способ ударного воздействия на опасные космические объекты и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ ударного воздействия на опасные космические объекты, заключающийся в обеспечении столкновения малого космического тела-ударника с опасным космическим объектом путем выведения космического тела на траекторию его столкновения с опасным космическим объектом, отличающийся тем, что в качестве малого космического тела-ударника используют ядро мини-кометы, пролетающее через околоземное пространство и обладающее большой кинетической энергией, при этом уточняют траектории находящихся в околоземном пространстве мини-комет, из них выбирают мини-комету, находящуюся на наиболее близкой к области пересечения с орбитой опасного космического тела траектории, с последующим изменением направления движения космического тела-ударника на траекторию столкновения с опасным космическим телом на безопасной для Земли дистанции с помощью доставляемого к выбранной мини-комете реактивной двигательной установки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при недостаточности разового воздействия на опасный космический объект осуществляется несколько миссий столкновения.

3. Устройство для реализации способа ударного воздействия на опасные космические объекты, содержащее энергетическую установку, реактивную двигательную установку, грунтозаборник, систему астроориентации и бортовое вычислительное устройство, доставляемые на поверхность космического тела-ударника и стыкуемые с ним, при этом все системы устройства подключены к энергетической установке, грунтозаборник выполнен заглубляемым в космическое тело-ударник, вход бортового вычислительного устройства связан с системой астроориентации, а выход с системой управления двигательной установки, отличающееся тем, что грунтозаборник дополнительно содержит испаритель, в качестве рабочего тела реактивной двигательной установки используется испаренное вещество космического тела-ударника, в качестве реактивной двигательной установки используется газовая камера с системой разогрева поступающих в нее газов, питаемой энергетической установкой, и с поворотным соплом, управляемым бортовым вычислительным устройством, причем космическое тело-ударник имеет кометную природу.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что энергетическая установка содержит концентратор солнечной энергии в качестве системы разогрева рабочего тела в газовой камере.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к космической технике, в частности к перемещению в межпланетном пространстве с использованием ресурсов космоса, и может быть использована для ударного воздействия на опасные космические объекты (ОКО).

Известен способ ударного воздействия на ОКО, заключающийся в столкновении с ним космического аппарата. Точное наведение аппарата на ОКО обеспечивается первичным выведением его в расчетную точку встречи с ОКО и последующей коррекцией траектории космического аппарата по мере приближения к ОКО и уточнения параметров его орбиты (Izzoa D. et al., ArnaudJ Optimal trajectories for the impulsive deflection of near earth objects // Acta Astronautica 59 (2006) 294 - 300).

Известен способ ударного воздействия на ОКО ядерным зарядом (Barbee_B_W et al., 2006. Optimal Deflection of Hazardous Near-Earth Objects by Standoff Nuclear Detonation and NEO Mitigation Mission Design / NASA NEO Workshop Paper, June 2006 // (http://www.aero.org/conferences/planetterydefense/documents/Barbee_et_al_NASA_NEO_Workshop_Paper_June_2006.pdf). Способ заключается в подрыве мощного ядерного заряда вблизи поверхности ОКО с тем, чтобы взрыв толкнул в нужном направлении ОКО.

Недостатками этих способов являются невыполнимо высокие энергетические затраты для проведения миссии столкновения телом достаточной для отклонения ОКО массы, а также большое время, необходимое для вывода «дежурного» астероида в точку столкновения с ОКО на большом расстоянии от Земли, в первом случае, и во втором - высокий риск разрушения ОКО на фрагменты опасного размера без отклонения направления их движения от траектории столкновения с Землей, высокий риск попадания на Землю радиоактивных продуктов взрыва и действующий запрет на выведение в космос ядерного оружия.

Известно устройство для изменения скорости астероида («гравитационный трактор»), состоящее из космического аппарата с реактивной двигательной установкой (РДУ), системы астроориентации и бортового вычислительного комплекса, которое использует силу притяжения космического аппарата к астероиду для передачи последнему тяги реактивного двигателя (Edward Т. Lu and Stanley G. Love, Gravitational tractor for towing asteroids, Nature, Vol.438, 10 November 2005). Поскольку сила взаимного тяготения между астероидом и космическим аппаратом приложена к центру масс астероида, вектор этой силы зависит только от взаимного расположения астероида и аппарата и не зависит от характера вращения астероида, что позволяет использовать это устройство с любыми телами солнечной системы.

