КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ "ФЕРЗЬ". УНИЧТОЖЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

АННОТАЦИЯ

Проблема космического мусора становится все более актуальной для будущего космической деятельности человечества. На околоземной орбите находится свыше 30 тысяч крупных объектов размером более 10 см и множество мелких фрагментов, способных повредить действующие спутники и станции. Эти обломки создают угрозу цепных столкновений, которые могут привести к блокировке орбит и ограничить доступ к космическому пространству. С учетом растущей зависимости человечества от спутников для связи, навигации и мониторинга климата, необходимо срочное решение этой проблемы. В статье предложен концепт специализированного космического аппарата “Ферзь”, предназначенного для эффективного удаления мусора с орбиты. Устройство использует инновационные технологии, включая систему захвата мусора и его утилизацию через управляемый спуск в атмосферу или перемещение на безопасное расстояние. Решение нацелено на снижение рисков для текущей и будущей космической инфраструктуры, обеспечивая устойчивое использование околоземного пространства.

Ключевые слова: космический мусор, загрязнение, уборка космического мусора с помощью гарпунных технологий, гарпун в космосе, сгорание мусора в атмосфере земли, увод мусора с орбиты земли, техногенный мусор.

1. Обзор существующих методов уничтожения космического мусора.

Для решения проблемы космического мусора разрабатываются различные методы. Самые распространенные из них включают механические захваты и лазеры. Однако у этих подходов есть свои недостатки и ограничения, связанные с типами объектов и условиями на орбите.

1.2 Механические захваты

Современные системы, такие как RemoveDEBRIS и OSAM-1 используют сети и роботизированные манипуляторы для захвата объектов мусора. Они требуют высокой точности управления, особенно если объект находится на нестабильной траектории или имеет нестандартную форму. Их стоимость высока и они не всегда эффективны для больших объектов.

1.3 Лазерные системы

Лазерные технологии, например Laser Broom, работают путем изменения орбиты мусора с помощью лазерного импульса. Этот метод не требует физического контакта с объектом и это является его преимуществом. Однако эффективность лазеров ограничена небольшими размерами объектов энергетические затраты на создание мощного лазера остаются высокими.

Несмотря на наличие вышеперечисленных методов, проблема космического мусора остается актуальной и нуждается в исследованиях для создания более эффективных способов решения.

1.4 Преимущества и ограничения существующих решений

Каждый из методов, разработанных для решения проблемы космического мусора, предлагает лишь частичное решение.

Механические захваты: они обеспечивают точный контроль при захвате объекта, однако большинство захватов не многоразовые, что экономически не выгодно.

Лазерные системы: эти технологии позволяют дистанционно воздействовать на объекты изменяя их орбиты с помощью лазерных импульсов. Тем не менее они требуют много энергии эффективны только на малых расстояниях, что снижает их универсальность.

2. Проект космического аппарата для уборки космического мусора

Предложенный метод: Космический аппарат, использующий гарпун для захвата спутников, отличается от существующих систем. Ключевым элементом этого подхода является создание специализированного космического аппарата, оснащенного высокоэффективным многоразовым ионным двигателем, системой гарпунов для захвата объектов и их замедления, комплектом малых ионных двигателей для захвата объектов и последующего ускорения. Для более крупного и сложно сгораемого мусора предусмотрена система малых ионных двигателей с системой корректировки, работающих на ксеноне. Захват будет осуществляться также с помощью гарпуна: трос от гарпуна будет передаваться малому двигателю до тех пор, пока доступные пазы для тросов не будут заполнены.

Эти методы сочетают в себе эффективность, безопасность, и, в теории, низкие затраты на производство и эксплуатацию. Его функционал таков:

2.1 Наведение гарпуна: Гарпун может наводиться оператором на Земле или автономно с помощью нейросети. Это позволяет адаптироваться к различным условиям и дистанционно управлять процессом захвата.

2.2 Процесс захвата и торможения: Гарпун выстреливается в цель, пробивает её поверхность, расширяется и закрепляет объект на сверхпрочном тросе. После успешного захвата двигатель аппарата начинает постепенно тормозить, снижая орбитальную скорость мусора и приводя к его спуску в атмосферу.

2.3 Возвращение гарпуна: после торможения гарпун возвращается к аппарату с помощью лебёдки, что позволяет многократно использовать систему для захвата других объектов.

Если объект слишком крупный и есть вероятность что он не сможет полностью сгореть, аппарат уберет его с орбиты Земли в дальний космос. Для этого гарпун выстреливается в спутник, пробивает его поверхность и выпускает “когти”. “Когти” выстреливаются с помощью газа, создавая сильный зацеп за корпус. После успешного захвата трос передаётся по "рельсе" на маленький ионный двигатель российской разработки ОКБ “Факел” (например, СПД-70 или СПД-100) с возможностью корректировки. Когда слоты для приёма тросов заканчиваются, маленький двигатель отстреливается, "Ферзь" начинает набирать скорость и уходит на безопасное расстояние, маленький двигатель запускается и уносит мусор с орбиты Земли.

