RU2773991C1

RU2773991C1 - Method for cleaning orbits from space debris by residual aerodynamic action of the earth's atmosphere

Info

Publication number: RU2773991C1
Application number: RU2021137524A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Тестоедов; Александр Николаевич Устинов; Константин Михайлович Иванов; Евгений Николаевич Головёнкин; Юрий Вячеславович Вилков; Вадим Петрович Вашкевич; Илья Игоревич Дементьев; Иван Владимирович Колбасин; Владимир Дмитриевич Атамасов
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-06-14

Abstract

FIELD: near-Earth space cleaning.

SUBSTANCE: invention relates to methods and means of cleaning the near-Earth space from technogenic space debris (SD), as well as cosmogenic pollution. The method consists in transferring the spacecraft to a low earth orbit with subsequent combustion in the atmosphere. To decelerate the spacecraft in a rarefied atmosphere, a generator of artificial plasma formation (APF) is fired towards the spacecraft objects from the service spacecraft (SSC). When the generator enters the cluster of SD objects, an APF is created in the form of a cloud of fine particles with easily ionized alkaline and alkaline earth substances. The area of the midsection of the APF is orders of magnitude greater than the total area of the midsection of the SD objects. The ionized state of the APF is maintained by its laser irradiation from the SSC board.

EFFECT: reduction of the SD deceleration time in a highly rarefied atmosphere by means of an extensive APF, which opposes its scattering by the atmosphere.

9 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к космической технике и может быть использовано для очистки космического пространства от техногенного и космогенного (природного) загрязнения, в том числе от фрагментов и обломков космических аппаратов (КА).The present invention relates to space technology and can be used to clean space from man-made and cosmogenic (natural) pollution, including fragments and debris of spacecraft (SC).

В 1993 году по инициативе Российской Федерации на уровне национальных космических агентств был создан Межагентский координационный комитет по космическому мусору (МККМ, Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC)), изначально включавший в себя делегатов от Российской Федерации, NASA (США), ESA (Европа) и JAXA (Япония). В дальнейшем к составу участников Комитета присоединились национальные космические агентства Китая, Франции, Великобритании, Индии, Германии, Италии, Украины, Канады и Южной Кореи. В документации, выпускаемой МККМ, принято следующее определение: «Космический мусор (КМ) – это все искусственные (техногенные) объекты, включая фрагменты и элементы, находящиеся на околоземной орбите или возвращающиеся в атмосферу, не функционирующие по целевому назначению».In 1993, at the initiative of the Russian Federation, at the level of national space agencies, the Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) was created, which initially included delegates from the Russian Federation, NASA (USA), ESA (Europe) and JAXA (Japan). Subsequently, the national space agencies of China, France, Great Britain, India, Germany, Italy, Ukraine, Canada and South Korea joined the membership of the Committee. The documentation issued by the IADC adopts the following definition: “Space debris (SD) is all artificial (technogenic) objects, including fragments and elements that are in near-Earth orbit or re-enter the atmosphere that do not function for their intended purpose.”

По информации отдела по космическому мусору Европейского Космического Агентства (ESA's Space Debris Office) размер объектов космического мусора, которые находятся на околоземной орбите, достаточно широко варьируется: от микрочастиц до не функционирующих космических аппаратов размером с автобус. То же самое можно сказать и о массе данного мусора. Большие объекты могут весить около 6 и более тонн, в то время как вес малых частиц составляет всего несколько граммов. Все эти объекты перемещаются в космосе на разных орбитах и с разными скоростями: от 10 тыс. км/ч до 25 тыс. км/ч. В случае столкновения таких частей космического мусора друг с другом или с каким-либо спутником, движущимися в противоположных направлениях, их относительная скорость встречи может достигать 50 тыс. км/ч. На круговой орбите высотой до 200 км время дрейфа КМ равно нескольким дням, на орбите высотой 600 км – 25 - 30 годам, на орбитах высотой 1000 км – двум тысячелетиям, а на орбитах более 2000 км КМ будет находиться практически вечно.According to the European Space Agency's Space Debris Office (ESA's Space Debris Office), the size of space debris in Earth orbit varies quite widely, from microparticles to non-functioning spacecraft the size of a bus. The same can be said about the mass of this garbage. Large objects can weigh about 6 tons or more, while small particles weigh only a few grams. All these objects move in space in different orbits and at different speeds: from 10,000 km/h to 25,000 km/h. In the event of a collision of such parts of space debris with each other or with any satellite moving in opposite directions, their relative speed of meeting can reach 50 thousand km/h. In a circular orbit with a height of up to 200 km, the spacecraft drift time is equal to several days, in an orbit with a height of 600 km - 25 - 30 years, in orbits with a height of 1000 km - two millennia, and in orbits over 2000 km, the spacecraft will remain almost forever.