Известно устройство для транспортировки астероида, использующее внешние ресурсы для создания тяги. Устройство состоит из космического аппарата, выведенного в окрестности астероида, который содержит зеркало-концентратор солнечных лучей, систему астроориентации и бортовой вычислительный комплекс. Зеркало ориентируется так, чтобы солнечные лучи фокусировались на поверхности астероида. Вследствие высокой концентрации солнечного излучения в сфокусированном пятне происходит испарение вещества астероида, а истекающие при этом газы создают реактивную тягу (Микиша A.M., Смирнов М.А., Смирнов С.А. Транспортировка астероида в околоземное космическое пространство / Околоземная астрономия (космический мусор) (ред. А.Г. Масевич)//1998, М.: Космосинформ, с.264-277).

Недостатком этих устройств является очень малая тяга, так как сила притяжения космического аппарата ("гравитационного буксира") к астероидам километрового размера составляет единицы миллиньютонов, а в случае свободного истекания испаренного вещества пропульсивный КПД реактивного эффекта ничтожен, так что продолжительность воздействия устройств на астероид для получения требуемого эффекта может составлять месяцы и годы. Другим недостатком этих устройств является динамическая неустойчивость связки «космический аппарат-астероид», поскольку реактивная тяга приложена только к одному из тел, а второе тело постоянно должно поддерживать свое пространственное положение вблизи астероида с использованием бортовой двигательной установки.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ ударного воздействия на ОКО природным телом большой массы, находящимся в космическом пространстве (астероидом). Астероид подходящих размеров заранее перемещается в «точку ожидания», например в точку Лагранжа системы «Земля-Луна», и снабжается маршевым двигателем с запасом топлива. При обнаружении ОКО с помощью маршевого двигателя астероид выводится на траекторию пересечения с ОКО и осуществляет миссию столкновения с ним (Didier Massonnet, Benoit Meyssignac. A captured asteroid: Our David's stone for shielding earth and providing the cheapest extraterrestrial material. // Acta Astronautica, Volume 59, Issues 1-5, July-September 2006, Pages 77-83). Недостатком прототипа является необходимость ускорения астероида из состояния покоя до космических скоростей, что требует огромных энергетических затрат и продолжительного времени для его разгона.

Наиболее близким к заявляемому устройству для изменения скорости астероида является устройство для создания реактивной тяги, состоящее из энергетической установки, грунтозаборника, электромагнитной пушки и системы астроориентации, доставляемое на поверхность астероида (Olds, J. R. et al., "The League of Extraordinary Machines: A Rapid and Scalable Approach to Planetary Defense Against Asteroid Impactors," Version 1.0, Phase I Final Report, Call for Proposals CP-02-02, NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), April 30, 2004). Устройство использует вещество астероида в качестве выбрасываемой с большой скоростью массы для создания реактивной тяги. Вещество добывается из недр астероида грунтозаборником бурильного типа, извлекающего керны диаметром до 8 см с глубины до 6 м. Керны массой до 1 кг закладываются в электромагнитную пушку и выбрасываются в космос со скоростью около 750 м/с с частотой от 1 до 4 раз в минуту. Недостатком прототипа является необходимость перемещать все устройство в другое место поверхности астероида после достижения предельной глубины бурения, ограниченность ресурса бурильного узла грунтозаборника и низкая тяга двигателя, из-за чего выведение астероида-ударника в точку столкновения с ОКО может занять несколько лет.

В основу предлагаемого способа ударного воздействия на опасные космические объекты положено решение задачи сокращения времени на отклонение опасного объекта или его фрагментов от столкновения с Землей при минимальных энергетических затратах на проведение миссии.

Поставленной задачей для устройства для осуществления предлагаемого способа является обеспечение длительной работы двигательной установки и создание ей достаточной для разгона ударника тяги, а также упрощение конструкции реактивной двигательной установки, повышение ее надежности и ресурса непрерывной работы.

Решение поставленной задачи для способа достигается тем, что ударник выбирается из тел, находящихся на гелиоцентрических орбитах и пролетающих мимо Земли.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что ударное воздействие на ОКО осуществляется природным телом большой массы, движущимся с большой скоростью и обладающим большой кинетической энергией, и которое состоит в выведении ударника на траекторию столкновения с ОКО с помощью доставляемой на ударник реактивной двигательной установки.

