RU2760878C1 - Method for protection of spacecrafts - Google Patents

Abstract

FIELD: cosmonautics.

SUBSTANCE: invention relates to methods and means for protection of spacecrafts (SC) from collisions with objects of natural and artificial origin of different weight and degree of dispersion, including fragments of "space debris". The method involves kinetic impact on the hazardous objects with special projectiles fired from an electromagnetic (rail) accelerator launched into the orbit of the SC. The projectiles are made with increased plasticity and adhesiveness. An impulse of up to 24 kg∙km/s can be transmitted to the accelerating projectiles.

EFFECT: technical result consists in ensuring the protection of the SC at significant distances from hazardous objects (due to the long range of a direct shot of the projectile from the accelerator) and in reducing the amount of debris from destruction of hazardous objects.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области космической техники, а именно к методам и средствам защиты космических аппаратов (КА) от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности, в том числе фрагментов разрушенных космических аппаратов («космического мусора»).The invention relates to the field of space technology, namely to methods and means of protecting spacecraft (SC) from collisions with objects of natural and artificial origin of different mass and degree of dispersion, including fragments of destroyed spacecraft ("space debris").

Известен своим практическим использованием способ защиты космического аппарата, включающий обнаружение в космическом пространстве инородных частиц и увод самого аппарата из опасной зоны соударения с этими частицами путем запуска ракетного двигателя (RU 2209161 С2).Known for its practical use is a method for protecting a spacecraft, which includes the detection of foreign particles in outer space and the removal of the device itself from the hazardous area of collision with these particles by starting a rocket engine (RU 2209161 C2).

К недостаткам данного способа можно отнести снижение эффективности работы КА, вследствие изменений заданной орбиты при уходе от столкновения с объектами, а также ограничения по запасу топлива, требующегося для осуществления маневров космического аппарата.The disadvantages of this method include a decrease in the efficiency of the spacecraft, due to changes in the specified orbit when avoiding collisions with objects, as well as restrictions on the fuel supply required for maneuvering the spacecraft.

Также существует способ защиты космических объектов (RU 2294866 С1), который заключается в том, что перед космическим аппаратом на минимально допустимом расстоянии от него развертывают защитный экран в направлении возможного воздействия.There is also a method for protecting space objects (RU 2294866 C1), which consists in the fact that a protective shield is deployed in front of the spacecraft at the minimum allowable distance from it in the direction of the possible impact.

Недостатками данного способа являются относительно низкая вероятность ликвидации угрозы, в силу того, что после воздействия поражающими элементами экрана, опасный объект все равно способен нанести вред защищаемому объекту из-за относительно малого расстояния между средством защиты и самим КА, а также одноразовость данных экранов в условиях группы опасных объектов.The disadvantages of this method are the relatively low probability of eliminating the threat, due to the fact that after exposure to the damaging elements of the screen, the dangerous object is still capable of causing harm to the protected object due to the relatively small distance between the protective equipment and the spacecraft itself, as well as the disposability of these screens under conditions groups of dangerous objects.

Наиболее близким по технической сущности является способ защиты космических аппаратов от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности, движущихся по орбите Земли, заключающийся в направлении в сторону опасности перед КА экрана, который выполнен в виде твердого тела малой плотности (RU 2374150). Экран выдувается газом из полимерного материала с малым временем затвердевания в условиях вне защищаемого КА. Полимерный материал или его смесь с указанным газом обладают свойством детонации при столкновении с опасными объектами.The closest in technical essence is a method of protecting spacecraft from collisions with objects of natural and artificial origin of various masses and degrees of dispersion, moving in the Earth's orbit, which consists in the direction towards the danger in front of the spacecraft of the screen, which is made in the form of a solid body of low density (RU 2374150 ). The screen is blown out by gas from a polymer material with a short solidification time in conditions outside the protected spacecraft. The polymer material or its mixture with the specified gas has the property of detonation when colliding with dangerous objects.

