восходящего узла орбиты.

Задача оптимизации маневрирования решается с точки зрения минимума энергетических затрат КА и затрат времени на проведение миссии.

В общем случае, для удаления объекта КМ с помощью выведенного на орбиту КА, предусматривается проведение следующих операций:

- введение данных НКУ в рабочую программу КА по орбитальному маневрированию с целью его доставки в район нахождения объектов КМ;

- проведение орбитальных маневров по доставке КА в район нахождения объекта КМ;

- обнаружение объекта КМ и определение его параметров орбиты;

- решение задачи выбора средства захвата цели;

- выдача корректирующих импульсов бортовой ДУ КА, позволяющей осуществить сближение КА с объектом КМ для его непосредственного захвата, или осуществления отстрела копья или гарпуна с определенного расстояния;

- захват объекта КМ непосредственно или отстреливаемым средством;

- после захвата объекта КМ – полёт КА в соответствии с рабочей программой.

Решение задачи выбора средства захвата цели (приемник мусора, гарпун или копье) определяется, прежде всего, размерами приемника, способного принять и разместить объект КМ.

Процесс захвата мусора предусматривает, при равенстве векторов круговых скоростей, увеличение скорости КА на ~0,1 м/с вдогон.

 

В случае если размеры объекта КМ не превышают размеры входного отверстия приемника мусора, при ускоренном движении КА, осуществляется “поглощение” объекта КМ приемником мусора.

Если размеры объекта КМ превышают размеры приемника мусора, выбираются отстреливаемые средства.

Применение отстреливаемых средств характеризуется тем, что после корректировки орбиты КА, при равенстве векторов круговых скоростей КА и объекта КМ, осуществляется сближение на расстояние 10 – 20 м путем выдачи импульсов бортовой ДУ.

Прицельный выстрел в объект КМ отделяемым средством производится со скоростью 20 – 50 м/с.

Необходимо отметить, что захват или поражение объектов КМ может производиться в узлах пересечения орбит КА и объекта мусора.

Отличительными особенностями применения отстреливаемых средств являются следующие.

Гарпун в составе КА является средством поражения, применяемым для захвата объекта КМ и дальнейшей транспортировки в зону захоронения или в плотные слои атмосферы с помощью ДУ КА, с последующей отцепкой буксирного троса для продолжения миссии КА.

Копье с НТУ в составе КА является средством поражения, применяемым для присоединения к объекту КМ надувной сферы с целью увеличения его баллистического коэффициента, позволяющего снизить продолжительность пребывания объекта КМ в ОНО.

Возможность обеспечения заданного (25-летнего) срока баллистического существования КО в ОНО определяется его баллистическим коэффициентом и высотой орбиты. При применении копья с НТУ для удаления объекта КМ, необходимо учитывать для данной высоты орбиты, как баллистический коэффициент объекта КМ, так и баллистический коэффициент НТУ. Рассчитанный совокупно для данной высоты орбиты баллистический коэффициент сборки «объект КМ + НТУ» позволит определить заданное значение срока баллистического существования.

Поскольку определение баллистического коэффициента объекта КМ, обращающегося на орбите, по разным причинам не всегда возможно (как по массе, так и по площади миделя), представляется целесообразным упростить его определение.

Баллистический коэффициент предлагается рассчитывать для НТУ с назначаемой для объекта КМ массой в обеспечение заданного срока пассивного существования. Применение такого метода расчета баллистического коэффициента НТУ с назначением массы объекта КМ, превышающей реальное значение, позволяет обеспечить 25-летний срок баллистического существования объекта КМ с временным запасом.

В Руководстве [5] и таблице 1 приведены расчетные данные, устанавливающие зависимость максимальной высоты круговой орбиты от баллистического коэффициента в обеспечение 25-летнего срока баллистического существования КО массой 1000 кг.

