CC BY
20
УДК 629.73:504.61
ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАКЕТ НА ЖИДКИХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА НА ОКОЛОЗЕМНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО
II АНАЛИЗ ИМЕЮЩИХСЯ ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ
А. С. Анопка
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Аннотации - В статье раскрывается проблема воздействия в а околоземное космическое пространство отделяемы! элементов ракетоносителей п космических аппаратов на самовоспламеняющихся компонентах топлпва; представлены существующие методы решения проблемы, проводимые исследования в данной области различными организациями.
Ключ ее ые слова: самовоспламенявшиеся топлива, космический мусор, околоземное космическое пространство.
I ВВЕДЕНИЕ
В настоящем мире развитие любой ракетно-космической техники влечет за собой неотъемлемую часть как экологическая безопасность. Несмотря на применение современных методов снижения техногенного воздействия отделяемых частей (ОЧ) ракет-носителей (РН) на окружающую среду [1] на многих типах РН («Союз», «Протон», и т.д.) данная проблема остается.
Но если с отработанными ОЧ удается решить вопрос экологической безопасности в районах падания, то вот вопрос с остающимися ОЧ в околоземном космическом пространстве пока в настоящее время с максимальным эффектом решить не удается. Проблема крушюгэбарптпого космического мусора (ККМ) в околоземном космическом пространстве носит международный характер и достаточно полно сформулирована, в материалах Межагентского координационного комитета по космическому мусору [2].
Исторически сложилось так, что основными источниками ККМ на околоземных орбитах были:
1) самопроизвольные н преднамеренные разрушения на орбите, которые приводят к долгосрочному засоре-
2) космический мусор, высвобождаемый умышленно во время функционирования орбитальных ступеней РН и космических аппаратов (КА).
В будущем фрагменты, возникающие в результате техногенного воздействия, столкновений на орбите, как предполагается, станут значительным источником ККМ и с каждым запуском КА все актуальнее.
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Меры по предупреждению образования ККМ можно подразделить на два направления:
1) меры, которые уменьшают образование потенциально вредного ККМ в краткосрочном плане (пуски РН):
2) меры, которые ограничивают образование ККМ в долгосрочном плане.
Меры первой категории сопряжены с уменьшением образования ККМ в результате полетов н принятием мер по избежанию разрушений на орбите. Меры второй категории касаются процедур после завершения программ полетов, которые позволяют уводить отработавшие КА и орбитальные ступени РН из районов, плотно загруженных функционирующими КА.
С этой пелью Организацией Объединенных Наций был разработан свод Руководящих принципов предупреждения обра зования космического мусора, который отражает основополагающие элементы существующей совокупности практики, стандзртов. кодексов и руководств по этому вопросу, разработанных рядом национальных и международных организаций [3]. В данном документе приведены семь руководящих принципов проектирования. разработки, производства и эксплуатации КА. РН.
Задача - поиск путей решения снижения техногенного воздействия на околоземное космическое простран-
Ш. ТЕОРИЯ
В научной литературе предлагается несколько подходов к решению этой проблемы: предлагается использовать мощные импульсные лазеры [4]. электродинамические тросовые системы [5]. активные КА, предполагающие стыковку со спускаемым объектом [б] или его захват [У].
К данному моменту ьремени но раду технологий уже проводи!си экспериментальные отработки. Большая работа проведена Японским Национальным агентством космических разработок (ДАХА). Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США ФЛЕРА) [б].
В Омском государственном техническом университете разработан ряд методов, перечисленных в научных публикациях и работах [1, 6,8, 12-14. 16-17].
Все исследования, проводимые в ОмГТУ, направлены на два направления [8]:
1) разработка автономной оортовой системы спуска для ее установки на О4 ступеней РКЫ, предназначенной для спуска ОЧ послс выполнения ими своей миссии, что относится как к ОЧ нижних ступеней ракет, так и ОЧ верхних ступеней РКН:
2) разработка многоразового универсального транспортно-стыковэчного модуля для буксировки с орбит ОЧ ступеней РКН. ранее выведенных на орбиты и представляющие собой опасные объекты ККМ.
ОмГТУ совместно с иностранными представителями (университетами Италии) проводит исследования технологии увода пассивного КА (ПКА) за счет активного КА (АКА). имеюшего двигательную установку на гибридном топливе [9].
