Диссертация (Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбит при реализации активного удаления космического мусора), страница 5

» было проведено Европейским [22]и Французским космическими агентствами [23]. На интервале 2000-2012 гг. сиспользованием базы данных USSSTRATCOM был проведен анализ всехзапущенных КА и РН на соответствие требованиям ограничения техногенногозасорения, в части их увода по окончанию функционирования на орбиты сосроком существования не более 25 лет. На рисунках 1.1.15 и 1.1.16 представленырезультаты данного исследования для КА, РБ и ступеней РН. Как видно изгистограмм на данных рисунках, на исследуемом интервале времени около 39%запускаемых КА, РБ и ступеней РН не соответствуют мерам по ограничениютехногенного засорения.

Причинами данного несоответствия является отсутствиена запускаемых изделиях РКТ специальных устройств увода по окончаниюфункционирования, в следствие чего, 39% из запускаемых объектов будутоставаться на орбитах более 25 лет.Рисунок 1.1.15 – Соответствие КА мерам по ограничению техногенного засорения30Рисунок 1.1.16. – Соответствие РБ и ступеней РН мерам по ограничениютехногенного засоренияПоследние исследования в области оценки долговременной эволюции КМ,говорят о недостаточности применения данных мер в долгосрочной перспективе[6 - 10, 13, 24, 25], потому что текущее состояние техногенного засорениядостигло уровня, когда взаимные столкновения могут инициировать процесссаморазмножения космического мусора, широко известный как "cиндромКесслера", даже с учетом реализации всех мер по ограничению техногенногозасорения.

Поэтому, многие специалисты во всем мире приходят к выводу онеобходимости «очистки» околоземного космического пространства. При этомнаиболее целесообразным для исследования представляется КМ размером более10 см, т.к. операции активного удаления будут направлены на увод крупныхобъектов КМ, что в перспективе позволит предотвратить их возможныестолкновения с другими объектами, и как следствие образование более мелкогоКМ.Проблема разработки систем активного удаления космического мусораставится на уровне международных организаций МККМ и НТПК ООН, которые всвоих документах призывают способствовать развитию и разработке способовактивного удаления КМ.Теоретическиеисследованияпометодам“принудительного”уводанефункционирующих объектов из ОКП в разных странах ведутся более десятилет.

В настоящее время на крупнейших симпозиумах по вопросам КМ главной31задачей ближайшего будущего называют задачу его активного удаления. Однако,в настоящее время нет достаточного обоснования применения конкретныхметодовудаленияиоценкивлиянияпримененияданныхметодов надолгосрочную эволюцию КМ. Рассмотрим предлагаемые на данный моментметоды активного удаления КМ [2].Следует разделить все методы активного удаления на две большие группыпо размеру возможности наблюдения удаляемых объектов: методы удалениякрупных объектов (>10 см) и удаления мелких объектов КМ (<10 см). В работах[24, 25] дается обоснование необходимости удаления в ближайшем будущемкрупных объектов, что является реализуемой задачей и более эффективной, сточки зрения снижения техногенного засорения.На сегодняшний день все способы очистки космического пространства отобъектов КМ можно условно разделить на три большие группы:− торможение объектов космического мусора с низким перигеем орбиты, споследующим сгоранием КМ в атмосфере Земли или падением в малонаселённыхрайонах;− разгон или изменение направления вектора скорости КМ на орбитах свысоким перигеем, для увода его на орбиту захоронения;− уничтожение или дробление КМ различными техническими средствами.Рассмотрим задачу удаления крупного объекта КМ.

Проанализировав [2],можно выделить два концептуально различающихся метода удаления крупныхобъектов КМ: использование сервисных КА (СКА) для непосредственногоудаления КМ или присоединения к ним специальных устройств, решающих этузадачу,использованиеназемныхлазеровилианалогичныхсистемдлядистанционной передачи энергии объектам с целью их удаления.Возможно, наиболее детальным исследованием наземного лазера, которыйможет быть использован для очистки космической среды, был проект ORION[26], возглавлявшийся НАСА и разработанный для оценки технических иэксплуатационных требований такой системы. Цель состояла в том, чтобыпонизить перигей каждого фрагмента мусора до 200 км или ниже, чтобы32гарантировать быстрый вход в атмосферу.

Консервативная стоимостная оценкапри максимальном использовании существующей инфраструктуры - 100миллионов долларов в ценах 1995 г. По результатам исследований был сделанвывод о технической и экономической неэффективности в настоящее время такойсистемы. В настоящее время ведутся работы по исследованию подобного родаспособов удаления КМ.При удалении большого объекта с использованием СКА предполагаетсяблизкое сближение и использование сложных методов захвата больших объектов:сеть, надувной лонжерон, закрепленный гарпун, соединительный трос/лассо,электростатическое/клейкое покрытие, также возможны и бесстыковочныеметоды воздействия на объект для его удаления.