Предложенный метод и расчетные данные, приведенные в Руководстве, могут быть использованы для создания копья с НТУ, применяемым в составе КА, предназначенного для удаления объектов КМ из ОНО.

Таблица 1

Зависимость максимальной высоты круговой орбиты от баллистического коэффициента в обеспечение 25-летнего срока баллистического существования КО массой 1000 кг.

Баллистический коэффициент, м2/кг

Максимальная высота орбиты, км

0,01

640

0,02

696

0,04

756

0,08

820

При разработке копья с НТУ, в качестве материала сферы НТУ, может быть использована полиэтилентерефталатная пленка (ПЭТФ) [6] толщиной 100мкм, удельной массой 140г/м2. С учетом приведенных данных по материалу пленки сферы НТУ, для объекта КМ массой 1000 кг, могут быть определены диаметр сфер и масса НТУ. При этом, таблица 1 будет дополнена этими данными, – см. таблицу 2.

Данные, приведенные в таблице 2, дают представление о росте размеров и массы сферы НТУ, для удаления КО массой 1000 кг с высот, не превышающих 820 км, в обеспечение 25-летнего срока баллистического существования.

 

Таблица 2

Зависимость массы и диаметра сферы НТУ от максимальной высоты круговой орбиты и баллистического коэффициента в обеспечение 25-летнего срока баллистического существования КО массой 1000 кг.

Баллистический коэффициент, м2/кг

Максимальная высота орбиты, км

Диаметр сферы

НТУ м2

Масса сферы

НТУ, кг

0,01

640

3,6

5,6

0,02

696

5,1

11,2

0,04

756

7,1

22,4

0,08

820

10,2

44,8

6. Стратегия удаления космического мусора

Задачу очистки ОНО от техногенного мусора, явившегося следствием космической деятельности СССР и России, на основании предварительных оценок, представляется целесообразным осуществлять выведением специализированных КА на орбиту ракетами-носителями (РН) типа “Союз” с космодрома Плесецк, а в дальнейшем и с космодрома Восточный.

С космодрома Плесецк этой РН может осуществляться прямое выведение КА на орбиты со следующими наклонениями [7]: 62,8˚, 67,1˚; 72,9˚; 81,4˚; 82,3˚; 90,0˚; 97,0˚, что обусловлено разрешенными трассами полета. С космодрома Восточный в ближайшие годы можно будет осуществлять прямое выведение КА ракетами-носителями типа “Союз” на орбиты, начиная с наклонения 51˚.

Параметры орбиты выбираются с учетом программы работы КА по удалению объектов КМ.

С учетом неравномерной насыщенности мусором ОНО предлагается ввести разделение задач удаления мусора средствами, приданными рассматриваемому КА, по высотным шаровым слоям.

Слой А – в пределах высот от 300 до 800 км. Это наиболее засоренный шаровой слой.

При формировании программы полета необходимо предусмотреть выведение КА ракетой-носителем на самую высокую орбиту (в пределах слоя А).

Удаление или захват объектов КМ осуществляется приемником мусора и отстреливаемыми средствами.

С целью снижения засоренности слоя А, подлежат удалению и такие крупногабаритные объекты КМ, срок баллистического существования которых, согласно расчету, меньше 25 лет.

Копье оснащается сферой, диаметр которой, обеспечивает расчетное пребывание объекта КМ в “25-летней зоне”.

Гарпун осуществляет захват объекта КМ, с последующим расчетным снижением высоты орбиты с помощью бортовой ДУ и отцепкой от КА. Снижение высоты орбиты гарпуна осуществляется до заданной высоты, соответствующей вхождению в плотные слои атмосферы или до высоты, соответствующей “25-летней зоне” уводимого объекта КМ.

Последующий (после отстрела копья или гарпуна) сбор объектов КМ, подлежащих удалению, требует проведения орбитальных маневров КА согласно программе работы.

Завершение миссии, требует выдачу тормозных импульсов до полного израсходования запасов топлива в обеспечение гарантированного пребывания КА в “25-летней зоне”.