Недостатком известного способа является его относительно низкая эффективность при обеспечении защиты от объектов, вследствие их подрыва и разделения на более мелкие части, которые могут обладать большей скоростью, чем исходное тело. При этом траектория их движения трудно прогнозируема. Еще одним недостатком является то, что система защиты находится непосредственно перед КА, что не позволяет достаточным образом осуществить противодействие в случаях угрозы сбоку или с тыла.The disadvantage of this method is its relatively low efficiency in providing protection from objects, due to their detonation and division into smaller parts, which can have a higher speed than the original body. Moreover, the trajectory of their movement is difficult to predict. Another disadvantage is that the protection system is located directly in front of the spacecraft, which does not allow adequate countermeasures in cases of threats from the side or from the rear.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании нового способа защиты космических аппаратов от возможных угроз естественного и искусственного происхождения с применением перспективного направления развития науки и техники, выраженного в виде ускорителя твердых тел.The problem to be solved by the proposed invention is to create a new method of protecting spacecraft from possible threats of natural and artificial origin using a promising direction in the development of science and technology, expressed in the form of an accelerator of solids.

Требуемый технический результат достигается тем, что предлагаемая система защиты располагается на отдельном космическом аппарате, который способен обеспечить необходимый уровень безопасности одному или нескольким защищаемым КА за счет возможности обнаружения и ликвидации угрозы в пределах контролируемой зоны, представляющей собой сферу с центром в самой установке. Также из-за применения специального заряда с высокими показателями пластичности и липучести, разогнанного с помощью электромагнитного метательного устройства рельсового типа, сводится к минимуму вероятность распада опасного объекта на более мелкие части, которые, в свою очередь, могут являться новой угрозой защищаемым космическим аппаратам.The required technical result is achieved by the fact that the proposed protection system is located on a separate spacecraft, which is able to provide the required level of safety to one or more protected spacecraft due to the possibility of detecting and eliminating threats within the controlled zone, which is a sphere centered in the installation itself. Also, due to the use of a special charge with high plasticity and stickiness, accelerated by an electromagnetic rail-type throwing device, the probability of a dangerous object disintegrating into smaller parts is minimized, which, in turn, can be a new threat to protected spacecraft.

Сущность разработанного способа заключается в том, что в направлении потенциально опасных объектов нацеливают ускоритель твердых тел, который благодаря выстрелу специального снаряда, ударяющегося и прилипающего к опасному объекту, передает ему свой импульс, изменяет его траекторию и позволяет минимизировать возможность столкновения данных объектов с КА. В идеальном случае возможно создание абсолютно неупругого удара, в результате которого тела соединяются и продолжают свое дальнейшее движение как единое тело.The essence of the developed method lies in the fact that a solid body accelerator is aimed in the direction of potentially dangerous objects, which, thanks to the firing of a special projectile striking and sticking to a dangerous object, transfers its impulse to it, changes its trajectory and minimizes the possibility of collision of these objects with the spacecraft. In the ideal case, it is possible to create an absolutely inelastic blow, as a result of which the bodies are connected and continue their further movement as a single body.

С целью повышения эффективности способа, в направлении опасных объектов может быть применено несколько установок.In order to increase the efficiency of the method, several installations can be applied in the direction of hazardous objects.

Установку выполняют в виде отдельного космического аппарата, размещаемого на соответствующей орбите Земли, таким образом, чтобы иметь возможность ликвидации потенциальных угроз в установленной зоне космического пространства. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности защиты КА от столкновений с потенциально опасными объектами при помощи ускорителя твердых тел, применяемого в новых для последнего условиях открытого космоса.The installation is carried out in the form of a separate spacecraft, placed in the corresponding Earth orbit, so as to be able to eliminate potential threats in the established zone of outer space. The technical result of the invention is to increase the efficiency of protecting the spacecraft from collisions with potentially dangerous objects using a solid body accelerator used in the new conditions of open space.

Целью изобретения является достижение требуемой эффективности защиты КА от опасных объектов в космосе за счет снижения вероятности столкновения с опасными объектами и, как следствие, разрушения КА.The aim of the invention is to achieve the required efficiency of the spacecraft protection from dangerous objects in space by reducing the likelihood of collisions with dangerous objects and, as a consequence, the destruction of the spacecraft.

