многоразовый космический аппарат-буксир для уборки космического мусора

Формула изобретения

Многоразовый космический аппарат-буксир для уборки космического мусора, содержащий корпус, приборный отсек с системой управления, двигательную установку, солнечные батареи, головку самонаведения, несколько устройств дистанционного захвата космического мусора, отличающийся тем, что основу каждого из устройств захвата составляет космический гарпун, который вместе с оперением и пороховым двигателем размещен в стакане, установленном на съемной крышке контейнера, при этом пороховой двигатель контактирует с 2-мостиковым пиропатроном, а в донной части космического гарпуна закреплен трос, основная часть которого намотана на барабан, устанавливаемый внутри контейнера, снаружи которого соосно с барабаном установлен электропривод барабана и кожух для защиты космического гарпуна и оперения от механических воздействий на всех этапах эксплуатации многоразового космического аппарата-буксира.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкции космических аппаратов и может быть использовано при разработке космических аппаратов для решения актуальной задачи борьбы с космическим мусором, в том числе с его крупногабаритными объектами - верхними ступенями ракет-носителей, отработавшими космическими аппаратами, представляющими большую опасность для отдельных космических аппаратов. Известен, в частности, случай столкновения в 2009 г. выведенного из эксплуатации спутника связи «Космос-2251» с американским спутником связи Иридиум.

Периодически возникают аварийные ситуации, касающиеся Международной Космической станции.

По состоянию на 2012 год вокруг Земли летает 16000 объектов размером более 10 сантиметров и сотни миллионов более мелких кусочков мусора.

В этих условиях возникает необходимость в срочных и масштабных работах по созданию космических аппаратов для уборки космического мусора.

Известен спутник - уборщик космического мусора CleanSpace One, разработанный швейцарскими учеными политехнической школы EPFL в г.Лозанна и представленный в электронном научно-популярном журнале «Мембрана» (www.membrana.ru).

Специалисты EPFL поясняют, что CleanSpace One - это проект по созданию целой линейки орбитальных уборщиков, размеры и детали строения которых будут приспособлены для захвата и сведения с орбиты самых разных старых аппаратов.

Новый спутник должен перехватывать мертвые аппараты или крупные обломки мусора и сводить их с околоземной орбиты, направляя в океан.

В качестве пробной цели разработчики намерены использовать один из двух пикоспутников. Кандидатура номер один - Swisscube. Это первый спутник швейцарского производства, созданный как раз в EPFL и запущенный в космос в 2009 году. Второй претендент на принудительное удаление с орбиты - опять же швейцарский Tlsat, запущенный в 2010 г.

Швейцарцы намерены стать пионерами в деле очистки околоземного пространства от космического мусора.

После вывода на орбиту CleanSpace One при помощи ионных двигателей начнет менять ее параметры так, чтобы аккуратно сойтись с целью, летящей несколько выше или ниже.

Сблизившись до минимального расстояния, мусорщик должен захватить бездействующий спутник или фрагмент разрушенного аппарата при помощи манипулятора. Строение этого универсального захвата будет подражать какому-нибудь природному аналогу - части растения или животного, сообщают швейцарцы.

Момент захвата, безусловно, самый ответственный во всей операции. Ведь спутник - цель не только способен сам маневрировать для стыковки, но некоторые такие аппараты вдобавок хаотично вращаются.

Принципиальным недостатком КА CleanSpace One является его оснащение устройством захвата КА-цели, рассчитанным на непосредственный контакт двух КА. Это определяет сложность конструкции устройства захвата и процесса маневрирования КА-буксира при его сближении с КА-целью.

Кроме этого, конструкция устройства рассчитывается на захват КА-цели с определенными габаритными размерами, что резко сокращает область применения конкретного КА-буксира. Многоразовое применение такого КА-буксира представляется также маловероятным.

Целью изобретения является устранение этих недостатков.