Слой В – в пределах высот от 800 до 1200 км.

Ограничение верхнего значения высоты вызвано тем, что в пределах высоты орбит 1200 км энергетически выгодным является увод космических объектов в плотные слои атмосферы.

Космические объекты, обращающиеся на более высоких орбитах энергетически выгодно уводить в зону захоронения.

При формировании программы полета необходимо предусмотреть выведение КА ракетой-носителем на наиболее высокую орбиту в пределах слоя B.

Удаление или захват объектов КМ в слое B осуществляется приемником мусора и, преимущественно, гарпуном.

Копье может иметь ограниченное применение, обеспечивая пребывание в “25-летней зоне” объекта КМ массой менее 1 т в пределах высоты орбиты 800-900 км.

Гарпун (аналогично приведенному в слое А) осуществляет захват объекта КМ, с последующим расчетным снижением высоты орбиты с помощью бортовой ДУ и отцепкой от КА. Последующий (после отцепки гарпуна) сбор объектов, подлежащих удалению, требует проведения орбитальных маневров КА в соответствии с программой работы. Для завершения миссии КА выводится на орбиту, соответствующую “25-летней зоне”, после чего предусматривается полное израсходование запасов топлива в обеспечение гарантированного пребывания КА в “25-летней зоне”.

Слой C – в пределах высот от 1200 до 2000 км.

Пределы слоя С определяются снизу (1200 км) – энергетически выгодным верхним пределом для увода КО в плотные слои атмосферы, сверху (2000 км) – нижней границей зоны захоронения.

В связи с этим, все объекты, подлежащие удалению из слоя С, уводятся в зону захоронения. Удаление или захват объектов КМ в слое С осуществляется приемником мусора или гарпуном.

Загарпуненные объекты подлежат уводу в зону захоронения, с последующей отцепкой буксирного троса.

Последующий (после отцепки гарпуна) сбор объектов, подлежащих удалению, требует проведения орбитальных маневров КА согласно программе работы.

Для завершения миссии КА выводится в зону захоронения, где выдачей разгонных импульсов расходуются все запасы топлива.

Слой BR – высоты от 800 до 900 км (значение высот подлежит уточнению).

Существование этого слоя (подслоя слоя B) связано с тем, что в этом диапазоне высот оказались радиоактивные фрагменты уводимых частей советских КА УС-А, УС-АМ и два КА “Плазма-А” с ЯЭС, подлежащие уводу в зону захоронения.

При формировании программы полета КА для удаления радиоактивных объектов КМ необходимо предусмотреть выведение КА ракетой-носителем на минимальную орбиту (в районе 800 км), с последующим ее повышением.

Захват или удаление объектов КМ в слое BR осуществляется приемником мусора или отстрелом гарпуна в объект КМ. После увода загарпуненного объекта КМ в зону захоронения, буксирный трос подлежит отцепке от КА.

Последующий (после отцепки гарпуна) сбор объектов, подлежащих удалению, требует проведения орбитальных маневров КА согласно программе работы.

Поскольку объекты КМ подлежат уводу в зону захоронения, для распознавания радиоактивных фрагментов, в состав КА вводятся радиометры.

Поиск и захват объектов КМ в слое BR на орбитах осуществляется в широтном поясе 65°с.ш. – 65°ю.ш. После завершения миссии КА выводится на орбиту захоронения, где осуществляется полное израсходование всех запасов топлива.

7. Конструктивный облик экспериментального КА

Очистку ОНО от КМ, предлагается осуществлять с использованием экспериментальных космических аппаратов, назовем их КА «Санитар» (рисунок 1), запускаемых на орбиты с разными наклонениями, для удаления космического мусора в шаровом слое А (300 – 800 км). Параметры орбит преимущественно выбираются по показателям наибольшего насыщения объектами КМ.