Ударник выбирается из тел, находящихся на гелиоцентрических орбитах и пролетающих мимо Земли. Из множества таких тел выбирается то, которое движется примерно в нужном направлении и уже имеет скорость в десятки километров в секунду, так что требуется только небольшая коррекция его траектории для осуществления его столкновения с ОКО. При этом выбирается тело, пролетающее через околоземное пространство и являющееся ядром мини-кометы размером от 10 до 50 метров. Поскольку каждые сутки мимо Земли пролетает несколько десятков таких тел, из них всегда можно выбрать хотя бы одно, движущееся в подходящем направлении. К нему посылается космический аппарат (КА) с двигательной установкой и системой астронавигации. КА стыкуется с ядром мини-кометы, и, используя РДУ, изменяет орбиту мини-кометы так, чтобы обеспечить ее столкновение с ОКО. В процессе сближения мини-кометы и ОКО уточняются параметры их траекторий, а продолжительная работа РДУ (вплоть до момента столкновения) обеспечивает точное наведение мини-кометы на ОКО. Ударное воздействие ядра мини-кометы при большой скорости столкновения вызывает изменение траектории ОКО, исключающее в дальнейшем его столкновение с Землей.

Решение поставленной задачи для устройства осуществления способа ударного воздействия на опасные космические объекты состоит в том, что доставляемая на ударник реактивная двигательная установка дополнительно содержит испаритель, а электромагнитная пушка заменена на газовый реактивный двигатель.

Устройство для осуществления способа ударного воздействия на опасные космические объекты, состоящее из энергетической установки, бортового вычислительного устройства, грунтозаборника, электромагнитной пушки и системы астроориентации, доставляемых на поверхность тела-ударника, дополнительно содержит испаритель, а вместо электромагнитной пушки используется газовый реактивный двигатель. Энергетическая установка питает все системы устройства, грунтозаборник с испарителем на его конце своей бурильной установкой заглубляется в тело ударника, испаряет летучие вещества ударника и испарившиеся газы подает в газовый реактивный двигатель. Там газы нагреваются до температуры 800° 1000°C и формируют реактивную струю. Система астроориентации определяет положение ОКО, ударника и ориентацию вектора тяги двигателя, эти данные поступают на вход вычислительного устройства, выход которого связан с соплом управляемой тяги двигательной установки, изменяющей скорость ударника и его наведение на точку столкновения с ОКО.

В качестве рабочего тела реактивного двигателя используется летучее вещество мини-кометы, которое испаряется тепловым нагревателем на конце бурильного устройства грунтозаборника и транспортируется в камеру разогрева газового реактивного двигателя в газообразном состоянии. В качестве энергетической установки с большим ресурсом работы может быть использована как солнечная батарея, так и ядерная электростанция. Для разогрева рабочего тела может быть использован концентратор солнечной энергии, что позволит обеспечить сколь угодно длительную работу двигательной установки. Низкая температура газов в реактивной струе позволяет исключить прогорание деталей двигательной установки и ее длительную работу на протяжении всей миссии.

На Фиг.1 показана схема осуществления способа ударного воздействия на опасные космические объекты. Цифрами на Фиг.1 обозначены:

1 - Земля;

2 - орбита Земли;

3 - опасный космический объект;

4 - орбита ОКО до столкновения с мини-кометой;

5 - расчетная точка столкновения ОКО с Землей;

6 - орбиты пролетающих через околоземное пространство мини-комет;

7 - начальная траектория мини-кометы, наиболее подходящей для миссии противодействия;

8 - траектория выведения космического аппарата к мини-комете;

9 - точка посадки космического аппарата на мини-комету;

10 - траектория мини-кометы после ее изменения работой двигательной установки;

11 - место столкновения мини-кометы с ОКО;

12 - траектории ОКО после столкновения с ударником.

На Фиг.2 показана схема устройства для осуществления предложенного способа, где:

13 - газовая камера двигательной установки;

14 - поворотное сопло двигательной установки;

15 - буровая установка;

16 - насос для подачи газов в газовую камеру;

17 - испаритель;

18 - бур;

19 - ядро мини-кометы;

20 - полость (каверна), заполненная газами;

21 - солнечный концентратор;

22 - солнечные лучи;

23 - газопровод.