Преимущества метода с торможением заключаются в его универсальности — он позволяет захватывать объекты различного размера и формы, а также минимизировать риски, связанные с использованием других технологий. Процесс возврата гарпуна на лебёдке обеспечивает многократное использование системы и снижает стоимость эксплуатации аппарата.

Недостатки:

• Требует ускорения после выполнения задачи.
• Гарпун может застрять, однако "Ферзь" может просто отсоединить трос.
• При постоянных застреваниях гарпуна потребуется возвращение на челнок для перезарядки.

Преимущества метода с ускорением заключаются в размере мусора и количестве объектов, которые может унести маленький двигатель. Вывод мусора с корректировкой траектории позволяет избежать повторного попадания мусора в околоземное пространство. Запуская мусор в космос на хорошо контролируемой траектории, можно гарантировать его безопасность для действующих спутников и космических аппаратов.

Минусы:

• Тщательное планирование траектории.
• Требование к пополнению количества двигателей.

3. Теория атмосферного торможения и замедления

3.1. Основы атмосферного торможения

Атмосферное торможение — это процесс, который используется для замедления скорости объекта, приближающегося к планете или другому телу, имеющему атмосферу.  

3.2. Использование ионного двигателя для контролируемого замедления

В предложенной системе ионный двигатель нужен для точного снижения орбитальной скорости спутника. Это позволяет изменить его орбиту, переводя её из устойчивой в деградирующую, что приведёт к его вхождению в атмосферу

После того как гарпун прикрепил аппарат к объекту, ионный двигатель начинает замедление, снижая скорость и переводя спутник на эллиптическую орбиту.

Также ионный двигатель даёт возможность точно выбирать момент, когда спутник начнёт снижаться, и управлять орбитой таким образом, чтобы избежать рисков для других объектов на близлежащих орбитах.

3.3. Преимущества атмосферного торможения для объектов на подлете к перигею

Безопасность. Контролируемое снижение и сгорание спутника в атмосфере исключает образование новых фрагментов мусора и уменьшает опасность для других спутников.

Точность управления. Ионный двигатель позволяет регулировать траекторию спуска, что особенно важно для спутников на стабильной орбите, поскольку это требует точного управления.

Экономическая выгода. Метод требует меньше затрат на запуск дополнительных миссий по сравнению с другими технологиями, такими как лазеры или роботизированные захваты.

Таким образом, комбинированное использование гарпуна и ионного двигателя позволяет безопасно уничтожать космический мусор в атмосфере земли.

4. Проектирование аппарата и его ключевых элементов

4.1. Особенности конструкции двигателя:

• Высокий удельный импульс. Ионные двигатели генерируют тягу, используя ионизацию газа (например, ксенона) и его ускорение в электростатическом поле, что позволяет долго поддерживать постоянное замедление объекта.
• Низкое энергопотребление. Двигатель требует меньше энергии по сравнению с обычными химическими двигателями, что делает его эффективным и подходящим для длительных миссий по замедлению мусорных объектов.
• Точность и управляемость. Поскольку процесс удаления мусора требует постепенного снижения орбитальной скорости, нужны точные системы корректировки, чтобы аппарат не упал обратно на землю.

4.2. Системы аппарата

Чтобы выполнить сложные задачи по захвату и удалению космического мусора, аппарат «Ферзь» оснащён множеством специализированных систем:

• Коррекционные двигатели. Эти двигатели необходимы для точной ориентации и маневрирования аппарата на орбите, что позволяет ему точно выходить на траекторию захвата мусора и поддерживать стабильность при выполнении манёвров.
• Система климат-контроля. Для обеспечения стабильной работы всех жизненно важных систем аппарат оснащён климат-контролем, который поддерживает оптимальную температуру для ключевых компонентов, предотвращая перегрев и защищая от низких температур в космосе.
• Складные солнечные панели. У аппарата имеются две солнечные панели размером 10 метров в длину и 3 метра в ширину. Эти панели развертываются только для зарядки батарей аппарата и убираются внутрь корпуса во время выполнения миссии, чтобы предотвратить их повреждение и уменьшить вероятность помех при маневрах.
• Мощные батареи. Для накопления энергии и поддержки работы аппарата в теневой части орбиты используются батареи высокой ёмкости.
• Система камер. Основная задача камер заключается в обнаружении, идентификации и отслеживании космического мусора. В процессе использования гарпунной системы камеры в режиме реального времени передают изображение на Землю или внутреннюю нейросеть аппарата. Камеры также используются для визуального контроля состояния “Ферзь”. Они позволяют отслеживать развертывание солнечных панелей, состояние гарпунной системы, тросов и других внешних компонентов.
• Система мощных радаров. Аппарат оснащён GPS-модулем для определения собственного положения на орбите. Дополнительно радиолокационные системы помогают уточнять положение объектов, находящихся за пределами зоны прямого действия лидара или камер.
• Система датчиков. Лидар дополнен инфракрасными датчиками, которые помогают обнаруживать космический мусор в условиях слабого освещения или на фоне Земли, где контраст объектов может быть низким. Эти датчики работают синхронно с лидаром, иногда мусор имеет низкий альбедо (слабое отражение света), поэтому одной системы недостаточно.
• Система гироскопов и акселерометров. Для точного контроля положения и ориентации самого аппарата используются гироскопы и акселерометры.
• GPS и система радиолокации. Аппарат оснащён GPS-модулем для определения собственного положения на орбите. Дополнительно радиолокационные системы помогают уточнять положение объектов, находящихся за пределами зоны прямого действия лидара или камер.