Указанная цель достигается тем, что установку с ускорителем твердых тел выводят на орбиту Земли с помощью ракетоносителя. Ускоритель твердых тел обеспечивают собственной двигательной установкой, основное назначение которой заключается в компенсации силы противодействия после выстрела, возникающей вследствие проявления третьего закона Ньютона и сохранения установки в заданном положении. При выявлении системой обнаружения установки потенциально опасных объектов рассчитывается траектория запуска специального снаряда, который после выстрела и столкновения с объектом, передает ему свой импульс, тем самым меняя первоначальное направление движения опасного объекта. В качестве основного компонента снаряда, способного обеспечить неупругий удар, используют особый тип сухого двустороннего адгезивного материала, обладающего высокими показателями пластичности и липучести ("Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No 7, Release Date: 16.11.2016). Основой установки, способной обеспечить необходимую скорость снаряда, является рельсотрон (RU 2094934 С1) или его аналоги. С помощью которого возможно получить скорость до 13-15 км/с метаемого снаряда при выходе из ствола.This goal is achieved by the fact that the installation with an accelerator of solids is brought into the Earth's orbit using a carrier rocket. The solid body accelerator is provided with its own propulsion system, the main purpose of which is to compensate for the reaction force after the shot, which arises as a result of the manifestation of Newton's third law and the preservation of the installation in a given position. When the detection system detects the installation of potentially dangerous objects, the trajectory of launching a special projectile is calculated, which, after firing and colliding with the object, transfers its impulse to it, thereby changing the initial direction of movement of the dangerous object. As the main component of a projectile capable of providing an inelastic impact, a special type of dry double-sided adhesive material with high plasticity and stickiness is used ("Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No. 7, Release Date: 11/16/2016). The basis of the installation, capable of providing the required projectile speed, is a railgun (RU 2094934 C1) or its analogs. With the help of which it is possible to obtain a speed of up to 13-15 km / s of a projectile when exiting the barrel.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен пример технической реализации предлагаемого способа, который содержит:The essence of the invention is illustrated by drawings, where FIG. 1 shows an example of the technical implementation of the proposed method, which contains:

1. защищаемый космический аппарат;1. protected spacecraft;

2. установка;2. installation;

3. снаряд;3. projectile;

4. потенциально опасные объекты.4. potentially dangerous objects.

Для осуществления данного способа в состав установки предлагается включить:To implement this method, it is proposed to include in the installation:

1. систему управления установкой, которая позволит определять подконтрольную зону защиты, выявлять опасные объекты и осуществлять нацеливание на них;1.the control system of the installation, which will allow determining the controlled protection zone, identifying dangerous objects and targeting them;

2. источники электропитания, представляющие собой солнечные батареи, выступающие в качестве источника энергии, и батарею конденсаторов, которая создает короткий токовый импульс большой мощности и вырабатывает энергию для приводов системы наведения;2. power supplies, which are solar panels acting as an energy source, and a capacitor bank, which creates a short current pulse of high power and generates energy for the drives of the guidance system;

3. коммутирующее устройство, представляющее собой систему кабелей, предназначенных для передачи накопленной энергии;3. a switching device, which is a system of cables designed to transfer accumulated energy;

4. пусковую установку, представляющую собой ствол с параллельными электродами, усиленный силовыми элементами для обеспечения стойкости конструкции к высоким нагрузкам;4. a launcher, which is a barrel with parallel electrodes, reinforced with power elements to ensure the structure's resistance to high loads;