Конструктивно КА «Санитар» состоит из целевого и служебного модулей и разрабатывается так, чтобы в сложенном положении разместиться в зоне полезного груза РН «Союз».

Функционально в состав целевого модуля входят:

- комплекс удаления космического мусора (КУКМ) в составе:

1) блок управления комплексом (БУК);

2) бортовая оптико-радиолокационная система (БОРЛС);

3) приемник мусора;

4) установка гарпунов;

5) установка копий;

6) аппаратура запоминания и передачи информации (АЗПИ);

- электрооборудование;

- конструкция.

1

Функционально в состав служебного модуля входят:

- бортовой комплекс управления (БКУ);

- система электроснабжения (СЭС);

- жидкостная ракетная двигательная установка (ЖРДУ);

- система обеспечения теплового режима (СОТР) КА;

- электрооборудование;

- конструкция.

БКУ в своем составе содержит следующие системы:

1) бортовая вычислительная система (БВС);

2) бортовая система радиоуправления (БСР);

3) система управления движением (СУД);

4) бортовое синхронизирующее координатно-временное устройство (БСКВУ);

5) система спутниковой навигации (ССН);

6) система трансляции команд и распределения питания (СТКРП);

7) бортовая система телеметрических измерений (БСТИ).

Целевой модуль конструктивно состоит из трех последовательно состыкованных отсеков: юстировочного (ОЮ), специальной аппаратуры (ОСА), приемки мусора (ОПМ).

Служебный модуль конструктивно состоит из двух последовательно состыкованных отсеков: приборного (ПО) и агрегатного (АО).

КА создается таким образом, чтобы осуществлять орбитальный полет с ориентацией продольной оси по касательной к орбите, при этом, передний торец ОЮ совпадает с направлением полета.

В служебном модуле размещаются служебные системы. В ПО размещается аппаратура БКУ, приборы СЭС, агрегаты СОТР. В АО размещаются ЖРДУ, аккумуляторы СЭС. На боковой поверхности АО устанавливаются: радиатор-охладитель и панели солнечной батареи с приводами поворота.

ОСА предназначен для размещения аппаратуры КУКМ: БОК, электронной аппаратуры БОРЛС, АЗПИ.

Антенны, астродатчики и датчики ориентации устанавливаются на наружной поверхности корпуса КА.

ОПМ представляет собой цилиндрическую ферму длиной около 2200 мм, диаметром около 2150 мм. Задний торец ОПМ закрыт сферической крышкой, на внутренней поверхности которой установлен амортизатор для смягчения ударного воздействия объектов КМ на конструкцию отсека и КА в целом. Внутренняя поверхность ОПМ выложена многослойным матом из пленок ПЭТФ или материала типа кевлар. На наружной поверхности ОПМ размещаются установки отстреливаемых средств: 4 установки гарпунов и 4 установки копий.

Через переднее торцовое отверстие ОЮ, сформированное передним шпангоутом, производится захват объектов КМ.

На переднем шпангоуте устанавливаются поворотные заслонки с приводами, осуществляющие перекрытие входного отверстия отсека, а также чувствительные приборы БОРЛС.

Для ограничения перемещения и фиксации крупногабаритных объектов мусора в ОПМ, на внутренней поверхности, в радиальном направлении устанавливаются устройства задержания в виде длинного ворса.

 

Состав и массовая сводка КА создаются с учетом следующих особенностей:

- целевой модуль разрабатывается из создаваемых вновь аппаратуры, устройств и конструкции; масса гарпуна, согласно оценке, составляет 23 кг, масса копья с диаметром сферы 10,2 м составляет 74 кг, масса копья с диаметром сферы 5,1 м составляет 40,5 кг;

- конструкция служебного модуля, служебные системы, аппаратура и агрегаты заимствуются с доработкой из обеспечивающего модуля КА типа «Лотос»;

- подлежит доработке программно-алгоритмическое обеспечение СУД (заимствуемое из обеспечивающего модуля КА типа «Лотос»), с учетом требований по маневрированию КА при проведении операций, связанных с удалением объектов КМ.

