Анализ подходов к очистке околоземного космического пространства от объектов космического мусора с габаритным размером менее 10 см

Статья в Elpub

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 14-26

Анализ подходов к очистке околоземного космического пространства от объектов космического мусора с габаритным размером менее 10 см

Майорова В. И., Леонов В. В., Гришко Д. А.

Аннотация

В статье проведён анализ подходов к очистке околоземного космического пространства от малых объектов космического мусора, т.е. объектов с габаритными размерами меньше 10 см. Одна из основных особенностей таких объектов заключается в том, что их проблематично отслеживать наземными средствами контроля космического пространства. Вместе с тем, столкновение действующего космического аппарата с ними приведёт к выходу его из строя, а в худшем случае - разрушению. Подробно рассмотрены две принципиальные схемы: пассивная и активная, их особенности, преимущества и недостатки, сформулированы критические технологии. DOI: 10.7463/aersp.0116.0833914

Список литературы

1. NASA Orbital Debris Program Office: официальный сайт. Режим доступа: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/index.html (дата обращения 12.11.2015).

2. Orbital Debris Quarterly News. 2015. Vol. 19, Issue 4, 14 p. Режим доступа: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv19i4.pdf (дата обращения 12.11.2015).

3. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee: официальный сайт. Режим доступа: http://www.iadc-online.org (дата обращения 14.11.2015)

4. CelesTrak: сайт. Режим доступа: https://celestrak.com (дата обращения 12.11.2015).

5. Micrometeoroids and Space Debris // European Space Agency: сайт. Режим доступа: http://space-env.esa.int/madweb (дата обращения 12.11.2015).

6. Модель космоса. T. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / Под ред. М. Панасюка и Л.Новикова. М.: КДУ, 2007. 1144 с.

7. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Петров А.Н., Новиков Л.С. [и др.] Структура микрократеров на поверхности металлических образцов, экспонировавшихся в открытом космосе // Физика и химия обработки материалов, 2002. № 2. С. 21-25.

8. Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор - угроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2012. 192 с.

9. Andrenucci M., Pergola P., Ruggiero A. Active Removal of Space Debris. Expanding foam application for active debris removal. Final Report. ESA, 2011. 132 p. Режим доступа: http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/ARI/ARI%20Study%20Report/ACT-RPT-MAD-ARI-10-6411-Pisa-Active_Removal_of_Space_Debris-Foam.pdf (дата обращения 12.11.2015).

10. Lakshya Datta Introduction to Space Debris: Challenges and Removal Techniques: Fundamentals of Space Debris Removal from Low Earth Orbit and Middle Earth Orbit. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 116 p.

11. White A.E. Lewis H.G. An adaptive strategy for active debris removal // Advances in Space Research, 2014. Vol. 53. Issue 8, P. 1195-1206. DOI: 10.1016/J.ASR.2014.01.02112.

12. Космический мусор. В 2 кн. Кн. 2 Предупреждение образования космического мусора / Под науч. ред. Г.Г. Райкунова. М.: Физматлит, 2014. 188 с.

13. Castronuovo M. Active space debris removal - A preliminary mission analysis and design // Acta Astronautica, 2011. Vol. 69. Issues 9-10. P. 848-859. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2011.04.01714.

14. Symposium A6. Space Debris Symposium // 66th International Astronautical Congress, 2015. Режим доступа: https://iafastro.directory/iac/browse/IAC-15/A6/ (дата обращения 24.10.2015).

15. Electro Dynamic Debris Eliminator Vehicle // Star Technology and Research: сайт. Режим доступа: http://www.star-tech-inc.com/index.html (дата обращения 12.11.2015).

16. Трофимов С.П. Увод малых космических аппаратов с верхнего сегмента низких орбит с помощью паруса для увеличения силы светового давления // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2015. № 32. 32 с.

17. Горбунов А.П., Нещименко В.В. Раздуваемый тормозной экран для спуска отработавших космических аппаратов // Вестник АмГУ, 2015. № 71. С. 42-48

18. Опытное конструкторское бюро «Факел»: Официальный сайт. Режим доступа: http://www.fakel-russia.com (дата обращения 12.11.2015).

19. Аббасова Т.С. Повышение эффективности систем преобразования солнечной энергии // Электротехнические комплексы и системы управления, 2011. №3. С. 38-43.

20. Райкунов Г.Г. , Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. М.: Физматлит. 2009. 448 с.

21. Scarborough S.E., Cadogan D.P. Applications of inflatable rigidizable structures // Proc. of Int. SAMPE Symposium and Exhibition, 2006. Vol. 51, P. 1-15.

22. Буслов Е.П., Юдин Е.Ю. Расчётно-экспериментальное исследование повреждений защитных экранов космических аппаратов при ударах высокоскоростных частиц // Космонавтика и ракетостроение, 2012. №1 (66). С. 82-92.

23. Зеленцов В.В. Проблемы мелкого космического мусора // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 04. С. 89-104. DOI: 10.7463/0415.0764904

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 14-26

Analysis of Approaches to the Near-Earth Orbit Cleanup from Space Debris of the Size Below10 cm

Maiorova V. I., Leonov V. V., Grishko D. A.

