Ловля космического мусора сеткой

О космическом мусоре, то есть объектов на орбитах, которые не функционируют, неисправны и совершенно бесполезны, говорят и пишут много. Проблема действительно серьезная, поскольку по данным Управления ООН по вопросам космического пространства, на низких околоземных орбитах, на высотах до 2000 км, находится около 300 тысяч искусственных объектов, по большей части обломков. Их число увеличивается в силу новых запусков и в силу столкновения одних обломков с другими с фрагментацией. Ближний космос уже стал небезопасен. МКС и спутникам теперь приходится выполнять маневры уклонения от опасных обломков.

Тем временем до космоса дорвались частники, и вот SpaceX Илона Маска собирается запустить 12 тысяч спутников для системы спутникового интернета и недавно уже запустил первые 60 аппаратов, пролет которых цепочкой был хорошо виден с Земли. 12 тысяч спутников - это очень много. Для сравнения сейчас на орбитах находится около 2000 действующих спутников. Разумеется, что часть из них будет со временем выходить из строя и заменяться другими, некоторые станут жертвами столкновений с космическим мусором. В общем, обломков на низких околоземных орбитах станет только больше. Еще пара-тройка таких энтузиастов, как Маск, и любой космический полет будет сопряжен с высоким риском столкновения с каким-нибудь куском металла. Обломок весом в 1 кг, летящий со скоростью 10 км/сек, имеет кинетическую энергию в 50 тысяч кДж. Для сравнения, килограмм тротила имеет всего 4187 кДж.

При этом, разговоры об опасности космического мусора представляют собой почти в чистом виде разговоры в пользу бедных, то есть одни слова, но без выдвижения каких-нибудь технически реализуемых идей. В материалах по этой теме можно прочитать, что средств против космического мусора не разработано. "Роскосмос" в 2014 году собирался создать аппарат, чтобы почистить от неисправных спутников геостационарные орбиты, который даже предварительно назвали "Ликвидатор". Так вот, по этому поводу первый заместитель генерального директора ЦНИИМаш Александр Данилюк высказался так: "Задача такого аппарата сверхсложная". Не нужно думать, что это только российские специалисты таковы. В зарубежных космических агентствах и компаниях картина та же: ворох мыслей (вроде лазерного нагрева обломков с целью сведения их с орбиты), и никаких конкретных идей, не то, чтобы проектов. Японская JAXA попыталась опробовать в космосе аппарат по сбору мелких обломков, но у них не получилось.

Вообще, просто удивительная пассивность и удивительное скудоумие в столь важном вопросе. На мой взгляд, это связано с тем, что в космических агентствах и компаниях стало слишком много людей, которые лишь выдают себя за специалистов, на деле таковыми не являясь. Поэтому и хороших идей им в голову не приходит. Дело давно потонуло в бесконечной говорильне.

По этой причине возьму инициативу на себя.

Лично я категорически не согласен с мнением Александра Данилюка, да и многих других, что это будто бы сверхсложная задача. Наоборот, она довольно проста, если ее ясно сформулировать. Неисправный спутник или обломок летит по определенной околоземной орбите. Сам он покинуть эту орбиту не может, поскольку у него нет двигателей, которые могли бы дать ему тормозящий импульс. Импульс нужен, чтобы сместить перигей орбиты в плотные слои атмосферы (примерно до высоты 100 км и ниже). Тогда неисправный аппарат или обломок либо сгорит при снижении в атмосфере, либо упадет на Землю. Таким образом, надо обломку или неисправному спутнику помочь.

На мой взгляд, лучше всего это сделать с помощью специального автоматического аппарата, который сумел бы соединиться с обломками, и совершить вместе с ними маневр торможения. Такой аппарат я условно назову "буксиром". В сущности, он буксирует обломки на орбиту, ведущую их в плотные слои атмосферы.

Рассмотрим все, от начала до конца. Первый этап - запуск буксира на определенную орбиту, в плоскости которой находятся орбиты обломков, подлежащих сведению. Это компланарное выведение. Оно наиболее выгодное, поскольку некомпланарное выведение (когда плоскость орбиты аппарата не совпадает с плоскостью орбиты цели) сильно ограничивает маневры, а смена наклонения и долготы восходящего узла орбиты - это весьма энергоемкие маневры. Топливо же аппарату нужно экономить, чтобы собрать побольше обломков.