Массовая сводка КА «Санитар» приведена в таблице 3.

Таблица 3 

Массовая сводка КА «Санитар»

Наименование системы, агрегата, аппаратуры

Масса, кг

Примечание

1 Комплекс удаления космического мусора

959

  1.1 БОРЛС

124

  1.2 БУК

21

  1.3 АЗПИ

28

В том числе, АФУ

  1.4 Приемник мусора

256

  1.5 Установка гарпунов, 4 шт.

124

  1.6 Установка копий, 4 шт.

254

Две установки массой по 80 кг, две установки массой по 47 кг

  1.7 Электрооборудование

26

  1.8 Конструкция

126

2 Служебный модуль

3580

3 Неучтенная масса

61

Итого

4600

Основные характеристики КА «Санитар» представлены в таблице 4.

 Таблица 4

Основные характеристики КА «Санитар»

Наименование характеристики

Значение характеристики

Примечание

1. Масса КА заправленного

4600

2. Тип ракеты-носителя

«Союз»

3. Космодром запуска

Плесецк

4. Максимальные значения параметров круговой орбиты:

- высота, км

- наклонение, градус

- период обращения, мин

800

62,8, 67,1; 72,9; 81,4; 82,3; 90,0; 97,0

100,7

Формирование круговой орбиты с доразгоном бортовой ЖРДУ

5. Масса топлива в ЖРДУ, кг

900

6. Количество операций по захвату мусора в сутки, не более

14

7. Средства удаления объектов КМ

  1. Приемник мусора
  2. Гарпун
  3. Копье с НТУ

8. Средневитковая выходная мощность СЭС, Вт, не более

1000

9.Точность ориентации КА, угл. минут, не более

15

Требования предъявляются только при по удалении мусора

10. Точность стабилизации КА, °/с, не более

0,005

11. Погрешность прогноза параметров движения КА в любой момент времени, км

0,2

По трем направлениям

12. Вероятность безотказной работы КА

0,9

13. Срок активного существования, лет, не менее

1

В орбитальном полете КА «Санитар» ориентируется по трем осям.

После выведения на орбиту, осуществляются коррекции орбиты с помощью бортовой ЖРДУ.

В результате коррекций КА оказывается в плоскости искомого объекта КМ, на расстоянии до нескольких километров от него. Затем производится сближение КА с объектом КМ на расстояние в несколько десятков метров. По результатам обработки данных БОРЛС принимается решение о способе захвата объекта КМ.

Если размер объекта КМ менее 2 м, он подлежит захвату приемником мусора.

Если размер объекта КМ более 2 м, он подлежит захвату отстреливаемыми средствами, причем, применение копья с НТУ является приоритетным. В других случаях крупногабаритные объекты КМ подлежат уводу с использованием гарпуна.

Связь КА с НКУ осуществляется для проведения навигационных измерений, сброса целевой и телеметрической информации, введения или корректировки рабочей программы.

Продолжительность активного функционирования КА «Санитар» определяется его конкретными задачами, запасом топлива и ресурсом бортовых систем. От этих показателей зависят так же состав и количество отделяемых средств удаления объектов КМ – гарпунов и копий.

Окончание срока активного существования КА «Санитар» должно завершаться следующим образом:

- выдачей тормозных импульсов бортовой ДУ, приводящей к введению КА в плотные слои атмосферы и ликвидации;

- пребыванием или введением КА в «25-летнюю зону», по истечении срока пребывания в которой – ликвидация в плотных слоях атмосферы.

Выводы

1. В данной статье проведено рассмотрение вопросов создания специализированных космических аппаратов для удаления техногенного космического мусора с низких (до 2000 км) орбит. Такие космических аппараты могут выводиться на орбиты с различным наклонением ракетой-носителем типа «Союз».