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 сснове использования тросовых систем. АКА снабжается устройством захвата, связанным с АКА посредством троса [1С, 11]. После захвата ПКА связка «ПКА-трос-АКА», за счет тяги двигательной установки АКА. совершает маневр увода с орбиты. Разра-бэтки данной технологии ведутся параллельно Европейским аэрокосмическим и оборонным концерном (ЕАББ Авпшт). Колорадским университетом (США), ОмГТУ.
Предложенный ОмГТУ способ стыковки АКА и ПКА [12-14] 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. В [15] сформулированы общие требования по выбору последовательности увода ПКА на основе сравнения критерия, например, вероятности столкновения ПКА с другими космическими объектами, дтя каждого ПКА Компенсацию накспленных ошибок параметров движения АКА при предыдущих маневрах, а также системы целеуказания распределяют между корректирующими импульсами АКА на этапе дальнего наведения и на участке самонаведения.
Как одним из перспективных методов решения данного вопроса является управляемый увод ОЧ с орбиты за счет использования остатков топлива в баках [16].
Имеются предложения по использованию остаточных энергетических возможностей верхней ступени РН. в том числе и для её скорейшего управляемого спуска с орбиты. Так. например, простейшим решением может быть изменение направления тяги реактивного сопла и установка его по продольной оси блока.При этом для предварительной стабилизации ступепн после отделения КА могут быть использованы ракетные двигатели на твердом топливе.Это позволит изменить модуль орбитальной скорости разгонного блока примерно на 20 м.'с, что существенно выше значения скорости, сообщаемой блоку при традиционной схеме работы системы отделения.
Другое решение предтагается в работе [17], где для значительного увеличения импульса реактивного сопла предлагается использэвать остатки топлива ь баках отработавших ступеней РН с их предварительной газификацией. Как правило, после йыключенкм маршевою жидкостного ракетного двшателя в баках РН остаются неиспользованные остатки жидкого топлива, величины которых составляют 2-3®'» от величины начальной заправки В [1 7] на примере РН «Космос-ЗМ» показано что небольшие по массе доработки конструкции орбитальной ступени позволяют обеспечить тормозной имлульс скорости около 66 м/с.Применительно к третьей ступени РН «Союз» такая доработка позволит создать тормозной импульс до 100 м/с, что значительно снизит зремя существования ступени на орсите с одновременным устранением возможности её взрыва на орбите.
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В результате проведенного исследования имеющихся способов синлсешш техногенного воздействия па око лоземное космическое пространство установлено, что главной причиной возникновения ККМ является взрыв остатков КРТ.
На приведенной ниже схеме показаны виды взрывов по способам образования.
Из схемы можно сказать, что главной причиной является тепловое нагружение элементов конструкции РН. что призодит. соответственно, к взрыву.
Предлагается использование двух наиболее реализуемых способов решения проблемы:
1. Необходимость в проведении пассивации КРТ путем введения в компоненты топлива каких-либо химических реагентов [2]. Исключение хотя бы одного компонента позволит существенно снизить вероятность взрыва отработанной ступени РН.
2. Выведение остатков КРТ через дренажные клапана.
Естественно, что каждый из способов имеет свои сложности в решении. Это и условия резкого перепада температуры конструкции (переход от активной работы в пассивное состояние), и изменение химических свойств материалов, и замерзание остатков в том числе.
В качестве примера можно привести РН «Зенит», где была применена система сброса остатков КРТ из баков второй ступени. На изделиях происходило замерзание дренажных клапанов и как следствие - взрыв. Проведя доработку удалось решить данную проблему.
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
При обсуждении результатов проведенного исследования установлено, что наилучшими способами решения данной проблемы являются способы газификации остатков КРТ. которые позволят:
а) произвести сброс остатков КРТ в виде газообразной смеси, которая не несет существенного влияния на околоземное космическое пространство и обеспечат взрывобезопасность:
б) использую остатки КРТ произвести управляемый маневр с орбиты элементов РН. выполнивших свою основную задачу.
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать следующие выводы:
1 Спуск К" А с орбиты рагсматринается как один из rranoR утилизации ПК" А на орбите
2. Выделены базовые технологии, разрабатываемые за рубежом, в том числе использование различных типов двигательных установок для осуществления маневров в космическом пространстве и использование роботизированных манипуляторов, как основного элемента при захвате и последующем спуске ПКА с орбиты.
3. Рассмотрены технологии, разрабатываемые в России, в том числе в ОмГТУ.