На текущий момент весьма актуальной является проблема засорённости околоземного космического пространства (ОКП) заключающаяся в том, что неуправляемые искусственные объекты на околоземных орбитах являются источником опасности вероятного столкновения с КА, функционирующими по целевому назначению, которое может привести к повреждению или выходу рабочего КА из строя. В связи с активным использованием ОКП человечеством, с каждым годом растет степень техногенного загрязнения орбит эксплуатации КА, что будет способствовать увеличению столкновений. Кроме того, существует угроза неуправляемого схода с орбиты крупногабаритных космических объектов, что может привести к значительному ущербу на поверхности Земли.At the moment, the problem of near-Earth space debris (NES) is very relevant, which consists in the fact that uncontrolled artificial objects in near-Earth orbits are a source of danger of a probable collision with spacecraft operating for their intended purpose, which can lead to damage or failure of the working spacecraft. In connection with the active use of NES by mankind, the degree of technogenic pollution of the orbits of spacecraft operation is growing every year, which will contribute to an increase in collisions. In addition, there is a threat of uncontrolled deorbiting of large space objects, which can lead to significant damage on the Earth's surface.

Предлагаемое изобретение относится к бесконтактным способам воздействия на объект КМ. Бесконтактный способ увода объектов КМ с орбиты имеет следующие особенности:The present invention relates to non-contact methods of influencing the CM object. The non-contact method for removing spacecraft objects from orbit has the following features:

– имеет возможность многоразового использования технического средства утилизации КМ – сервисного космического аппарата (СКА), для увода, как объектов, так и фрагментов КМ;- has the possibility of reusable use of a technical means of utilization of spacecraft - a service spacecraft (SSC), for the removal of both objects and fragments of spacecraft;

– имеет возможность воздействия на объекты КМ, обладающие сложной формой и обладающие сложным вращением в нескольких плоскостях;- has the ability to influence CM objects that have a complex shape and complex rotation in several planes;

– требует обеспечения постоянного контроля относительного движения СКА и объектов КМ.- requires constant monitoring of the relative motion of the SSC and spacecraft objects.

Аэродинамическое торможение «следами атмосферы» искусственного плазменного образования (ИПО) с КМ может осуществляться с помощью СКА, создаваемых с целью осуществления очистных мероприятий в околоземном пространстве. Данные СКА могут быть созданы по модульному принципу построения на базе космических платформ, имеющих летную квалификацию. СКА должен иметь в своем составе бортовые системы, способные обеспечить: функционирование СКА на участке выведения на орбиту, маневрирование, межорбитальное перемещение и выполнение целевых задач в течение срока эксплуатации.Aerodynamic deceleration of an artificial plasma formation (APO) with CM by "traces of the atmosphere" can be carried out with the help of SKA, created to carry out cleanup activities in the near-Earth space. SKA data can be created according to the modular principle of construction on the basis of space platforms with flight qualifications. The SSC should include on-board systems capable of ensuring: the functioning of the SSC in the phase of launching into orbit, maneuvering, interorbital movement and the fulfillment of target tasks during the service life.

В данном способе утилизации КМ предлагается использовать слабое сопротивление следов атмосферы для торможения посредством ИПО большого диаметра, окружающего и взаимодействующего с облаком КМ, возникающими электромагнитными силами. Увеличение аэродинамического сопротивления ИПО совместно с утилизируемым КМ, обеспечивается с помощью запускаемого с СКА генератора ИПО, создающего газопылевое заполнение пустот между твердыми фрагментами скопления КМ и окружающим КМ пространством. Воздействие аэродинамических сил следов атмосферы, вследствие их малости, приводит к снижению и диспергированию КА, отработавшего свой срок на орбите функционирования высотой 800 км, только через ~300 лет. При увеличении миделева сечения этого составного ИПО с окруженным газопылевой плазменной средой КМ на два порядка с упрочненными связями объектов среды друг с другом, время очистки ОКП ориентировочно составит три года.In this method of CM disposal, it is proposed to use the weak resistance of traces of the atmosphere for braking by means of a large-diameter IPO, which surrounds and interacts with the CM cloud, emerging electromagnetic forces. An increase in the aerodynamic drag of the IPS together with the dismantled CM is provided with the help of the IPS generator launched from the SKA, which creates gas and dust filling of the voids between the solid fragments of the CM accumulation and the space surrounding the CM. The impact of the aerodynamic forces of the traces of the atmosphere, due to their smallness, leads to a decrease and dispersion of the spacecraft, which has worked out its life in an orbit of operation at a height of 800 km, only after ~300 years. With an increase in the midsection of this composite IPO with a CM surrounded by a gas-dust plasma medium by two orders of magnitude with strengthened bonds between the objects of the medium with each other, the cleaning time of the NES will approximately be three years.

