Оценка массовых характеристик и времени работы космических мусоросборщиков с ЭРД, выводимых на орбиту различными ракетами-носителями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.78

Л. Г. Дубовик, канд. техн. наук А. И. Кондратьев, канд. техн. наук П. Г. Хорольский, канд. техн. наук А. В. Хитько

Национальный университет им. Олеся Гончара, г. Днепропетровск

ОЦЕНКА МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВРЕМЕНИ РАБОТЫ КОСМИЧЕСКИХ МУСОРОСБОРЩИКОВ С ЭРД, ВЫВОДИМЫХ НА ОРБИТУ РАЗЛИЧНЫМИ РАКЕТАМИ-НОСИТЕЛЯМИ

В статье представлен расчетный анализ удельных массовых и временных характеристик способа очистки околоземного космического пространства путем применения специального космического аппарата — мусоросборщика (МС), снабженного электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ). При этом для создания мусоросборщиков исследовались энергетические возможности ракет-носителей (РН) разработки США, Франции, России и Украины в широком диапазоне по грузоподъемности от 12 до 30 т. Предложен маневр, выполняемый МС при своем функционировании: вывод МС с помощью РН и разгонного блока на требуемую высокую орбиту и циклическое движение с высокой орбиты на низкую и обратно. Даны рекомендации по возможным массовым характеристикам МС и времени работы ЭРДУ.

Космический мусор, мусоросборщик, пассивный улавливающий элемент, круговая орбита, ракета-носитель, разгонный блок, ЭРД

Введение

Космический мусор (КМ) — это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые не функционируют, но представляют опасность для действующих космических аппаратов и орбитальных станций.

В статье рассмотрен один из способов удаления КМ с применением специального космического аппарата (КА) — мусоросборщика (МС), снабженного электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) [1]. Целью данной работы является оценка массовых и временных характеристик МС в зависимости от энергетических возможностей некоторых наиболее мощных ракет-носителей (РН), используемых для выведения МС на необходимую орбиту.

1 Формулирование проблемы

В основном КМ сконцентрирован на высотах от 850 до 1500 км. КМ распределен по орбитам слоями [2]. На первом поясе (850-1200 км) движется огромное количество метеорологических, военных, научных спутников и зондов. На низких околоземных орбитах высотой до 2000 км масса КМ составляет ~ 5000 т и находится несколько сотен активных и более 2500 уже недействующих спутников. Второй пояс находится в районе геостационарной орбиты. По состоянию на июль 2006 г. там находилось около 800 объектов. Каждый год к ним присоединяются 20-30

новых станций. Сейчас по оценкам экспертов в космосе летает свыше двух мегатонн КМ.

В результате образования КМ и его дальнейшего накопления возникла опасность столкновения с ним как действующих КА, так и вновь запускаемых, а также опасность столкновения с Международной космической станцией (МКС). Известно, что МКС уклоняется от столкновений с крупными объектами КМ с регулярностью несколько раз в год. Есть опасность падения на Землю несгоревших остатков крупногабаритного КМ со всеми вытекающими последствиями. Поэтому актуальность космической задачи обеспечения безопасности космических полетов и снижения опасности для Земли от КМ растет.

В настоящее время существует несколько идей по борьбе с КМ, в том числе создание специального космического аппарата — мусоросборщика, снабженного электроракетной двигательной установкой [1].

2 Решение проблемы

В развитие способа борьбы с КМ, предложенного в [1], с целью накопления необходимой информации, которую можно использовать при реализации этого способа, предлагается провести анализ энергетических возможностей существующих тяжелых РН, снабженных разгонными блоками (РБ) для выведения МС на необходимую орбиту. В качестве РН рассмотрен ряд

© Л. Г. Дубовик, А. И. Кондратьев, П. Г. Хорольский, А. В. Хитько, 2010 - 20 -

ракет-носителеи с грузоподъемностью не менее 12 т на круговоИ орбите высотоИ 200 км [3].

Предлагается следующий маневр выведения и эксплуатации МС для улавливания КМ. С помощью РН МС выводится на орбиту высотоИ 200 км. После чего на требуемую «высокую» орбиту МС довыводится РБ. Затем разворачивается пассивныИ улавливающиИ элемент для улавливания космического мусора (ПУЭ). Включается тормозная ЭРДУ и высота орбиты уменьшается до «низкоИ». По мере уменьшения высоты орбиты ПУЭ захватывает как мелкиИ КМ (размер частиц от 1 до 10 см), так и крупногабарит-ныИ КМ или снижает их скорость. После снижения скорости МС переводится на более «низкую» орбиту, и КМ сгорает в атмосфере Земли. Тормозная ЭРДУ отключается и включается разгонная ЭРДУ. МС постепенно переходит на «высокую» орбиту. После этого разгонная ЭРДУ отключается и снова включается тормозная. Цикл «спуск-подъем» повторяется до выработки рабочего тела ЭРДУ. Благодаря низкоИ тяге ЭРДУ движение МС происходит медленно и очень долго. Вследствие этого целевая эффективность рассмотренного способа улавливания КМ ожидается высокоИ из-за большого времени контакта с КМ.