4.3. Технические требования к гарпунной системе и системе захвата

Гарпунная система разработанная специально для захвата космических объектов. Её основная задача — надёжно закрепить гарпун на корпусе объекта. Конструкция гарпуна должна быть прочной, чтобы снизить вероятность поломки и увеличить количество выстрелов одним и тем же гарпуном. Гарпун запускается по принципу Гаусс-пушки, а возвращение на аппарат осуществляется с использованием сверхпрочного троса и лебёдки. Как было сказано ранее, гарпун имеет “Когти”. “Когти” выстреливаются газом. Газ храниться на “Ферзь” с запасом, чтобы при возвращении гарпуна его газовая система пополнялась. Гарпун может наводиться либо оператором на Земле, либо автоматически с помощью нейросети, что обеспечивает гибкость и адаптивность системы при захвате объектов с различными траекториями.

Для успешной реализации метода уничтожения космического мусора предъявляются строгие технические требования к системе захвата:

• Точность наведения: поскольку объекты могут находиться на разных орбитах и перемещаться с высокой скоростью, гарпун должен наводиться с высокой точностью, что обеспечивается с помощью нейросетей или операторов на Земле.
• Скорость и сила удара: Гарпун должен пробить корпус спутника и надёжно закрепиться на нём, не разрушив его структуру, что требует расчёта оптимальной силы удара.
• Гибкость системы: Гарпунная система должна адаптироваться к различным типам мусора и орбитальным условиям, чтобы обеспечить универсальность и широкое применение данной технологии.

Эти технические требования помогут обеспечить эффективность системы захвата космического мусора и минимизировать риски, связанные с её использованием.

5. Челнок для облуживания “Ферзь”.

Во время длительных миссий аппарату необходимо пополнять запасы ресурсов. Для этого будет существовать специальный челнок. На челноке будет находится экипаж, который будет проводить обслуживание.

• Топливная заправка. Челнок снабжён системой дозаправки, способной пополнять запасы ксенона для ионных двигателей “Ферзь”.
• Ремонт и техническое обслуживание. В случае повреждений или износа систем, «Ферзь» может стыковаться с челноком для проведения ремонтных работ. Челнок оснащён инструментами и оборудованием для устранения неисправностей.
• Пополнение боекомплекта:

1. Гарпуны. Специализированный отсек челнока позволяет транспортировать запасные гарпуны для системы захвата. Операторы на борту челнока могут производить замену использованных гарпунов на новые.
2. Малые ионные двигатели. В случае необходимости челнок доставляет малые ускорители, которые используются для вывода космического мусора за пределы орбиты или в заданные зоны.

• Стыковочная система. Универсальный модуль стыковки позволяет челноку быстро и безопасно соединяться с “Ферзь”.

На челноке будет экипаж из нескольких человек, которые и будут проводить обслуживание аппарата.

6. Оценка рисков и потенциальные сложности метода

6.1 Недостаточная тяга и длительность операции

Ионные двигатели обладают высоким удельным импульсом, но их тяга относительно мала. Из-за этого процесс удаления крупных объектов может проходить медленно. Это ограничивает возможности для оперативного реагирования в случае потенциальной угрозы столкновения. Однако, чтобы сократить риски, аппарат оснащён дополнительными корректирующими двигателями, которые могут обеспечить экстренные манёвры, улучшая манёвренность и сокращая время на корректировку траектории.

6.2 Сложности в точности наведения и управления гарпуном

Захват мусора с помощью гарпуна требует высокой точности и координации. Процесс требует высокоточной системы наведения и сложных вычислений для расчёта орбит. Ошибки в наведении могут привести к повреждению аппарата или промаху по цели, что создаёт риск потери ресурсов и дополнительных затрат времени.