Способ ударного воздействия на ОКО осуществляется следующим образом (Фиг.1).

Через околоземное космическое пространство ежесуточно проходит несколько десятков тел декаметрового размера. Часть из них сталкивается с Землей и вызывает болидные явления, характерные для тел, состоящих из летучих соединений с малой прочностью. Это дает основание считать, что большинство других тел, проходящих мимо Земли, является ледяными или снежными ядрами мини-комет. Среди множества мини-комет выбирается такая, которая имеет подходящую массу, скорость и направление движения. Принимая распределение направлений движения, близким к изотропному, можно считать, что в течение суток хотя бы одна мини-комета движется в направлении, отличающемся от нужного, не более чем на 15°. Если рассматриваемый интервал времени для выбора ударника составляет несколько суток, то выбор мини-кометы расширяется, и можно ожидать появления еще более удобного ударника-мини-кометы. Коррекция направления движения сравнительно небольшого космического тела на небольшой угол может быть осуществлена двигателем малой тяги за небольшое время.

Мини-кометы на гелиоцентрических орбитах имеют скорость вблизи Земли не ниже 11,2 км/с и массу от 1000 до 100000 тонн, поэтому они изначально обладают достаточно высокой кинетической энергией для ударного отклонения ОКО. Задачей космического аппарата является такая коррекция орбиты мини-кометы, при которой она столкнется с ОКО на расстоянии, обеспечивающем уклонение его самого или его фрагментов от столкновения с Землей. Для выполнения этой задачи на мини-комету доставляется реактивная двигательная установка и система астронавигации. По параметрам орбиты опасного космического объекта и измеренным параметрам траектории мини-кометы вычисляется оптимальная тяга двигателя и направление вектора его тяги для перевода ядра мини-кометы на траекторию столкновения с опасным космическим объектом. По мере сближения ударника и опасного космического тела уточняются параметры их движения, и наведение мини-кометы на ОКО корректируется двигателем до момента столкновения.

Для результативного воздействия на ОКО больших размеров и большой массы, или на близком расстоянии от Земли, когда требуется очень мощное воздействие на ОКО, может потребоваться направление к нему нескольких ударников.

Устройство для осуществления способа ударного воздействия на опасные космические объекты работает следующим образом (Фиг.2).

Космический аппарат причаливает к кометному ядру, фиксируется на его поверхности (на Фиг.2 не показано) и включает бурильную установку 15. Бур 18, оснащенный испарителем 17, превращает летучие вещества кометного ядра 19 в газы внутри каверны 20, которые из нее транспортируются насосом 16 по газопроводу 23 в газовую камеру 13 двигательной установки, где нагреваются солнечными лучами 22 с помощью концентратора 21 до высокой температуры (например, до 800 1000°C), после чего вытекают из сопла 14, создавая тягу. Поворотное сопло обеспечивает управляемое направление вектора тяги. Изменение направления вектора тяги позволяет разворачивать кометное ядро в заданном направлении, а при ориентации вектора тяги, проходящей через центр масс кометного ядра, обеспечивать приращение скорости в этом направлении. Система астроориентации обеспечивает измерение ориентации и пространственного положения кометного ядра-ударника и астероида-мишени, а бортовой вычислительный комплекс определяет оптимальную траекторию движения кометного ядра и режим работы двигательной установки.

В открытом космосе практически нет проблемы энергообеспечения. На расстоянии 1 а.е. от Солнца поток солнечной радиации составляет около 1,4 кВт/м². Эта энергия может быть сравнительно легко утилизирована как через прямой нагрев рабочего тела (например, солнечным концентратором), так и после преобразования ее в электрическую энергию.

Если энергетическая проблема может быть легко решена путем использования солнечного излучения средствами освоенных технологий, то доставка в космос больших масс рабочего тела для реактивного двигателя требует принципиально новых решений.

