CC BY
157
УДК 629.78
В. И. ТРУШЛЯКОВ Е. А. ЮТКИН
Омский государственный технический университет Омское машиностроительное конструкторское бюро
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК СРЕДСТВ СПУСКА КРУПНОГАБАРИТНОГО КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА КАК ОПЕРАЦИИ ОБСЛУЖИВАНИЯ АППАРАТОВ НА ОРБИТЕ
Проведен анализ разрабатываемых средств и способов спуска крупногабаритного космического мусора как операции обслуживания космических аппаратов на орбите. На основе проведенного исследования систематизирована информация о разрабатываемых в США, странах Евросоюза, Японии, Китае и России, основных методах обслуживания объектов на орбите (стыковка, захват) и выделены основные подходы к решению возникающих при этом задач. Ключевые слова: засорение околоземного космического пространства, крупногабаритный космический мусор, стыковка с некооперируемыми объектами на орбите, обслуживание космических аппаратов на орбите.
Введение. Обслуживание космических аппаратов (КА) на орбите в последние годы приобретает все больший интерес не только у научного сообщества, но и организаций, занимающихся ракетно-космической деятельностью [1]. Данный интерес объясняется тем фактом, что процесс засорения околоземного космического пространства отработавшими КА в будущем может затруднить вывод новых КА на орбиту. К тому же, в случае возникновения нештатных ситуаций в процессе выведения КА на орбиту, с помощью сервисных КА может быть восстановлена работоспособность выводимого КА.
Процесс обслуживания КА на орбите включает следующие типовые операции:
— сближение и обследование пассивного космического аппарата (ПКА) активным космическим аппаратом (АКА);
— стыковка АКА с ПКА;
— проведение ремонтных работ на ПКА с помощью специализированных устройств (манипуляторов);
— дозаправка ПКА;
— транспортировка ПКА на орбиты утилизации или захоронения.
Таким образом, технологии обслуживания на орбите позволят не только восстановить работоспособность отработавших КА, но и сократить количество космического мусора на орбите.
Технологии обслуживания КА на орбите, прошедшие стадии летных испытаний. Впервые технология сближения и стыковки АКА ПКА, находящимся на орбите, с целью его обслуживания, была отработана Японским Национальным агентством
космических разработок (NASDA, ныне JAXA) [2-5].
В ноябре 1997 года на орбиту были выведены два КА: «Hikoboshi»-AKA и «Orihime» ПКА (рис. 1). ПКА имел массу около 400 кг и был выведен на круговую орбиту с высотой примерно 550 км.
АКА, массой 2,5 тонны, оснащался манипулятором, имеющим 6 степеней свободы и длину 2 м. После выведения на орбиту были выполнены две поставленные задачи:
— автоматическое сближение и стыковка АКА с ПКА;
— проведение работ по испытанию роботизированного манипулятора.
Информация, полученная в результате данных экспериментов, в будущем была применена при разработке космического транспортного корабля HTV.
Для отработки техники дальнего наведения в 2005 г. Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) был совершен запуск КА DART (рис. 2) [6-8].
Целью данной программы была отработка АКА технологии автономного поиска и сближения с ПКА на орбите, без непосредственного контроля с Земли. АКА DART был выведен на орбиту 15 апреля 2005 г. с помощью РКН «Пегас». АКА DART имел массу 360 кг, был снабжен системой видеонаблюдения и совместно с блоком выведения HAPS, снабженным двигательной установкой, должен был сблизиться с ПКА и провести работы по сближению, на финальной стадии планировалась демонстрация маневра уклонения от столкновения,
Рис. 1. Спутник ETS-VII
Рис. 2. Спутник DART на базе ВВС США «Vandenberg» в Калифорнии
выполненного в автоматическом режиме. ПКА служил спутник связи «Mublcom», имеющий массу 48 кг, но из-за неполадок с бортовым оборудованием DART столкнулся с ПКА и миссия была прервана, а проект не получил дальнейшего развития.
