федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
Самарские ученые создали руководство по эффективному "сдуванию" мусора с орбиты

Самарские ученые создали руководство по эффективному "сдуванию" мусора с орбиты

Самарский университет

Космических "дворников" вооружат плазменными "метлами"

разработки Исследования Наука кафедра теоретической механики институт авиационной и ракетно-космической техники Ледков Александр Асланов Владимир
30.11.2022 2022-11-30

Ученые Самарского университета им. Королёва разработали технологию для осуществления миссии по эффективной и безопасной уборке космического мусора с орбиты. Она детально описана в книге "Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком" (1), опубликованной в ноябре в издательстве "Эльзевир" (Elsevier) - одном из четырех крупнейших научных издательских домов мира. Авторы монографии - профессор Владимир Асланов и доцент Александр Ледков. Представленная учеными технология представляет собой улучшенную методику очистки орбиты с использованием плазменного факела - ионного потока, создаваемого электрическим двигателем космического аппарата-уборщика. При таком способе уборки плазменная "метла" космического "дворника" потоком ионов сметает космический мусор в нужном направлении, отправляя его в атмосферу Земли для последующего сгорания в плотных слоях или перемещая на специальную орбиту захоронения - орбитальный мусорный полигон.

pic

"Уборка старых нефункционирующих спутников или отработавших ракетных ступеней, которые остались на орбите после вывода полезной нагрузки, является многогранной и сложной научно-технической задачей. Для ее решения в мире предложено уже немало схем и способов, в том числе и с использованием ионных потоков, но миссий по уборке космического мусора пока не проводилось. В нашей монографии подробно представлен способ бесконтактной уборки мусора на орбите с помощью автоматического космического аппарата-уборщика, оснащенного ионными двигателями, такие двигатели широко используются в современной космонавтике. Аппарат-уборщик, приблизившись к выбранному мусорному объекту на расстояние около десяти метров, направит на него ионную струю двигателя, так называемый плазменный факел. Сталкиваясь с поверхностью космического мусора, частицы ионной струи генерируют силу, которая и будет использоваться для перемещения мусора в нужном направлении", - рассказал один из авторов книги Александр Ледков, доцент кафедры теоретической механики Института ракетно-космической техники Самарского университета им. Королёва.

Как отметил ученый, большинство разработанных в мире методов уборки космического мусора предполагают непосредственный контакт - стыковку или захват транспортируемого объекта гарпуном, сетью, тросом или роботизированным манипулятором. Однако все эти способы достаточно сложны и опасны, они могут привести к аварийному столкновению и появлению большого количества мелкого космического мусора. Бесконтактный метод более безопасен: аппарат-уборщик не вступает в прямой механический контакт с мусором, что снижает вероятность их столкновения. Кроме того, таким способом можно транспортировать быстро вращающиеся объекты, которые очень сложно захватить роботизированным манипулятором или космической сетью.

В вышедшей книге представлен широкий обзор исследований по теме бесконтактной уборки космического мусора. Ученые показывают, как самостоятельно разработать математические модели и провести компьютерное моделирование системы транспортировки, демонстрируют особенности колебаний космического мусора внутри ионного потока и предлагают различные законы и схемы управления космическим "дворником" для наиболее эффективного перемещения выбранных объектов. Несмотря на то, что проектирование конструкции аппарата-уборщика не входило в задачи и планы авторов монографии, в книге описана и методика выбора проектных параметров космического аппарата.

"Конечно, аппарат должен быть автоматическим. Временные задержки не позволят оператору с Земли должным образом реагировать на изменение обстановки. Для генерации ионного потока космический аппарат должен быть оснащен электродинамическим ионным двигателем малой тяги, например, это может быть коммерческий двигатель NEXT-С. В самой распространенной схеме нужно установить два таких двигателя, чтобы тяга создающего ионный поток двигателя компенсировалась противоположно направленным двигателем. В противном случае активный космический аппарат улетит от объекта космического мусора, - отметил Александр Ледков. - Мы придумали различные схемы управления ионным потоком, позволяющие повысить эффективность системы транспортировки, что в конечном итоге выражается в сокращении временных затрат и затрат топлива. Для реализации наиболее перспективной схемы ионный двигатель нужно установить на поворотную платформу, чтобы иметь возможность немного изменять направление ионного потока".

По мнению разработчиков, метод уборки с помощью ионного потока прежде всего подойдет для ликвидации крупных мусорных объектов.