2. В обеспечение требований Межагентского комитета по космическому мусору и Национального стандарта РФ ГОСТ Р52925-2008 в материалах статьи рассматривалась возможность, с помощью специализированных космических аппаратов обеспечивать пассивное пребывание в течение не более 25 лет космических объектов, завершивших свою миссию в околоземном комическом пространстве.

3. Показано, что тактика захвата и удаления объектов космического мусора различного размера (от менее, чем 10 см до нескольких метров) требует применения следующих бортовых средств КА:

- приемника мусора, входное отверстие и вместимость которого обеспечивают прием и хранение объектов мусора ограниченного размера;

- гарпуна, который, после отстрела от КА в объект КМ, космическим аппаратом, с помощью буксирного троса, осуществляет транспортирование захваченного объекта на заданную орбиту;

- копья с надувным тормозным устройством, которое, после отстрела от КА и поражения объекта КМ, за счет увеличения баллистического коэффициента надувного тормозного устройства, под внешним воздействием, вводит объект КМ в плотные слои атмосферы.

4 Стратегия удаления техногенного мусора космическими средствами предусматривает разделение задач удаления мусора по следующим высотным шаровым слоям области низкоорбитальных орбит:

- слой А – в пределах высот от 300 до 800 км;

- слой В – в пределах высот от 800 до 1200 км;

- слой С – в пределах высот от 1200 до 2000 км;

- слой BR – в пределах высот от 800 до 900 км – слой низких орбит, в котором обращаются радиоактивные фрагменты КА, запущенные в 1970-х – 1980-х годах.

5. Предложен конструктивный проект экспериментального КА «Санитар», решающий задачи удаления КМ в слое А (300 – 800 км) и опирающийся в своем составе и конструкции на уже разработанные образцы КА.

Приложение А

Перечень принятых сокращений

АЗПИ

аппаратура запоминания и передачи информации

БВС

бортовая вычислительная система

БОРЛС

Бортовая оптико-радиолокационная система

БСКВУ

бортовое синхронизирующее командно-вычислительное устройство

БСР

бортовая система радиоуправления

БСТИ

бортовая система телеметрических измерений

ДУ

двигательная установка

ЖРДУ

жидкостная ракетная двигательная установка

КА

космический аппарат

КМ

космический мусор

КО

космический объект

НКУ

наземный комплекс управления

ОНО

область низкоорбитальных орбит

НТУ

надувное тормозное устройство

ОКП

околоземное космическое пространство

ПКМ

приемник космического мусора

РН

ракета-носитель

СОТР

система обеспечения теплового режима

ССН

система спутниковой навигации

СТКРП

система трансляции команд и распределения питания

СУД

система управления движением

СЭС

система электроснабжения

Приложение Б

Перечень используемой литературы

1. С.С. Вениаминов, А.М. Червонов. Космический мусор – угроза человечеству, УДК 629.76/.78-027.45: 502.17 ББК В716 К71

ISSN 2075-6836, Москва,2012.

2. В.Л. Иванов, В.А. Меньшиков, Л.А. Пчелинцев, В.В. Лебедев. Космический мусор. Проблема и пути ее решения, т.1, Москва, Патриот, 1996.

3. А/62/20 Руководящие принципы Организации Объединенных Наций по предупреждению образования космического мусора. – Резолюция 62-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН, 2007.

4. ГОСТ Р52925-2008 Национальный стандарт Российской Федерации. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства.

5. SMS Orbital/Sub-Orbital Hazard and Debris Mitigation User΄s Handbook.

6. ГОСТ 24234-80 Пленка полиэтилентерефталатная.

7. Бортовая оптико-радиолокационная система. М.В. Ермолаев и др.

Вестник Сиб. АУ им. Академика М.Ф. Решетнева – 2013 № 4 (50), с.167-172.

Материал поступил
в редакцию 27.09.2015г.