Наибольшего прогресса в области стыковки и КА на орбите достиг проект DARPA под названием OEDS [9-12].
Для проведения эксперимента было запущено два КА: ASTRO-AKA и NextSat — ПКА (рис. 3). Оба КА были выведены на орбиту в марте 2007 года РКН «Атлас-5» на круговую орбиту высотой 492 км. АКА ASTRO, массой 700 кг, оснащался манипулятором с шестью степенями свободы. Масса ПКА NextSAT — 224 кг.
На орбите были осуществлены следующие работы:
— первое автономное сближение с расстояния 7 км и захват объекта;
— первый «мягкий» (нулевые скорости на момент контакта) захват ПКА;
— первый автономный захват ПКА роботизированным манипулятором;
— первое автономное перемещение компонентов с одного КА на другой с помощью роботизированного манипулятора;
— первое автономное перемещение топлива с одного КА на другой.
На данный момент проект OEDS является наиболее успешной реализацией технологии сближения АКА с ПКА с последующим захватом ПКА и его обслуживанием.
Технологии, находящиеся в стадии наземной разработки. Немецкий Аэрокосмический Центр ведет разработки проекта под названием DEOS [13—14]. Планируется запуск АКА и ПКА (рис. 4) на круговую орбиту высотой около 550 км. По плану, АКА должен совершить сближение с ПКА и его захват с целью последующего обслуживания и, в случае необходимости, осуществить ПКА с орбиты. Запуск проекта планируется в 2018 году.
Японское космическое агентство JAXA ведет разработку мини-АКА, способного уводить с орбиты несколько целей. АКА после сближения с целью устанавливает на неё модуль с электродинамическим тросом и совершает маневр к следующей цели. За счет электродинамического троса орбита цели постепенно снижается до схода цели с орбиты [15].
Швейцарский космический центр также ведет разработку микроКА для захвата и увода объектов с орбиты [16—17]. Предполагается использование
Рис. 3. ASTRO и NextSAT на околоземной орбите
Рис. 4. АКА (справа) и ПКА (слева) проекта DEOS
Рис. 5. АКА CleanSpace One
Рис. 7. Схема КА EDDE
Рис. 8. Схема образования тяги КА EDDE
АКА размером 30х39х33 см массой около 30 кг, получившего название С1еапБрасеОпе (рис. 5). Целью для увода ПКА 8ш188СиЬеСиЬе8а1 (масса 1 кг). Предполагается разработка двух вариантов АКА: с одноразовым и многоразовым модулями захвата. Захват ПКА осуществляется по схеме, показанной на рис. 6.
Известны методы увода ПКА с орбиты с помощью использования электрической энергии, генерируемой в космическом пространстве [18]. ПКА ЕББЕ (рис. 7) имеет два устройства захвата, выполненных в виде сети. Находящийся на низкой околоземной орбите ЕББЕ с ПКА движется в поле тяготения Земли и окружен ионизированной плазмой. Солнечные батареи вырабатывают электричество, которое движется по длинным проводникам. При движении электричества в магнитном поле возникает сила Лоренца, действующая на объекты и используемая для увода объектов с орбиты (рис. 8).
Космическим агентством JAXA также проводятся работы в направлении использовании энергии ионного облучения с целью создания тяги для увода ПКА с орбиты [19]. Как показано на рис. 9, АКА оснащается двумя двигательными установками, вырабатывающими ионное облучение (двигатели А и Б). Двигательная установка А направлена в сторону ПКА, и за счет энергии вырабатываемого излучения ПКА приводится в относительное движение. Двигательная установка Б предназначена для движения АКА вслед за движущимся ПКА. Планируется применение данной технологии для увода крупных объектов массой 1-2 тонны (при массе АКА — 1 тонна).