«Высокая» орбита выбрана круговоИ высотоИ 1200 км, «низкая» орбита — также круговоИ высотоИ 500 км. РБ и обтекатель от РН не отделяются, чтобы не добавлять в космосе крупногабаритного КМ. Их пассивная масса после выработки топлива учитывается при расчете характе-ристическоИ скорости при снижении МС от 1200 до 500 км и подъеме с 500 до 1200 км.

Оценка массовых характеристик МС и времени работы ЭРДУ проводились по методике, раз-работанноИ в ДНУ. Критерием оценки являлось

отношение МПН /ММС , где МПН — масса по-

лезноИ нагрузки (ПН), в качестве котороИ рас-

сматривалась масса ПУЭ с устроИствами крепления, развертывания в космосе и удержания его

при эксплуатации МС в космосе; ММС — масса МС без массы обтекателя и сухоИ массы разгонного блока.

В проведенных расчетах форма ПУЭ предполагалась в виде шара радиусом R. Масса шара варьировалась в пределах от 2260 до 16080 кг, а радиус — от 30 до 80 м.

Характеристики РН и масса МС приведены в таблице 1.

Характеристическая скорость Ж перехода с «высокоИ» орбиты на «низкую» и обратно определялась по формуле:

W = V01 1 - —

где гк = ; г0

У0 — круговая скорость МС на «высокоИ» орбите;

гк — радиус «высокоИ» орбиты;

г0 — радиус «низкоИ» орбиты.

Запас топлива ЭРДУ Мт, , расходуемыИ на переход как на «высокую» орбиту, так и на «низкую», определяется по формуле:

MTi = MМС;

1-

1

W /1,,

где ММС, — начальная масса МС (включая сухую массу РБ) при спуске с «высокоИ» на «низкую» орбиту или при подъеме с «низкоИ» на «высокую» в каждом цикле;

1уд — удельныИ импульс тяги ЭРДУ.

Таблица 1 — Характеристики РН

г

к

_ Г

e

Название РН Разработчик Грузоподъёмность на высоте 200 км, кг Масса МС, кг

Зенит-2 Украина 13000 10674

Тйап-405А США 13400 11168

Titan-403A США 17700 14752

Atlas-5(521) США 15080 12568

Arian-5G Франция 19450 16210

Atlas-5(551) США 20520 17102

Протон-М Россия 21000 17502

Delta-4H США 24000 20002

Space Shuttle США 28800 24002

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №1/2010

- 21 -

В каждом цикле движения МС запас топлива определяется по этой же формуле, но с учетом

уменьшения ММС, в предыдущем цикле за счет

выработки топлива. Остающийся запас топлива ЭРДУ для следующих циклов движения «спуск-подъем» и обратно определяется из уравнения баланса массы МС при задании конкретного значения массы МПН :

ММС = МСПУ +МД+МСА + МЭУ + +МСХПТ + МК + МТ + МПН.

При задании ПН в виде шара МПН определяется радиусом шара R в идеальном случае конструктивного исполнения (масса элементов крепления ПУЭ, его развертывания и удержания на орбите также включается в МПН ). В этом случае

МПН = 4pR 28,

где 8 — толщина оболочки шара (задавалась равной 0,2 кг/м2 согласно [4]).

Количество циклов движения МС определялось по достижению количества оставшегося топлива, недостаточного для совершения следующего цикла.

Массы постоянных членов в уравнении баланса принимались следующими:

- системы преобразования и управления

Мспу — 10 кг;

- двигателей М д — 10 кг;

- служебной аппаратуры М CA — 260 кг [5]. Массы переменных членов определялись по

соответствующим формулам:

- энергоустановки МЭУ = аЭУ • N , где аЭУ = = 50 кг/кВт, N — мощность, потребляемая двигателями ЭРДУ;

- системы хранения и подачи топлива в ЭРДУ

МСХПТ=аб мт ; a б =0,15

- элементов конструкции МС

МК = 0,1(МД +МСХПТ+МЭУ + МСПУ).

На рис. 1 приведены зависимости отношения МПН /MМС от Мо , на рис. 2 — зависимости числа циклов n «подъем-спуск» и обратно от М0 , а суммарное время работы ЭРДУ Т от М0 приведено на рис. 3; где М 0 — масса полезного груза, выводимого РН на орбиту высотой 200 км.

