CC BY
50Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
УДК 629.78
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБОРЩИКА КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА БАЗЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО РАЗГОННОГО БЛОКА
М. Д. Евтифьев, В. В. Тимофеев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
На материалах из открытых источников делается анализ и рассматриваются варианты использования одного из отечественных разгонных блоков для сбора космического мусора в виде отработавших свой срок космических аппаратов на геостационарной орбите.
Ключевые слова: разгонный блок, космический мусор, космический сборщик мусора, манипулятор, геостационарная орбита, орбита захоронения, двигательная установка.
DESIGNING OF THE COILECTOR OF SPACE WASTE ON THE BASIS OF THE DOMESTIC UPPER BLOCK
M. D. Evtifiev, V. V. Timofeev
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. Е-mail: [email protected]
Based on materials from the open sources the analysis is done and versions of using one of domestic upper blocks to collect space waste such as overage space vehicles in geostationary orbit are considered.
Keywords: the upper block, space waste, space garbage collector, the manipulator, geostationary orbit, disposal orbit, propulsion system.
Космический мусор (КМ) - искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям [1].
За последние 57 лет на разные орбиты вокруг земли было выведено огромное число разных космических объектов (КО), в результате этого образовалось большое количество КМ, который оказывает существенное влияние на безопасность вновь запускаемых КО и находящихся в эксплуатации космических аппаратов (КА), поэтому очистка космического пространства в настоящее время является актуальной задачей.
На орбитах вокруг Земли вращаются около 22 % объектов, которые прекратили свое функционирование (отработанные КА), 17 % - отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей (РН) и около 55 % - отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. С каждым годом эта статистика меняется [1].
Отработавшие КА и РН, особенно на высоких орбитах, сильно увеличивают долгосрочный потенциал будущих столкновений, поэтому с ними надо бороться в первую очередь.
Необходимость мер по уменьшению интенсивности техногенного засорения космоса становится понятной при рассмотрении возможных сценариев освоения космического пространства в будущем. Существуют оценки, так называемый «каскадный эффект», который в среднесрочной перспективе может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц КМ. Са-
мыми проблемными являются низкие околоземных орбиты (НОО) и геостационарные орбиты (ГСО). Ученые предполагают, что после 2055 г. процесс саморазмножения остатков космической деятельности человечества станет серьёзной проблемой [1].
Для решения проблемы мусора предлагаются проекты КА для сбора мусора на всех орбитах. В данной статье рассматривается направление по проектированию сборщика мусора на ГСО, где в основном работают КА связи, являющиеся востребованными и имеющими большие массогабаритные параметры. На этой орбите наиболее опасными являются большие объекты, к которым относятся отработавшие КА и разгонные блоки (РБ). Они являются основной причиной, наиболее увеличивающей число КМ при их деградации.
В качестве наиболее простой и надежной основы для космического сборщика мусора (КСМ) на ГСО можно предложить эксплуатируемые отечественные РБ, которые имеют существенные положительные преимущества перед другими вариантами (например, разработка специального КА-мусорщика и т. д.): отработаны, обладают большой надежностью, не требуют значительных изменений в конструкциях, меньшие временные и финансовые затраты на разработку и введение в эксплуатацию.
Наиболее важными параметрами при выборе РБ являются: количество включений его двигательной установки (ДУ), ресурс ДУ, суммарный импульс ДУ, время функционирования, запас топлива.
Из экономических, политических и стратегических соображений были выбраны только отечественные РБ [2].
Решетневскуе чтения. 2014
Рис. 1. Зависимость количества запусков ДУ от РБ
Рис. 2. Космический сборщик мусора: 1 - РБ «Фрегат-М»; 2 - опорная ферма; 3 - солнечные батареи; 4 - сустав с электродвигателем; 5 - палец; 6 - отверстия герметичных отсеков для видеокамер, лазерных дальномеров, осветительных приборов
Рис. 3. Схема рабочего цикла космического сборщика мусора (компланарные маневры
по полуэллипсам Гоманна): а - с орбиты большего радиуса на орбиту меньшего радиуса; б - с орбиты меньшего радиуса на орбиту большего радиуса
По диаграммам (рис. 1) видно, что наибольшее число включений маршевой ДУ у РБ «Икара», на втором месте РБ «Фрегат».
Для космического мусорщика по ряду технических параметров больше подходит РБ «Фрегат», так как потенциально может функционировать 48 ч, компактно скомпонован под головным обтекателем, что позволяет легко увеличить запас топлива (дополнительные топливные баки) и установить устройство сбора мусора. Также его преимуществом является то, что для управления разгонным блоком по каналам курса и тангажа на активных участках полета маршевый двигатель установлен в механизм плоскопараллельного перемещения, который приводится в действие электрогидравлическими рулевыми машинами. Такая конструкция обеспечивает независимость управляющего момента от продольной центровки полезной нагрузки (в данном случае пойманного КМ) [2].
Для механизмов, осуществляющих захват и закрепление КМ, на РБ можно использовать современные разработки в робототехнике (руку-монипулятор, механические захваты в виде лепестков с дополнительными фиксаторами и т. д.). Разработанный КСМ будет собирать КМ до полного заполнения, после чего отправится на орбиту захоронения, где оставит собранный КМ и повторит предыдущие операции несколько раз (зависит от реального состояния) до израсходования топлива при нахождении на орбите захоронения.
На рис. 2 и 3 показаны соответственно КСМ и его рабочие циклы.
Библиографические ссылки
1. Вениаминов С. С. Космический мусор - угроза человечеству. М. : Ин-т космич. исслед. Рос. акад. наук, 2013. 208 с.
2. Современные отечественные ракеты-носители. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие / М. Д. Ев-тифьев, Л. А. Ковригин, В. В. Кольга, Л. Н. Лебедева, В. В. Филатов ; СибГАУ. Красноярск, 2005. 144 с.
References
1. Veniaminov S. S. Space debris - a threat to mankind. S. S. Veniaminov; M. : Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, 2013. 208 р.
2. Modern domestic launch vehicles. Rocket and space technology: Proc. manual / M. D. Evtifiev, L. A. Kovrigin, V. V. Kolga, L. N. Lebedev, V. V. Filatov ; SibSAU. Krasnoyarsk, 2005. 144 p.
© Евтифьев М. Д., Тимофеев В. В., 2014