Указанная цель достигается тем, что многоразовый КА-буксир для уборки космического мусора (фиг.1 - фиг.3), состоящий из корпуса 1, приборного отсека 2 с системой управления 3, двигательной установки 4, солнечных батарей 5, головки самонаведения 6, оснащается несколькими устройствами дистанционного захвата космического мусора 7. Общий вид устройства дистанционного захвата космического мусора представлен на фиг.4-фиг.7.

Основу устройства захвата составляет космический гарпун 1, который вместе с пороховым двигателем 2 размещается в стакане 3, установленном на съемной крышке 4 контейнера 5. Поджиг порохового двигателя 2 осуществляется с помощью 2-мостикового пиропатрона 6.

Космический гарпун оснащается оперением 7, изготавливаемым из рессорно-пружинной стали.

В донной части космического гарпуна закрепляется трос 8, основная часть которого наматывается на барабан 9, установленный внутри контейнера 5.

На барабане устанавливается устройство разделения троса 10.

Снаружи контейнера соосно с барабаном устанавливается электропривод барабана 11.

Для защиты космического гарпуна от механических воздействий на всех этапах эксплуатации КА-буксира используется кожух 12.

КА-буксир функционирует следующим образом.

На первом этапе полета с использованием двигательной установки КА-буксира 4 и головки самонаведения 6 осуществляется сближение КА-буксира с КА-целью, на конечном этапе которого обеспечивается оптимальная ориентация КА-буксира относительно КА-цели, при которой продольная ось КА-буксира становится перпендикулярной к одной из граней корпуса КА-цели.

После достижения оптимального расстояния между КА-буксиром и КА-целью система управления КА-буксира 3 посылает электрический сигнал на 2-мостиковый пиропатрон установки космического гарпуна 6, с помощью которого срабатывает пороховой двигатель 2, обеспечивающий разгон космического гарпуна 1 с оперением 7 и тросом 8 с большой скоростью, его ударное заглубление внутрь корпуса КА-цели. В процессе полета космического гарпуна 1 осуществляется сматывание троса 8 с барабана 9.

На 2-м этапе полета срабатывает электропривод барабана 11, осуществляющий намотку троса 8 на барабан 9 и одновременное подтягивание КА-цели к КА-буксиру вплоть до их контакта. Оперение 7 при этом препятствует выходу космического гарпуна 1 из корпуса 1 КА-буксира. На этом заканчивается операция захвата КА-буксиром КА-цели.

На третьем этапе осуществляется баллистический маневр по переводу связки КА-буксир - КА-цель на траекторию полета КА-цели к Земле или на орбиту хранения КА-цели.

На заключительном этапе полета с помощью двигательной установки 4 КА-буксира осуществляется отделение КА-цели от КА-буксира. При этом срабатывает устройство разделения троса 10. После этого КА-буксир осуществляет полет для захвата следующей КА-цели. Общее число таких КА-целей определяется запасами топлива двигательной установки КА-буксира и числом устройств захвата космического мусора.

Техническим результатом изобретения, основанным на использовании устройств захвата космического мусора, является возможность дистанционного захвата КА-буксиром отработавших космических объектов вне зависимости от их геометрической формы и габаритных размеров и возможность многоразового применения КА-буксира в процессе полета, а также его перевода на орбиту хранения или на траекторию входа в атмосферу Земли.

Конструкция КА-буксира основана на использовании существующей элементной базы, что обеспечивает минимальные сроки и стоимость его создания.

Представляется целесообразным использование КА-буксира в рамках Международного сотрудничества и на коммерческой основе для решения актуальных задач, в том числе для очистки орбитальных позиций спутника на геостационарной орбите (ГСО) от отработавших спутников, например связных, путем их перевода на орбиту хранения, высота которой на ~ 200 км больше высоты ГСО. При этом может быть рассмотрен вариант увода нескольких отработавших спутников за один заход КА-буксира на ГСО.