Далее, буксир выводится на орбиту ожидания (обычно круговую и расположенную ниже орбиты цели). На этом этапе, по данным наземных радаров или спутников слежения за космическим мусором, выбираются конкретные обломки, к которым буксир может подойти наиболее экономичным образом. Для перехода с орбиты ожидания на орбиту цели лучше всего использовать траекторию Хомана (также Гомана), как наиболее простую и наименее энергоемкую. В этом маневре всего два разгонных импульса. Траектория Хомана требует довольно много времени, ну так мы никуда не торопимся. Апогей траектории Хомана рассчитывается так, чтобы подвести буксир как можно ближе к цели - конкретному обломку или их скоплению. Этот метод используется при стыковке кораблей и называется этапом дальнего наведения.

Следующий этап - ближнее наведение. Цель захватывается бортовыми средствами буксира и выполняются маневры по сближению на минимальное расстояние. В стыковочных маневрах используется либо метод параллельного сближения, когда учитывается движение аппарата и цели по орбитам, либо метод свободных траекторий, когда буксир сначала разгоняется в направлении цели, а потом, сблизившись, тормозит, сокращая свою скорость до самого минимума. Второй способ более предпочтителен, поскольку буксиру нужна некоторая скорость для захвата обломка, а также подобные маневры буксир может выполнять в скоплении обломков, захватывая их один за другим.

На мой взгляд, захват обломка лучше всего производить чем-то вроде сетки, например сетчатой или проволочной ловушкой. Прототип этой сетчатой ловушки - старая, добрая рыболовная снасть: морда или верша, с некоторыми модификациями. Внешняя часть ее сделана из очень мелкой проволочной сетки, способной задержать даже мелкие обломки, а ловящая конусная часть сделана из гибкой и упругой проволоки, прикрепленной к внешнему контуру ловушки так, чтобы отрезки проволоки образовывали внутри ловушки конус. Ловушка может быть различной по размеру, от 50-60 см в диаметре для мелочи, и до нескольких метров для более крупных обломков (в этом случае она должна быть складной; запускаться в сложенном состоянии и раскрываться уже в космосе).

Буксир сближается с обломком, корректируясь показаниями радара или лидара, так, чтобы обломок был по центру входной части ловушки. Буксир поддерживает скорость сближения, превышающую скорость обломка на 0,2-0,3 м/с или до 1 м/с. На такой скорости контакта с ловушкой обломок не сможет ее повредить или пробить. Обломок попадает во входную часть ловушки, скользит внутрь по проволоке, отгибая ее в стороны. Соскользнув с проволоки, обломок остается внутри сетки и уже не может оттуда вывалиться. Рыбка попала в сеть и теперь ее можно вытащить. Маневрируя в скоплении обломков, буксир сможет по очереди собрать их в ловушку.

Теперь завершающий этап сведения собранных в ловушку обломков. Для этого буксиру нужно выполнить торможение, так, чтобы перигей его орбиты оказался в плотных слоях атмосферы.

Буксир может быть одноразовым. Собрав в ловушку побольше обломков, насколько у него хватило топлива, аппарат выполняет торможение специально оставленным резервом топлива, и спускается в плотные слои атмосферы и сгорает вместе со своим уловом. Но буксир может быть и многоразовым (например, иметь вместительные баки и стыковочный узел для дозаправки). Многоразовый аппарат мне нравится больше, поскольку его полет будет более эффективным. Тогда, он сводит собранные обломки с орбиты следующим образом. Сначала выполняется торможение, орбита аппарата меняется. Затем буксир отделяет заполненную обломками проволочную ловушку и она летит вниз по сформированной орбите. После отделения ловушки, буксир тотчас же разгоняется и возвращается на круговую орбиту ожидания. Вскоре ему выдаются новые цели.

Осталось еще только добавить, что один буксир чистит орбиты в узком диапазоне наклонения и высоты, чтобы расходовать минимум топлива на маневры. Для очистки орбит в широком диапазоне наклонений, долготы и высоты нужно запустить большую группировку буксиров. Некоторые из них после завершения основной миссии могут быть оставлены на орбитах выжидания для ловли не выявленных ранее или вновь образовавшихся обломков.

Не стану сейчас углубляться в тонкости компоновочных решений подобного буксира, хотя тут тоже можно предложить целый ряд оригинальных и экстравагантных идей. Эту тему можно при желании обсудить отдельно. Я лишь остановлю внимание на том, что предложенная идея - простая. Она основана на хорошо известных и давно освоенных маневрах стыковки, только вместо соединения стыковочных узлов тут захват обломка в ловушку. Наверное, надо просто меньше говорить и больше думать.

Материал недели
Главные темы
Рейтинги
АПН в соцсетях
  • Вконтакте
  • Facebook
  • Twitter