Европейским космическим агентством предлагается схожая технология для увода ПКА с орбиты [20]. Различия состоят в том, что на АКА приводит ПКА в движение не за счет энергии ионного излучения, а за счет химической энергии горения гибридного топлива.
РКК «Энергия» предлагает использование АКА с ядерной установкой для утилизации отработавших КА [21]. АКА будет снабжен контейнером для сбора КА с целью их последующего сжигания либо транспортировки на безопасные орбиты.
Агентство NASA, с целью разработки техники и методов обслуживания спутников на орбите, а именно, их ремонта и дозаправки, проводит на Международной космической станции комплекс работ, получивших название RPM [22]. Эксперименты предусматривают проведение работ над специально разработанным и предварительно выведенным в открытый космос модулем RPM. Масса модуля 250 кг, он снабжен необходимыми интерфейсами и включает бак на 1,7 л жидкого этанола (для демонстрации возможности перекачки жидкости). Работы по обслуживанию осуществляются роботизированным манипулятором «Dextre» (рис. 10).
Программа КНР по обслуживанию КА на орбите CESSORS предполагает использование АКА, снабженного роботизированным манипулятором. Планируется вывод АКА на орбиту, сближение с ПКА,
б)
Рис. 9. Увод ПКА за счет энергии ионного излучения: а) схематическая демонстрация принципов работы технологии; б) художественная демонстрация технологии
его облет и осуществление операций обслуживания с помощью манипулятора [23].
Исследования, проводимые в Омском государственном техническом университете. ОмГТУ совместно с университетами Италии проводит исследования технологии увода ПКА за счет АКА, имеющего двигательную установку на гибридном топливе [24].
Миссия по уводу ПКА включает стадии выбора ПКА для увода, сближения с выбранным ПКА, захват ПКА с последующим уводом.
Имеет место широкое распространение методов буксировки ПКА на основе использования тросовых систем. АКА снабжается устройством захвата, связанным с АКА посредством троса [25 — 27]. После захвата ПКА связка «ПКА — трос — АКА», за счет тяги двигательной установки АКА, совершает маневр увода с орбиты. Реализация проекта показана на рис. 11. Разработки данной технологии ведутся параллельно Европейским аэрокосмическим и оборонным концерном (ЕАЭБ АзШиш), Колорадским университетом (США), ОмГТУ.
Рис. 12. Образование связки «ПКА+КМБ+АКА»
Предложенный ОмГТУ способ стыковки АКА и ПКА [28 — 30] является сочетанием нескольких известных в настоящее время методов. АКА, снабженный космическим микробуксиром (КМБ) выводится в окрестность ПКА. КМБ, связанный с АКА тросом, совершает маневр к ПКА и осуществляет с ним стыковку. Далее, за счет тросовой системы, производится стягивание АКА, КМБ и ПКА в одну связку и увод за счет двигательной установки АКА образовавшейся связки с орбиты. Этапы образования связки «АКА + КМБ + ПКА» показаны на рис. 12.
В [27] сформулированы общие требования по выбору последовательности увода ПКА на основе сравнения критерия, например, вероятности столкновения ПКА с другими космическими объектами, для каждого ПКА. Компенсацию накопленных ошибок параметров движения АКА при предыдущих маневрах, а также системы целеуказания распределяют между корректирующими импульсами АКА на этапе дальнего наведения и на участке самонаведения.
Выводы
1. Спуск КА с орбиты рассмотрен как один из этапов обслуживания КА на орбите, которому предшествуют стыковка, захват, дозаправка и ремонт.
2. Выделены базовые технологии, разрабатываемые за рубежом, в том числе использование раз-
личных двигательных установок для осуществления маневров в космическом пространстве и использование роботизированных манипуляторов, как основного элемента при ремонте и дозаправке КА на орбите.
3. Рассмотрены технологии, разрабатываемые в России, в том числе в ОмГТУ.