5. двигательную установку, необходимую для компенсации силы противодействия после выстрелов и придания заданного положения всей конструкции в пространстве.5. a propulsion system necessary to compensate for the reaction force after shots and to give a given position of the entire structure in space.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: при реагировании системы обнаружения установки на приближение потенциально опасных объектов 4 к аппарату 1 система управления установки 2 рассчитывает необходимые параметры для осуществления выстрела снарядом 3. В рассчитанный момент времени производят выстрел. В момент выстрела осуществляют включение двигательной установки, которая компенсирует силу противодействия. При столкновении с потенциально опасным объектом 4 снаряда 3 происходит их соединение и перераспределение механического импульса вследствие неупругого удара, что ведет к изменению траектории движения опасного объекта. Если система обнаружения установки отмечает, что опасный объект все еще представляет угрозу защищаемому КА 1, то процесс повторяется до исключения опасности.The proposed method is carried out as follows: when the installation detection system responds to the approach of potentially dangerous objects 4 to the apparatus 1, the control system of the installation 2 calculates the necessary parameters for firing a projectile 3. At the calculated time, a shot is fired. At the moment of the shot, the propulsion system is switched on, which compensates for the reaction force. When colliding with a potentially dangerous object 4 of the projectile 3, they are connected and the mechanical impulse is redistributed due to inelastic impact, which leads to a change in the trajectory of the dangerous object. If the installation detection system notes that a dangerous object still poses a threat to the protected spacecraft 1, then the process is repeated until the danger is eliminated.

Ускорение метаемого снаряда описывается системой уравнений разряда LCR-цепи на индуктивную нагрузку, увеличивающуюся во времени (Б.Н. Дуванов, М.В. Сахаров, М.Ф. Колдунов, А.А. Воробьев. Физические установки. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2011 - 321 с.):The acceleration of a projectile is described by a system of equations for the discharge of an LCR circuit on an inductive load that increases with time (BN Duvanov, MV Sakharov, MF Koldunov, AA Vorobiev. Physical installations. M .: VA Strategic Rocket Forces named after Peter the Great, 2011 - 321 p.):

где m, V - масса и скорость метаемого тела;where m, V - mass and speed of the projectile body;

ϕ₀ - начальное напряжение на источнике электроэнергии;ϕ ₀ - initial voltage at the power source;

L, L₀ - индуктивности канала ускорения и подводящих линий;L, L ₀ - inductance of the acceleration channel and supply lines;

R - сопротивление подводящих линий и плазменной перемычки;R is the resistance of the supply lines and plasma bulkhead;

F_D - сопротивление трения снаряда, обусловленное его контактом с рельсами.F _D is the frictional resistance of the projectile due to its contact with the rails.

В общем случае система уравнений (1-3) решается численно. Считая, что тело ускоряется равномерно, получается следующая оценка скорости снаряда на расстоянии х от начала ствола предлагаемой электромагнитной метательной установки:In the general case, the system of equations (1-3) is solved numerically. Assuming that the body is accelerated uniformly, the following estimate of the projectile velocity at a distance x from the beginning of the barrel of the proposed electromagnetic launcher is obtained:

где X - индуктивность на единицу длины рельсотрона;where X is the inductance per unit length of the railgun;

m - масса снаряда;m is the mass of the projectile;

I - сила тока.I is the current strength.

На основе анализа имеющегося технического задела в области разработки ускорительных установок [5] можно сделать вывод, что предлагаемый способ реализуем с помощью ускорителя твердых тел массой до 15 т, длиной до 10 м, диаметром миделя до 4 м. Доставка данного устройства на орбиту Земли возможна с использованием ракеты-носителя тяжелого класса, например семейства «Протон».Based on the analysis of the available technical groundwork in the development of accelerator installations [5], it can be concluded that the proposed method is implemented using a solid body accelerator with a mass of up to 15 tons, a length of up to 10 m, a midsection diameter of up to 4 m. Delivery of this device to Earth's orbit is possible using a launch vehicle of a heavy class, for example, the "Proton" family.

В качестве снаряда предлагается использовать тело шарообразной формы из указанного ранее материала массой около 2-3 кг. Так при выстреле из установки со скоростью 8 км/с, снаряд будет иметь импульс до 24 (кг*км)/с.As a projectile, it is proposed to use a spherical body made of the previously mentioned material weighing about 2-3 kg. So when fired from the installation at a speed of 8 km / s, the projectile will have an impulse of up to 24 (kg * km) / s.