Процедура усложняется, еслиобъект вращается или имеет на борту энергоемкие материалы. Исследованияразличных авторов показали [2], что наличие вращения - главное препятствие приудалении крупноразмерного КМ. Это особенно большая проблема для удалениягеостационарных спутников, так как многие из этих спутников стабилизированывращением. Чтобы остановить вращение геостационарного спутника с двойнымвращением потребуется только 0,36 кг топлива при использовании двигателя судельным импульсом 300 с. Однако, в области НОО большинство объектов имеетнебольшой угловой момент из-за комбинации внутренних импульсных устройств,стабилизации градиента гравитации и аэродинамических вращающих моментов.Другая особенность систем предназначенных для активного удаления - большиетребования по энергии и топливу.

Чтобы максимизировать эффективность,системы должны удалять несколько объектов за каждый полет. Поэтому, вотличие от большинства КА, которые нужно только вывести на орбиту,орбитальные системы удаления мусора должны не только маневрировать междунесколькими объектами мусора, но и передать каждому объекту ∆V для схода сорбиты или перемещения. Поэтому, назначая группы целевых объектов в узкомдиапазоне высот и наклонений, было бы очень полезным минимизироватьколичество маневров между объектами.33Максимальный уровень проработки имеют проекты очистки от мусоранизких орбит, что связано, во-первых, со сравнительной простотой их реализации,а во-вторых, с необходимостью решать проблему защиты от КМ Международнойкосмической станции (МКС).

В общем случае в существующих проектах объектыКМ тормозятся в искусственно созданных зонах с высокой плотностью веществаилисиловогополяэлектростатические(газовыеполя),илилибопылевыеоблака,улавливаютсямагнитныеили«мусоросборщиками»,выполненными в виде СКА, оборудованных специальными устройствами.Преимуществом таких проектов является простота их техническойреализации (использование пассивных, неуправляемых средств воздействия наобъекты КМ), а также дешевизна, определяемая небольшой высотой целевойорбиты и, следовательно, возможностью использования ракет-носителей лёгкогои среднего классов.

Также малая высота орбиты позволяет для создания СКАиспользовать платформу CubeSat.Уничтожение или дробление объектов космического мусора, несмотря навнешнюю привлекательность с точки зрения возможности многоразовогоприменения, имеет два существенных недостатка: невозможность абсолютногоуничтожения при использовании механических средств воздействия на КМ ипотребность в высокой энерговооружённости сервисного КА при использованииэнергетических средств воздействия на КМ. Несмотря на то, что тенденцииразвитияспутникостроенияпоследнихлетпоказалипринципиальнуювозможность создания КА с мощностью солнечных батарей в сто киловатт ивыше, а также успешные испытания боевых лазеров, целесообразность вуничтожении объектов КМ не очевидна и эта задача требует дополнительныхисследований направленных в первую очередь на оценку вероятности и величинывторичного засорения орбиты продуктами распада уничтожаемых объектов КМ.Перспективными направлениями исследований по созданию методов исредств удаления крупноразмерных объектов КМ с использованием КАорбитального обслуживания (сервисных КА) являются следующие:341) создание средств стыковки сервисных КА с некооперируемыми КО ифункционирующими изделиями РКТ для проведения операций увода;2) разработка сервисных КА для закрепления на целевых объектах КМавтономных тормозящих систем:− устройства повышения сопротивления КМ при его движении в верхнейатмосфере в области НОО;− электродинамические тросы - проводящие тросы длиной несколькокилометров, прикрепляемые к удаляемому объекту КМ;− солнечные паруса – прикрепляются к КМ и за счёт давления солнечногоизлучения обеспечивают его увод с орбиты;− модуливсоставедвигателяисистемыуправления,которыеприкрепляются к крупному КМ и обеспечивают его торможение;3) разработка сервисных КА для дистанционного воздействия на целевыеобъекты КМ:− использование бортовых лазеров для создания механического импульса,действующего на КМ, за счёт эффекта абляции;− использование ионных пучков для создания механического импульса,действующего на КМ;4) создание с помощью сервисных КА «ловушек» (большие многослойныесферы, заполненные пеной сотовые структуры и др.) для торможения и сборамелкодисперсной фракции КМ в районах её наибольшего скопления.Из предлагаемых технических решений наиболее реально в ближайшейперспективе создание сервисных КА, оснащенных средствами стыковки и уводакрупногабаритных объектов КМ.Рассмотрим различные возможные методы стыковки для удаления КМ.Первыйичастичноиспользованиемотработанныйроботизированногометодстыковкиманипулятора.сервисногоАналогичныеКАссистемыиспользуются на Space Shuttle и МКС для стыковки с различными объектами.Следует отметить, что с использованием таких манипуляторов Space Shuttleсовершил как минимум 2 операции удаления объектов из космоса по программам35Hubble и LDEF [2], поэтому применение данной технологии являетсяперспективным, т.к.