4. Сформулировано направление разработок, главной целью которого является проведение моделирования завершающей стадии обслуживания на орбите — стадии спуска КА.
Библиографический список
1. Шохов, Г. В. Средства выведения нового поколения для реализации космических программ, связанных с обслуживаемым космосом // Космонавтика и ракетостроение. — 2013. — № 2 (71). - С. 78-82.
2. Oda, M. Space robot experiments on NASDA's ETS-VII satellite-preliminary overview of the experiment results // Robotics and Automation, 1999. Proceedings. 1999 IEEE International Conference on (Vol. 2). - P. 1390-1395.
3. Kazuya Yoshida. ETS-VII flight experiments for space robot dynamics and control // Experimental Robotics - VII. - 2001. -P. 209-218.
4. Kasai, T., Oda M., Suzuki T. Results of the ETS-VII mission, rendezvous docking and space robotics experiment // Proceedings of 5th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics
and Automation in Space (i-SAIRAS), Noordwijk, Netherlands, 1999.
5. ETS-VII chaser/target (Orihime, Hikoboshi) — Guenter's Space Page [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http:// space.skyrocket.de/doc_sdat/ /ets-7.htm (дата обращения: 13.05.2015).
6. NASA, NESC Review of demonstration of autonomous rendezvous technology (DART) mission mishap investigation board review (MIB). Document # RP-06-119, Version 1.0, December 2006 [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www. nasa.gov/pdf/167813main_RP-06-119_05-020-E_DART_Report_ Final_Dec_27.pdf (дата обращения: 13.05.2015).
7. DART — Guenter's Space Page [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://space.skyrocket.de/doc_sdat/dart.htm (дата обращения: 13.05.2015).
8. MUBLCOM — Guenter's Space Page [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://space.skyrocket.de/doc_sdat/ mublcom.htm (дата обращения: 13.05.2015).
9. Christopher R. Randall, Bradley S. Porter, Catherine Stokley, Kenneth Epstein. NextSat on-orbit experiences // Proceedings of Sensors and Systems for Space Applications II, Orlando, FL, March 16, 2008.
10. Mulder, T. Orbital express autonomous rendezvous and capture flight operations, Part 1 of 2 and Part 2 of 2 // Proceedings of AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit, 18-21 August, 2008, Honolulu, Hawaii.
11. ASTRO — Guenter's Space Page [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://space.skyrocket.de/doc_sdat/astro.htm (дата обращения: 13.05.2015).
12. NEXTSat/GSC — Guenter's Space Page [Электронный ресурс]. —Режим доступа : http://space.skyrocket.de/doc_ sdat/nextsat.htm (дата обращения: 13.05.2015).
13. Sellmaier F., Boge T., Spurmann J., Gully S., Rupp T., and Huber F. On-orbit servicing missions: Challenges and solutions for spacecraft operations // Proceedings of SpaceOps 2010 Conference, Huntsville, Alabama, USA. Pittsburgh, PA.
14. Reintsema D., Thaeter J., Rathke A., Naumann W., Rank P. and Sommer J. DEOS The German Robotics Approach to Secure and De-Orbit Malfunctioned Satellites from Low Earth Orbits // Proceeding of the Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS), Sapporo, Japan, 2010.
15. Nishida S., Kawamoto S., Okawa Y., Terui F., Kitamura S. Space debris removal using a small satellite // Proceedings of 57 th International Astronautical Congress (AIAA), Valencia, Spain, 2006.
16. CleanSpace One gripper report, 2003 [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://infoscience.epfl.ch/ record/188245/files/DEMES GRIPPER report - Irina.pdf (дата обращения: 13.05.2015).
17. Richard M., Kronig L., Belloni F., Rossi S., Gass V., Paccolat C., Thiran J. P., Araomi S., Gavrilovich I., Shea H. Uncooperative rendezvous and docking for MicroSats // Proceedings of 6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, Istanbul, Turkey, 2013.
