№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 629.78.001.5: 629.7.018.3: 629.7.036.8
© 2012 г. МАСЛЕННИКОВ А.А.
ПРОЕКТНО-БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА-МУСОРЩИКА НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ МЕГА-ВАТТНОГО КЛАССА ПО ОЧИСТКЕ ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ ОТ НЕРАБОТАЮЩИХ СПУТНИКОВ
Рассмотрено распределение отработавших свой срок пассивных КА по орбитальным параметрам на геостационарной орбите (ГСО). Представлены результаты про-ектно-баллистических исследований возможности использования специализированного КА-мусорщика с ЯЭРДУ мощностью ~1 МВт для очистки ГСО от пассивных КА. Рассмотрена схема его функционирования, состав и его основные технические параметры. Показано, что для очистки ГСО от всех пассивных КА потребуется работа примерно одиннадцати специализированных КА-мусорщиков в течении 10 лет.
Введение. С расширением деятельности человека в космосе растет число космических аппаратов (КА) различного назначения в околоземном космическом пространстве. По мере истечения ресурса КА переходят из активных аппаратов в разряд пассивного космического мусора. С течением времени может происходить разрушение этих КА на большое количество более мелких объектов за счет их самопроизвольного разрушения и из-за столкновений этих КА. Увеличение числа более мелких объектов приводит к увеличению вероятности их столкновения друг с другом и с более крупными объектами, в т.ч. и с активными КА. Со временем наличие большого количества осколков может привести к ситуации, при которой столкновение с активными КА может быть неизбежным на сравнительно малом промежутке времени. Это может сделать невозможным дальнейшее освоение и использование космического пространства ввиду большого риска выхода из строя запускаемых КА. Причем, естественное очищение околоземного пространства возможно только на орбитах высотой до 1000 км за счет торможения в остаточной атмосфере Земли. На высотах более 500 км время естественного очищения может составлять сотни лет. Поэтому для своевременной очистки необходимо применять принудительные методы. Возможны два варианта очистки — временный и кардинальный.
Временный вариант заключается в том, что пассивные КА переводятся с очищаемой орбиты на неиспользуемую или малоиспользуемую. Для геостационарной орбиты (ГСО) возможно "захоронение" отработавших свой ресурс КА на орбитах высотой на несколько сотен километров выше ГСО. Однако этот метод не предотвращает столкновений между КА или возможности их самопроизвольного разрушения с течением времени, что приведет в перспективе к возможной миграции осколков на используемые орбиты под влиянием Луны, Солнца и импульсов от столкновений. Кроме этого, при пролете КА через эти орбиты также может произойти столкновение.
Кардинальный метод заключается в том, что вышедшие из строя пассивные КА собираются и затем затапливаются в заданных районах мирового океана.
В данной статье рассматривается кардинальный метод очистки.
Ранее в [1] была рассмотрена система из нескольких буксиров на основе ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭРДУ) мощностью 150 кВт, обеспечивающей кардинальный метод очистки. В состав системы входит три модификации многоразового межорбитального буксира (ММБ). Первая модификация ММБ обеспечивает сбор восьми пассивных КА на грузовую платформу (ГП), вторая доставляет пустые ГП на ГСО, а третья обеспечивает спуск перицентра орбиты загруженной ГП до высоты 800 км. Применение такой системы очистки, состоящей из нескольких буксиров, каждый из которых обеспечивает только определенную операцию по очистке ГСО, обусловлено малой мощностью рассматриваемой ЯЭРДУ (150 кВт). При такой величине мощности использование одного ММБ на всех этапах очистки ГСО потребует больших затрат времени. Поэтому применение нескольких ММБ позволяет выполнять параллельно нескольких операций сразу, что значительно сокращает продолжительность очистки ГСО. Наличие нескольких модификаций ММБ приводит к необходимости обеспечения стыковок вновь доставленных ГП и ГП с удаляемыми КА с соответствующими модификациями ММБ. Каждая ГП может оказаться сложным и дорогим устройством, так что одноразовое ее использование, с учетом того, что для полной очистки ГСО потребуется ~80 ГП платформ, может оказаться экономически невыгодным. Также потребуется один ММБ первой модификации, семь ММБ второй модификации и 16 ММБ третьей модификации — всего 24 ММБ.
Для упрощения, ускорения и удешевления процесса очистки ГСО от неработающих КА может быть более эффективным использование ММБ мощностью ~1 МВт. В настоящее время в рамках Президентской программы модернизации экономики России идет разработка транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) мощностью ~1 МВт на основе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с газотурбинной схемой преобразования тепловой энергии в электрическую (цикл Брайтона). Проект должен быть реализован в 2010—2018 гг. [2]. Данная статья посвящена определению возможностей использования ММБ на основе ТЭМ для очистки ГСО от пассивных КА.