4. Применение энергетического запаса остатков топлива в баках отработанных ступеней РН позволит суще-ствехшо снизить затраты на манеоры по управляемому спуску с орбит и траекторий Бьтедешхя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трушляков В. И.. Шалай В. В.. Шатров Я. Т.Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду: моногр.Омск: Изд-во ОмГТУ. 2004.220 с.
2. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC). Support to the I ADC Space Debris Mitigation Guidelines. 2012-06-04. URL: httpi/Avftvv.iadc-online.org (дага обращения: 10.05.2016).
3. Организация Объедененных Наций. Руководящие принципы Комитета по использованию космического пространства в мирных целях по предупреждению образования космического мусора. URL: hrtp:y/www.un.or^m'docmnent3/decl_conv/conventií>ns/space_debris.shtnil (дата обращения: 14.05.2016).
4. Phipps С. R.. Baker К. L., Libby S. В. [et al.]. Removing orbital debris with lasers // Advances in Space Research. 2012. Vol. 49, no. 9. P. 12S3-1300. DOI: 10.1016/j.asr.2012.02.003
5. Nishida S.. Kawamoto S. Strategy for capturing of a tumbling space debris // Acta Astronáutica. 2011. Vol 6S. no. 1-2. P. 113-120. DOI: 10.101ó/j.actaastro.201G.06.045.
6. Трушляков В. И., Юткин Е. А. Обзор средств стыковки и захвата объектов крупногабаритного космического мусора // Омский научный вестник. 2013. 2 (120). С. 56—61.
7 Cougnet С., Alary D._ Gerber В.. Utzmaun J., Wagner A. The Debritor: an "off the shelf based multiuiission vehicle for large space debris removal // Proc. of the 63rd International Astronautical Congress, 1—5 October 2012. Naples, Italy. IAC-12-A6.7.7.
S. Трушляков В. И.. Шатров Я. Т. Современные тенденции повышения экологической безопасности раке1 космического назначения // Динамика систем, механизмов и машин. 2012.Кн. 2. С. 168-171.
9. De Luc a L. Т.. Bernellr F., Maggi F. Active space debns removal by a hybrid propulsion module // Acta Astronáutica.2013 Vol. 91.P. 20-33.
10. Clerc X_, Retat I. Astrium vision on space debris removal // Proceedings of 63rd International Astronautical Congress. Naples. Italy, 2013.
11. Lee E.. Jasper Z.. Seubert Carl R., Schaub Hanspeter, Trushlyakov V.. Yutkin E. Tethered tug for large low earth orbit debris removal ii Proceedings of AAS/AIAA Astrodynaniics specialists C onference Charleston, South Carolina, 2012.
12. Пат. 2521082 Российская Федерация. МПКВ64& 1/64. Способ стыковки космических аппаратов / Трушляков В. И.. Юткнн Е. А.. Макаров Ю. Н., Олейников Z. И.. Шатров Я. Т. № 2012136164/11: заявл. 21 OS 2012; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18. 10 с
13. Пат. 2531679 Российская Федерация. МПК В 64 G 1/64. Способ очиегкн орбиты от космического мусора. Трушляков В. И., Макаров Ю. Н., Олейников И. Z.. Шатров Я. Т. № 2012136161: заявл. 28.OS.2012, опубл: 27.10.2014, Бюл. №30.
14. Пат. 2490183 Российская Федерация. МШС В 64 G 1/64. F 42 В 15/36. Стыковочное ус тройств о К А / Трушляков В. И., Юткин Е. А.. Тютебаев Т. Т.. Макаров Ю. Н.. Шатров Я. Т. № 2012108S67/11; заявл. 07.03.12: опубл. 20.08.13, Бюл. № 23.
15. Aslanov V., Yudintsev V. Dynamics of large space debris removal using tethered space tug // Acta Astronáutica.2013 Vol. 91.P. 149-156
16. Белоконов И. В.. Крулов Г. Е.. Трушляков В. И.. Юдннцев В. В Оценка возможности управляемого схода с орбиты верхней ступени РН «Союз» за счёт использования остатков топлива в баках //Вестннк Самарского государственного аэрокосмического университета (национального исследовательского университета). 2010.№ 2 (22ХСЛ 05-111.
17. Колесников К. С. Кокушкнн В. В.. Борзых С. В.. Панкова Н В.Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет. М.: Изд-во Mi ТУ им. Н.Э. Баумана. 2006. 376 с.