Из графиков на рис. 1 видно, что при постоянной массе ПН удельный вес полезной нагрузки в массе мусоросборщика при росте грузоподъемности РН уменьшается. Например, при значе-

Мпн/Ммс 1 -

О -1-1-1-

10 15 20 25 30

Mfl, т

Щ- R-3Q м R=40 м -"- R-50 м

R-60 м -*- R=70 м -»- R-S0 м

Рис. 1. Зависимость относительной полезной нагрузки МС от грузоподъемности РН для различных размеров ПУЭ

Рис. 2. Зависимость количества циклов движения МС от грузоподъемности РН для различных размеров ПУЭ

10 15 20 25 30

Ма, т

R-30 м -г*- R-40 м -"- R-50 м R=60 м —R-70 м R-8C м

Рис. 3. Зависимость времени работы МС от грузоподъемности РН для различных размеров ПУЭ

нии радиуса шара 30 м отношение МПН /ММС уменьшается почти в два раза при увеличении грузоподъемности также в два раза. Из графиков на рис. 2—3 следует, что при постоянноИ массе ПН количество циклов «спуск-подъем» и обратно, а также суммарное время работы с увеличением грузоподъемности растут. Например, при массе ПН, соответствующеИ значению радиуса шара 30 м рост п составляет почти 1,4 при увеличении грузоподъемности в два раза, однако увеличение времени работы составляет всего 1,1 раза. Но при массе МПН , соответствующеИ радиусу шара 80 м, рост Т составляет почти 1,5 раза.

Заключение

Анализируя результаты расчетов, можно сделать следующие выводы.

1. При значениях грузоподъемности РН менее 12 т создание МС затруднительно:

МПН /ММС достигает, например, всего 0,2 и менее при ПН, соответствующеИ R = 30 м.

2. Возможно создание эффективного МС при относительно небольших величинах грузоподъемности и массы ПН за счет более оптимального соотношения МПН / ММС, увеличения числа циклов «спуск-подъем» и обратно и времени работы МС.

Перечень ссылок

1. Шевцов А. В. Мелкий космический мусор. Анализ развития и способы борьбы / А. В. Шевцов, А. С. Макарова // Космчна наука i технолопя. Додаток до журналу. — Д. : ДНУ, 2002. — Т. 8, № 1. — С. 176—179.

2. Микиша А. Н. Загрязнение космоса / А. Н. Мики-ша, Л. В. РЬжлова, М. А. Смирнов // Вестник РАН. — 2001. — Т. 71, № 1. — С. 26—31.

3. Isakowitz S. J. International Reference Guide to Space Launch Systems. Second Edition / S. J. Isakowitz. — Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1991. — 341 p.

4. Alpatov A. P. Space vehicle with electric thruster for gathering fine space debris / [A. P. Alpatov, V. P. Gusyning, N. N. Slunayev, A. V. Khitko] // Proc. 50-th Int. Astronaultical congress. — Glasgow, Scotland, 2008.

5. Konstantinov M. The analysis of influence of electrical propulsion characteristics on efficiency of transport maneuvers / M. Konstantinov // The 30-th International Electrical Propulsion Conference, 17-20 September 2007. — Florence, Italy, 2007. — JEPC-2007-212. — 18 р.

Поступила в редакцию 14.10.2009

L. G. Dubovik, A. I. Kondratiev, P. G. Horolsky, A. V Khitko

EVALUATION OF MASS CHARACTERISTICS AND OPERATING TIME OF SPACE GARBAGE COLLECTORS WITH ELECTRIC PROPULSION, PUT INTO ORBIT BY DIFFERENT CARRIER ROCKETS

У cmammi наведено розрахунковий анализ питомих масових та часових характеристик способу очищення навколоземного космiчного простору шляхом застосування спе-щалъного космiчного апарата — смттезбиралъника (СЗ), спорядженого електроракет-ною рушшною установкою (ЕРРУ). При цъому для створення смттезбиралъни^в дослi-джувалисъ енергетичш можливостiракет-носИврозробки США, ФранцИ, РосИ та Украх-ни в широкому дiaпaзонi вaнтaжопiдйомностi вiд 12 до 30 т. Запропоновано маневр, який виконуе СЗ при своему функцюнуванш: виведення СЗ за допомогою РН i розгтного блока на потрiбну високу орбту й ци^чний рух з високоХ орбти на низъку й зворотно. Надано рекомендации щодо можливих масових характеристик СЗ та часу роботи ЕРРУ.

Космгчне смття, збгрник смття, пасивний елемент, що уловлюе, кругова op6ima, ракета-носш, розгтний блок, ЕРД

The article presents calculation analysis of specific mass and time characteristics of the method of near-Earth environment cleaning by means of special space vehicle — garbage collector (GC) equipped with electric propulsion system (EPS). There is analyzed power potential of carrier rockets (CR) designed in the USA, France, Russia and Ukraine having wide range of load-carrying capacity from 12t to 30t for the development of garbage collection system. There was proposed GC operation maneuver: garbage collectors will be put into the specified high orbit by carrier and upper-stage rockets and cyclically move from the high orbit to the low one and back. There are given recommendations about possible GC mass characteristics and EPS operating time.

Space garbage, garbage collector, passive collecting element, circular orbit, carrier rocket, upper-stage rocket, EP

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №1/2010

— 23 —