6.3 Сложность аварийного маневрирования

Чтобы избежать столкновений с другими объектами на орбите, аппарат оснащён дополнительными корректирующими двигателями, которые обеспечивают экстренное маневрирование. Это позволяет более гибко и быстро реагировать на потенциальные угрозы столкновений. Однако такие манёвры требуют дополнительных затрат энергии и топлива, что может уменьшить общие ресурсы аппарата, если аварийные манёвры требуются часто.

6.4 Высокая стоимость и технологические ограничения

Необходимость технического обслуживания и перезарядки аппарата «Ферзь» на орбите с помощью космического челнока увеличивает расходы миссии. Хотя такая возможность продлевает срок эксплуатации аппарата, она требует устойчивого финансирования и надёжной инфраструктуры для поддержки регулярных операций по захвату и удалению мусора. Но это лишь капля в море по сравнению с утерей многомиллиардной техники и космонавтов.

7. Риски при захвате и закреплении спутника

Одной из основных сложностей является надёжный захват и закрепление спутника, который может находиться на стабильной орбите, а также двигаться с высокой скоростью. Потенциальные риски:

• Скорость и траектория объекта. Космический мусор может перемещаться по сложной траектории, что требует от системы гарпуна высокой точности и прочности, чтобы избежать промахов или неудачных попыток захвата.
• Мощность выстрела. Использование принципа гаусс-винтовки позволяет придать гарпуну высокую скорость, но важно точно рассчитать силу, чтобы пробить корпус спутника и закрепить гарпун, не разрушая сам объект и не создавая дополнительных обломков.
• Отказ в процессе возвращения гарпуна. Трос должен выдерживать напряжение, возникающее при замедлении мусора.

Предлагаемые решения:

Нейросетевое моделирование траекторий. Нейросеть может обучаться на различных сценариях, чтобы предсказывать поведение спутника и максимально точно направлять гарпун, используя оптимальные параметры для выстрела.

На случай застревания/утери гарпуна на борту будут находится дополнительные гарпуны, которые зарядятся автоматически по необходимости.

7.1. Потенциальные угрозы столкновения

Во время замедления аппарат проходит через различные орбитальные слои, на которых могут находиться другие космические аппараты или обломки. Неправильно рассчитанная траектория может привести к столкновению. Важно, чтобы спутник при спуске не создавал угрозу для других космических аппаратов. Если при замедлении спутник будет разрушен, это может привести к образованию множества новых фрагментов, ухудшающих ситуацию с космическим мусором.

Предлагаемые решения:

1. Совместная координация с агентствами для отслеживания и корректировки орбиты спутника, что минимизирует риск столкновений.

2. Мониторинг состояния объекта с помощью датчиков на гарпуне.

Заключение

Проблема космического мусора становится всё более актуальной в свете роста числа спутников и ракет, а также увеличения рисков для функционирующих космических аппаратов. Наш предложенный метод представляет собой инновационное и перспективное решение. Он сочетает в себе высокую эффективность и экологическую безопасность, позволяя не только захватывать и замедлять объекты космического мусора для сгорания в атмосфере, но и безопасно выводить их за пределы орбит Земли. Возможность многократного использования гарпунов и сложные системы управления с помощью нейросетей делает аппарат гибким и экономически выгодным решением для устранения космических угроз. Тем не менее, успешная реализация этого подхода требует решения нескольких технических и логистических задач. В дальнейшем развитие и совершенствование технологий "Ферзь" может значительно улучшить ситуацию с космическим мусором, повысив безопасность и устойчивость космических операций, а также содействовать устойчивому освоению космоса.

Список литературы:

1. Документы NASA и ESA по космическому мусору. Официальные отчёты и статьи, такие как на сайте NASA Orbital Debris Program Office [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/ (дата обращения: 12.12.2024).
2. Исследования гарпунных технологий для космического мусора. ESA провела несколько экспериментов с гарпунами, включая проект RemoveDEBRIS [Электронный ресурс]. – Режим доступа:   ESA. https://www.esa.int/(дата обращения: 12.12.2024).
3. Клугер Д. Космический мусор продолжает падать мне на голову [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://inosmi.ru/20111011/175809280.html (дата обращения: 11.12.2024).
4. Норкин А. Как бороться с космическим мусором? Рецепты от Boeing. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://yandex.ru/q/science/587796481/ (дата обращения: 14.12.2024).
5. Официальные отчёты и статьи ESA Space Debris Office [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.esa.int/ (дата обращения: 12.12.2024).
6. Принципы электромагнитных  ускорителей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/316662889_Electromagnetic_launch_technology (дата обращения: 14.12.2024).
7. Технические отчёты по ионным двигателям [Электронный ресурс]. – Режим доступа: NASA Technical Reports Server (NTRS) https://ntrs.nasa.gov/ (дата обращения: 12.12.2024).