Затем при столкновении специального снаряда с массой равной т₂ с опасным объектом с массой равной m₁, направление движения полученной системы тел в отличии от первоначального направления движения предполагаемой угрозы меняется в соответствии с изменением направления ее вектора импульса, которое находится на основе правила векторного сложения импульсов тел (фиг. 2), где p₁ и р₂ - импульсы потенциально опасного объекта и метаемого снаряда соответственно, а р_к - конечный импульс системы после взаимодействия. Угол α характеризует угол отклонения объекта воздействия от первоначальной траектории.Then, when a special projectile with a mass equal to m ₂ collides with a dangerous object with a mass equal to m ₁ , the direction of movement of the resulting system of bodies, in contrast to the initial direction of movement of the alleged threat, changes in accordance with the change in the direction of its impulse vector, which is based on the rule of vector addition of impulses bodies (Fig. 2), where p ₁ and p ₂ are the impulses of a potentially dangerous object and a projectile, respectively, and p _k is the final impulse of the system after interaction. Angle α characterizes the angle of deviation of the target from the initial trajectory.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять защиту объектов на значительных расстояниях, за счет большой дальности прямого выстрела, получаемой из технологии, реализованной в ускорителях твердых тел, и при этом не создает новых угроз вследствие разрушения крупного объекта и образования мелких, а путем изменения траектории опасных объектов.The proposed method makes it possible to protect objects at significant distances, due to the long range of a direct shot obtained from the technology implemented in solid body accelerators, and at the same time does not create new threats due to the destruction of a large object and the formation of small ones, but by changing the trajectory of dangerous objects.

Таким образом, способ способен обеспечивать длительную защиту космических аппаратов. Высокая эффективность защиты достигается возможностью многократного применения способа до полного устранения опасности столкновения, а также возможностью восполнения запаса топлива и материала метательных снарядов.Thus, the method is capable of providing long-term protection of spacecraft. High protection efficiency is achieved by the possibility of multiple application of the method until the collision hazard is completely eliminated, as well as the possibility of replenishing the supply of fuel and material of projectiles.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ RU 2374150. Способ защиты космических аппаратов.1. RF patent RU 2374150. Method for protecting space vehicles.

2. Патент РФ RU 2209161 С2. Способ защиты космического аппарата и устройство для его осуществления.2. RF patent RU 2209161 C2. A method for protecting a spacecraft and a device for its implementation.

3. Патент РФ RU 2294866 С1. Способ защиты космических объектов.3. RF patent RU 2294866 C1. Method of protecting space objects.

4. Патент РФ RU 2094934 С1. Рельсотрон.4. RF patent RU 2094934 C1. Railgun.

5. Б.Н. Дуванов, М.В. Сахаров, М.Ф. Колдунов, А.А. Воробьев. Физические установки. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2011. 335 с.5. B.N. Duvanov, M.V. Sakharov, M.F. Koldunov, A.A. Vorobiev. Physical settings. Moscow: VA Strategic Missile Forces named after Peter the Great, 2011.335 p.

6. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С.Физика: Учебное пособие: В 3 кн. Кн.1. Механика. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001 - 352 с.6. Boutikov EI, Kondratyev AS Physics: Textbook: In 3 kn. Book 1. Mechanics. - M.: FIZMATLIT, 2001 - 352 p.

7. "Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No 7, Release Date: 16.11.2016.7. "Carbon nanotube dry adhesives with temperature - enhanced adhesion over a large temperature range", Nature communication, No. 7, Release Date: 16.11.2016.

Claims (1)

Способ защиты космических аппаратов, заключающийся в воздействии на потенциально опасные объекты и изменении траектории их движения, отличающийся тем, что воздействие производят снарядом, имеющим высокие показатели пластичности и липучести, из установки, имеющей в качестве основы ускоритель твердых тел, способный сообщить снаряду импульс до 24 (кг⋅км)/с.A method of protecting spacecraft, which consists in influencing potentially dangerous objects and changing the trajectory of their movement, characterized in that the impact is produced by a projectile having high plasticity and stickiness indices, from an installation based on an accelerator of solids capable of imparting a pulse of up to 24 to the projectile. (kg⋅km) / s.

Images