Распределение пассивных КА на ГСО
Последние исследования населенности ГСО [3] показали, что общее число околостационарных объектов на 31 декабря 2009 г. составляет 1238. В их число были включены спутники, ракетные ступени и некоторые фрагменты у которых наклонение менее 30°, среднее движение находится в пределах от 0,9 до 1,1 витков в сутки, а эксцентриситет не превышает 0,2. Из них управляемых насчитывается 391, неуправляемых — 840. Большинство пассивных КА (594) находятся в состоянии дрейфа вдоль ГСО, 169 находятся в состоянии либрации (109 вокруг точки 75° в.д., 43 вокруг 105° з.д. и 17 перемещаются от одной точки к другой). Пассивные спутники в состоянии либрации качаются относительно указанных точек с размахом, примерно равным начальному отклонению от нее по долготе, или ходят от западной точки к восточной и обратно. Для 77 объектов орбиты не были определены, а для семи объектов не было определено их состояние (активное или пассивное).
На рис. 1 показано распределение орбит пассивных КА (всего 761 по данным ТЬЕ на 25.10.2010 г., см. [4]) для ГСО по величине ее большой полуоси а в зависимости от наклонения I и эксцентриситета е. На рис. 2 показаны соответствующие проекции распределения орбит КА для ГСО на координатные плоскости. Большинство этих КА занимают орбиты с а от 41800 км до 43000 км (высота орбиты 35430—36630 км). Наклонение орбит этих КА достигает 17°, а эксцентриситет, в основном, не превышает 0,01.
На рис. 3 и 4 представлено аналогичное распределение величины эксцентриситета е в зависимости от наклонения I и долготы восходящего узла О. Видно, что большинство орбит КА имеют значения долготы восходящего узла от 0 до 100° и от 290 до 360°.
Рис. 1. Распределение орбит КА для ГСО по величине ее большой полуоси в зависимости от наклонения и эксцентриситета
а, км 44000
потт™ 111
■
шшт
43000 42000
рЙ-ГП 1 к
И
ж
1гг+~н44а
1
ШхпН I-ШШ1-
0
0,04 " е 0,08
х'^12 48
16
0,12 0
Рис. 2. Проекции распределения орбит КА для ГСО на координатные плоскости
готы восходящего узла
Рис. 4. Проекции распределения орбит КА для ГСО на координатные плоскости
Проектный облик специализированного КА-мусорщика на основе ТЭМ
Концепция такого специализированного КА-мусорщика описана в работах [5, 6]. Идея концепции заключается в том, что огромное число космического техногенного мусора образуется в результате разрушения отработавших свой срок КА, РБ и верхних ступеней РН, так что представляется целесообразным осуществлять своевременный увод указанных объектов с их орбит. Одним из возможных способов решения этой проблемы может быть принудительный перевод пассивного КА или отработавшего РБ (верхней ступени РН) на более низкую орбиту с малой продолжительностью баллистического существования с помощью специализированного КА-мусорщика.
Очистка ГСО от пассивных КА — процесс трудоемкий, так как большинство удаляемых КА, РБ и их фрагментов находятся на орбитах, параметры которых могут значительно отличаться по высоте, наклонению и долготе восходящего узла, что требует больших затрат характеристической скорости (Ух). Достижение ГСО и спуск с нее пассивных КА является весьма энергоемким. Поэтому эффективность такого специализированного КА-мусорщика будет зависеть от удельного импульса его двигательной установки (ДУ). Большей эффективностью будет обладать аппарат на основе ЭРДУ, имеющей значительный удельный импульс (порядка нескольких тысяч секунд). Однако, обладая значительным удельным импульсом, ЭРДУ имеет сравнительно низкий уровень тяги. Поэтому движение КА с ЭРДУ является движением с малой тягой, которая не позволит осуществлять оперативное сближение и захват пассивного КА для последующей его транспортировки на более низкую орбиту. Решить эту проблему можно, разместив на специализированном КА-мусорщике ДУ большой тяги на основе ЖРД. Однако так как ЖРД обладает низким удельным импульсом, а масса КА-мусор-щика с учетом уже захваченных пассивных КА может достигать 50 т и более, потребуются значительные затраты топлива для ЖРД при осуществлении операций сближения и захвата очередного пассивного КА. Это уменьшит эффективность специализированного КА-мусорщика с ЭРДУ, так как увеличит массовые затраты на очистку ГСО, что отразится на росте ее стоимости.
Повысить эффективность специализированного КА для очистки околоземного космического пространства от пассивных КА и их фрагментов можно путем введения в его состав автономного модуля (АМ) с ЖРД большой тяги, осуществляющего автономное от специализированного КА-мусорщика сближение с удаляемым КА, его захват и доставку к специализированному КА. Целесообразность и эффективность использования такого автономного модуля будет еще выше, если учесть, что пассивные КА могут вращаться и для того, чтобы их захватить потребуется соответствующее вращение КА-мусорщика вокруг оси вращения пассивного КА. При этом достигается состояние относительной неподвижности КА-мусорщика относительно захватываемого
7 9 10 11 19 18 17
Рис. 5. Общий вид специализир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.