"Весь космический мусор принято разделять на три группы: маленький (меньше сантиметра), средний (меньше 10 см) и крупный (больше 10 см). Мы говорим об уборке крупных объектов: старых ступеней ракет и нефункционирующих спутников. Теоретически, ионным потоком можно убрать и мелкий мусор, но это будет крайне неэффективно, поскольку большая часть частиц ионного потока пройдет мимо обдуваемого объекта, а полезную работу совершают только те частицы, которые столкнулись с поверхностью объекта и передали ему часть своего импульса. Все остальное потратится впустую", - подчеркнул ученый.

По оценкам экспертов, на различных орбитах в настоящее время может находиться около 130 миллионов объектов космического мусора размером менее 1 см, около 1 миллиона - до 10 см и свыше 30 тысяч объектов - размером более 10 см. Из-за высокой скорости движения даже самые микроскопические фрагменты мусора могут представлять опасность для космонавтов и космических аппаратов. Какой мусор нужно убирать в первую очередь? В 2021 году вышла совместная публикация 19 ученых из 13 университетов, в числе соавторов этой публикации и профессор Владимир Асланов. Ученые из разных стран сравнили результаты своих исследований и составили топ-50 наиболее опасных объектов космического мусора. Туда вошли ступени ракет и спутники массой от 1,1 до 9 тонн. Можно смело брать любой объект из этого списка и с помощью монографии самарских ученых разрабатывать миссию по его уборке.

"Для успешной уборки мусор нужно "довести" до границы атмосферы Земли или до орбиты захоронения (2). Затем можно отправляться за следующим объектом. Выбор оптимальной последовательности облета объектов космического мусора - отдельная сложная задача. И конечно, сам аппарат-уборщик не должен стать космическим мусором. Его нужно будет уводить с орбиты вместе с последним запланированным к уборке объектом", - сказал Александр Ледков.

Как считают ученые, подобный космический "дворник" с ионными двигателями будет полезен не только на орбитальном "субботнике", но и в качестве некоего спасателя спутников - например, он сможет подкорректировать ионным потоком орбиту давно работающего космического аппарата, чтобы увеличить срок его службы. Или же решить задачу довыведения, когда спутник оказался выведенным на нерасчетную орбиту - "спасатель"поможет сбившемуся с верного пути аппарату добраться до нужной орбиты.

О книге

Монография "Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком" основана на исследованиях, проводимых Владимиром Аслановым и Александром Ледковым на кафедре теоретической механики в Институте авиационной и ракетно-космической техники Самарского университета им. Королёва. Это не первый опыт совместной работы авторов. В 2012 году в том же издательстве была опубликована книга о тросовых системах (V.S. Aslanov, A.S. Ledkov "Dynamics of Tethered Satellite Systems”), которая ввиду большого читательского спроса была переиздана на китайском языке в 2015 году.

Транспортировка космического мусора ионным потоком - относительно новое направление. Идея такой системы была сформулирована независимо друг от друга несколькими научными группами из Испании, Японии и Франции в 2011 году. В 2016 году ученые кафедры теоретической механики под руководством Владимира Асланова начали исследования по данному направлению и уже в 2017 году вышла первая статья по этой теме.

За пять лет ученые кафедры опубликовали цикл статей в высокорейтинговых научных журналах по данной теме, и были признаны лидерами в этой области на международном уровне. После чего была подготовлена и в 2022 году опубликована данная монография.

В настоящий время на кафедре теоретической механики данное направление активно развивается в рамках гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00160). Планируется выполнение новых исследований по динамике движения космического мусора в ионном потоке. Подготовлены и в ближайшее время будут представлены к защите докторская и кандидатская диссертация по этой тематике.


Справочно

1) V. Aslanov, A. Ledkov "Attitude Dynamics and Control of Space Debris During Ion Beam Transportation"

2) Согласно рекомендациям "Межагентского координационного комитета по космическому мусору" (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), выделяются два критически важных для практического использования защищенных региона: низкая околоземная орбита (все, что ниже 2000 км) и геостационарная орбита (35793 +/- 200 км). С низкой околоземной орбиты космический мусор принято спускать на Землю, а вот везти на Землю мусор с геостационарной орбиты очень дорого, поэтому его забрасывают выше на так называемую орбиту захоронения: это такая орбита, с которой в ближайшие 100 лет объект не должен вернуться в защищенный регион.

Фото: Олеся Орина