Для работы реактивного двигателя помимо энергии требуется запас рабочего вещества. В традиционных РД обычно используется смесь "топливо+окислитель", которая в результате химической реакции формирует газообразное рабочее тело с высокой температурой. Проблема применения РД традиционного типа для изменения траектории ОКО состоит в том, что на современном уровне космической техники не представляется возможным вывести в космос достаточное количество топливной смеси, чтобы обеспечить необходимый уровень воздействия на ОКО. Американская РН "Сатурн-5" могла обеспечить вывод на околоземную орбиту 139 тонн, а на траекторию полета к Луне - только 47 тонн полезной нагрузки. Советская РН "Протон" выводит на околоземную орбиту до 20 тонн полезной нагрузки. Этого явно недостаточно для увода действительно опасного КО размером 150 м в поперечнике и массой выше 300 тысяч тонн. Кроме того, необходимо доставить двигательную установку и пристыковать ее к ОКО. Такая транспортировка требует огромных затрат энергии и большой массы рабочего тела, поскольку требуется обеспечить разгон КА до большой скорости, а потом и торможение вблизи ОКО.

Через околоземное пространство ежегодно проходит около 40 тысяч тел свыше 3 метров в поперечнике, причем масса каждого из них превышает 2,5 тонны. Некоторые из них сталкиваются с Землей и наблюдаются как болиды. Большая часть вторгающихся в земную атмосферу крупных тел является мини-кометами. Это значит, что подавляющая часть массы этих тел образована легкоиспаряющимися (летучими) соединениями, которые могут быть использованы в качестве рабочего тела в реактивном двигателе, присоединенным к такой мини-комете.

Грунтозаборник для кометного вещества выгодно дополнить испарителем, например, выполненным в виде простейшего нагревательного элемента. Приток тепла в пробуренную скважину вызовет сублимацию (испарение) всех типов летучих соединений, образующих основную массу мини-кометы (вода, углекислота, метан, аммиак и пр.), и при этом газы легко транспортировать из недр кометного ядра в газовую камеру двигательной установки. Если поток тепловой энергии направить к центру кометного ядра, то испарение и отток его вещества приведут к образованию каверны внутри кометного ядра, которая будет расти по мере работы двигательной установки, и не потребуется перемещения буровой установки во время проведения всего полета.

Направления пролета мини-комет (кометных ядер) через околоземное пространство можно считать равномерно распределенными по небесной сфере. Так что, когда будет обнаружен ОКО, среди пролетающих мимо Земли тел всегда можно будет выявить такое, которое имеет достаточно большие размеры и массу и которое движется в нужном направлении. Такое тело будет обнаружено за несколько суток еще до его подлета к Земле. Если к такому телу направить космический аппарат с реактивной двигательной установкой, сконструированный для коррекции орбиты мини-кометы с автономным источником энергии и использованием вещества мини-кометы, то процесс стыковки КА и ядра мини-кометы может быть выполнен еще в околоземном пространстве на догоняющей траектории, то есть при относительно небольших затратах на перелет, не требующих торможения КА для стыковки. Можно подчеркнуть, что разгонять до большой скорости нужно будет только космический аппарат, а само кометное ядро уже имеет высокую скорость, и нет необходимости затрачивать энергию на его ускорение.

Задачей космической миссии должно быть такое изменение орбиты мини-кометы-ударника, которое приведет к его прямому столкновению с ОКО. Столкновение массивного кометного ядра с ОКО на космической скорости вызовет существенное изменение траектории ОКО, которое будет намного превышать то минимальное значение, при котором будет осуществлен гарантированный увод ОКО с опасной траектории.

При массе ударника в 8 тысяч тонн (соответствует массе мини-кометы поперечником 30 метров) и скорости его соударения с ОКО в 40 км/с кинетическая энергия удара составит 6,5-10¹⁴ Дж. Этой энергии достаточно, чтобы ударным воздействием изменить скорость астероида массой 10¹² кг (около 2 км в диаметре) на 30 м/с. Для того чтобы этот астероид отклонить от траектории его столкновения с Землей на 5 земных диаметров, требуется нанести удар не менее чем за 60 часов до расчетного времени пересечения ОКО орбиты Земли. Поскольку любой опасный космический объект существующими сегодня службами контроля космоса обнаруживается не менее чем за несколько недель до расчетного столкновения, миссия перехвата предложенным способом и устройством для его осуществления может быть многократно продублирована, а отклонение опасного космического объекта - осуществимым для любых размеров ОКО.