Abstract

Nowadays, there are a lot of concepts aimed at space debris removal from the near-Earth orbits being under way at different stages of detailed engineering and design. As opposed to large-size space debris (upper-stages, rocket bodies, non-active satellites), to track the small objects of space debris (SOSD), such as picosatellites, satellite fragments, pyrotechnic devices, and other items less than 10 cm in size, using the ground stations is, presently, a challenge.
This SOSD feature allows the authors to propose the two most rational approaches, which use, respectively, a passive and an active (prompt maneuverable) space vehicles (SV) and appropriate schematic diagrams for their collection:
1) Passive scheme – space vehicle (SV) to be launched into an orbit is characterized by high mathematical expectation of collision with a large amount of SOSD and, accordingly, by high probability to be captured using both active or the passive tools. The SV does not execute any maneuvers, but can be equipped with a propulsion system required for orbit’s maintenance and correction and also for solving the tasks of long-range guidance.
2) Active scheme – the SV is to be launched into the target or operating orbit and executes a number of maneuvers to capture the SOSD using both active and passive tools. Thus, such a SV has to be equipped with a rather high-trust propulsion system, which allows the change of its trajectory and also with the guidance system to provide it with target coordinates. The guidance system can be built on either radio or optical devices, it can be installed onboard the debris-removal SV or onboard the SV which operates as a supply unit (if such SVs are foreseen).
The paper describes each approach, emphasizes advantages and disadvantages, and defines the cutting-edge technologies to be implemented.

References

1. NASA Orbital Debris Program Office: ofitsial'nyi sait. Rezhim dostupa: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/index.html (data obrashcheniya 12.11.2015).

2. Orbital Debris Quarterly News. 2015. Vol. 19, Issue 4, 14 p. Rezhim dostupa: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv19i4.pdf (data obrashcheniya 12.11.2015).

3. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee: ofitsial'nyi sait. Rezhim dostupa: http://www.iadc-online.org (data obrashcheniya 14.11.2015)

4. CelesTrak: sait. Rezhim dostupa: https://celestrak.com (data obrashcheniya 12.11.2015).

5. Micrometeoroids and Space Debris // European Space Agency: sait. Rezhim dostupa: http://space-env.esa.int/madweb (data obrashcheniya 12.11.2015).

6. Model' kosmosa. T. 2. Vozdeistvie kosmicheskoi sredy na materialy i oborudovanie kosmicheskikh apparatov / Pod red. M. Panasyuka i L.Novikova. M.: KDU, 2007. 1144 s.

7. Nikitushkina O.N., Ivanov L.I., Petrov A.N., Novikov L.S. [i dr.] Struktura mikrokraterov na poverkhnosti metallicheskikh obraztsov, eksponirovavshikhsya v otkrytom kosmose // Fizika i khimiya obrabotki materialov, 2002. № 2. S. 21-25.

8. Veniaminov S.S., Chervonov A.M. Kosmicheskii musor - ugroza chelovechestvu. M.: IKI RAN, 2012. 192 s.

9. Andrenucci M., Pergola P., Ruggiero A. Active Removal of Space Debris. Expanding foam application for active debris removal. Final Report. ESA, 2011. 132 p. Rezhim dostupa: http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/ARI/ARI%20Study%20Report/ACT-RPT-MAD-ARI-10-6411-Pisa-Active_Removal_of_Space_Debris-Foam.pdf (data obrashcheniya 12.11.2015).

11. White A.E. Lewis H.G. An adaptive strategy for active debris removal // Advances in Space Research, 2014. Vol. 53. Issue 8, P. 1195-1206. DOI: 10.1016/J.ASR.2014.01.02112.

12. Kosmicheskii musor. V 2 kn. Kn. 2 Preduprezhdenie obrazovaniya kosmicheskogo musora / Pod nauch. red. G.G. Raikunova. M.: Fizmatlit, 2014. 188 s.

13. Castronuovo M. Active space debris removal - A preliminary mission analysis and design // Acta Astronautica, 2011. Vol. 69. Issues 9-10. P. 848-859. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2011.04.01714.

14. Symposium A6. Space Debris Symposium // 66th International Astronautical Congress, 2015. Rezhim dostupa: https://iafastro.directory/iac/browse/IAC-15/A6/ (data obrashcheniya 24.10.2015).

15. Electro Dynamic Debris Eliminator Vehicle // Star Technology and Research: sait. Rezhim dostupa: http://www.star-tech-inc.com/index.html (data obrashcheniya 12.11.2015).

16. Trofimov S.P. Uvod malykh kosmicheskikh apparatov s verkhnego segmenta nizkikh orbit s pomoshch'yu parusa dlya uvelicheniya sily svetovogo davleniya // Preprinty IPM im. M.V. Keldysha, 2015. № 32. 32 s.

17. Gorbunov A.P., Neshchimenko V.V. Razduvaemyi tormoznoi ekran dlya spuska otrabotavshikh kosmicheskikh apparatov // Vestnik AmGU, 2015. № 71. S. 42-48

18. Opytnoe konstruktorskoe byuro «Fakel»: Ofitsial'nyi sait. Rezhim dostupa: http://www.fakel-russia.com (data obrashcheniya 12.11.2015).

19. Abbasova T.S. Povyshenie effektivnosti sistem preobrazovaniya solnechnoi energii // Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya, 2011. №3. S. 38-43.

20. Raikunov G.G. , Komkov V.A., Mel'nikov V.M., Kharlov B.N. Tsentrobezhnye beskarkasnye krupnogabaritnye kosmicheskie konstruktsii. M.: Fizmatlit. 2009. 448 s.

21. Scarborough S.E., Cadogan D.P. Applications of inflatable rigidizable structures // Proc. of Int. SAMPE Symposium and Exhibition, 2006. Vol. 51, P. 1-15.

22. Buslov E.P., Yudin E.Yu. Raschetno-eksperimental'noe issledovanie povrezhdenii zashchitnykh ekranov kosmicheskikh apparatov pri udarakh vysokoskorostnykh chastits // Kosmonavtika i raketostroenie, 2012. №1 (66). S. 82-92.

23. Zelentsov V.V. Problemy melkogo kosmicheskogo musora // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 04. S. 89-104. DOI: 10.7463/0415.0764904