18. Pearson J., Caroll J., Levin E. Active debris removal: EDDE, the ElectroDynamic Debris Eliminator // Proceedings of Space Manufacturing 14: Critical Technologies for Space Settlement. Mountain View, CA, 2010.
19. Kitamura S., Hayakawa Y., Kawamoto S. A reorbiter for GEO large space debris using ion beam irradiation // Proceedings of 32nd International Electric Propulsion Conference. Wiesbaden, Germany, 2011.
20. Lavagna M., Benvenuto R., De Luca L., Maggi F., Tadini P., Graziano M. Contact-less active debris removal: the hybrid
propulsion alternative // Proceedings of 5th European Conference for Aerospace Sciences, Munich, 2013.
21. Вести.ru: «Энергия» разрабатывает ядерный утилизатор космического мусора [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.vesti.ru/ /doc.html?id = 325040 (дата обращения: 21.05.2015).
22. Satellite Servicing Capabilities Office [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://ssco.gsfc.nasa.gov/index.html (дата обращения: 17.05.2014).
23. Liang B., Li C., Xue L. J. [et. al.] A Chinese small intelligent space robotic system for on-orbit servicing // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, 2006.
24. De Luca L. T., Bernelli F., Maggi F., Tadini P., Pardini C., Anselmo L., Grassi M., Pavarin D., Francesconi A., Branz F., Chiesa S., Viola N., Bonnal C., Trushlyakov V., Belokonov I. Active space debris removal by a hybrid propulsion module // Acta Astronautica. — 2013. — Vol. 91. — P. 20 — 33.
25. Clerc X., Retat I. Astrium vision on space debris removal // Proceedings of 63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy, 2013.
26. Lee E., Jasper Z., Seubert Carl R., Schaub Hanspeter, Trushlyakov V., Yutkin E. Tethered tug for large low earth orbit debris removal // Proceedings of AAS/AIAA Astrodynamics Specialists Conference, Charleston, South Carolina, 2012.
27. Aslanov V., Yudintsev V. Dynamics of large space debris removal using tethered space tug // Acta Astronautica. — 2013. — Vol. 91. — P. 149—156.
28. Пат. 2521082 Российская Федерация, MnKB64G 1/64. Способ стыковки космических аппаратов / Трушляков В. И., Юткин Е. А., Макаров Ю. Н., Олейников И. И., Шатров Я. Т. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2012136164/11 ; заявл. 21.08.2012 ; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18. — 10 с.
29. Пат. 2531679 Российская Федерация, МПК B64G 1/64. Способ очистки орбиты от космического мусора / Трушля-ков В. И., Макаров Ю. Н., Олейников И. И., Шатров Я. Т. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2012136161 ; заявл. 28.08.2012 ; опубл.: 27.10.2014, Бюл. № 30.
30. Пат. 2490183 Российская Федерация, МПК B64G1/64, F42B15/36. Стыковочное устройство КА / Трушляков В. И., Юткин Е. А., Тютебаев Т. Т., Макаров Ю. Н., Шатров Я. Т ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2012108867/11 ; заявл. 07.03.12 ; опубл. 20.08.13, Бюл. № 23.
31. Пат. 2462399 Российская Федерация, МПК B64G1/00. Способ увода космического мусора с орбит полезных нагрузок на основе использования отделившейся части ракеты-носителя, разгонного блока и устройства для его реализации / Труш-ляков В. И., Куденцов В. Ю., Шатров Я. Т., Макаров Ю. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 201011972/11 ; заявл. 18.05.10 ; опубл. 27.09.12, Бюл. № 27.
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры авиа- и ракетостроения Омского государственного технического университета.
ЮТКИН Евгений Алексеевич, инженер-конструктор III категории ОАО «Омское машиностроительное конструкторское бюро». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 08.06.2015 г. © В. И. Трушляков, Е. А. Юткин