Из существующего уровня техники известно изобретение «Способ очистки космоса от объектов космического мусора», патент RU № 2478062, МПК B64G 1/00, B64G 99/00, опубл. 27.03.2013, которое относится к космической технике. Способ очистки космоса от космического мусора обеспечивает торможение объектов космического мусора с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием объектов в атмосфере Земли. На пути следования объектов космического мусора создается препятствие в виде пространственно распределенных частиц. Частицы оказывают ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора. В качестве материала частиц используют продукты окисления азота, предпочтительно оксиды азота I, III, IV, V - N₂O, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅. Агрегатным состоянием вещества частиц является твердое тело. Размер частиц материала для оказания воздействия на объекты космического мусора выбирается в зависимости от размера объектов. Данный способ принят за прототип.From the existing prior art, the invention "Method for cleaning space from space debris", patent RU No. 2478062, IPC B64G 1/00, B64G 99/00, publ. 03/27/2013, which refers to space technology. The method of cleaning space from space debris provides deceleration of space debris objects in order to transfer them to a lower orbit with subsequent combustion of objects in the Earth's atmosphere. An obstacle in the form of spatially distributed particles is created on the path of space debris objects. Particles have a shock-kinetic effect on space debris objects. Nitrogen oxidation products are used as particle material, preferably nitrogen oxides I, III, IV, V - N ₂ O, N ₂ O ₃ , NO ₂ , N ₂ O ₄ , N ₂ O ₅ . The state of aggregation of the matter of particles is a solid body. The particle size of the material to affect space debris objects is selected depending on the size of the objects. This method is taken as a prototype.

Недостатками данного способа являются: необходимость достаточного сближения с КМ, возможность рассеяния облака частиц до момента утилизации космического мусора, малая эффективность при торможении крупногабаритных, а также очень мелких объектов, высокая вероятность умножения частиц КМ при столкновении.The disadvantages of this method are: the need for a sufficient approach to the CM, the possibility of scattering a cloud of particles before the disposal of space debris, low efficiency when braking large and very small objects, a high probability of multiplication of CM particles in a collision.

При проведении анализа результатов патентно-информационного поиска выявлено наличие запатентованных способов по утилизации КМ, а также СКА различной модификации, но отсутствие идентичного результата интеллектуальной деятельности с предложенной совокупностью признаков в данном изобретении.When analyzing the results of patent information search, the presence of patented methods for the disposal of CM, as well as SCA of various modifications, was revealed, but the absence of an identical result of intellectual activity with the proposed set of features in this invention.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является аэродинамическое торможение «следами атмосферы» КМ посредством ИПО большого диаметра для термической утилизации в плотных слоях атмосферы.The task to be solved by the claimed invention is the aerodynamic deceleration of the "traces of the atmosphere" of the spacecraft by means of a large-diameter IPO for thermal utilization in dense layers of the atmosphere.

Поставленная задача решается за счет того что, способ очистки орбит с остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли от КМ, характеризующийся тем, что очистка от объектов КМ достигается торможением объектов КМ с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. Для торможения объектов КМ посредством сопротивления следов атмосферы используют СКА, сопровождающий КМ, который снабжен лазерной установкой, устройством, отстреливающем в сторону объектов КМ генератор ИПО, создающий при попадании в скопление объектов КМ облако мелкодисперсных частиц с легкоионизируемыми щелочными и щелочноземельными веществами, в результате чего образуется ИПО, имеющее площадь миделева сечения, на несколько порядков превосходящую совокупную площадь миделевых сечений объектов КМ по отдельности. При этом за счет увеличения площади миделева сечения ИПО с утилизируемыми объектами возрастают величины аэродинамических сил, обеспечивающих ускоренный спуск КМ с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием. Причем ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения, генерируемого лазерной установкой.The problem is solved due to the fact that the method of cleaning orbits with residual aerodynamic action of the Earth's atmosphere from space debris, characterized in that the cleaning of spacecraft objects is achieved by braking spacecraft objects in order to transfer them to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere. To decelerate spacecraft objects through the resistance of traces of the atmosphere, a SCA is used that accompanies the spacecraft, which is equipped with a laser installation, a device that fires an IPO generator towards the spacecraft objects, which, when it enters the cluster of spacecraft objects, creates a cloud of fine particles with easily ionized alkaline and alkaline earth substances, resulting in the formation IPO, which has a midsection area that is several orders of magnitude greater than the total area of midsection sections of CM objects separately. At the same time, due to the increase in the midsection area of the IPS with dismantled objects, the values of aerodynamic forces increase, which ensure an accelerated descent of the spacecraft from a near-Earth orbit into the dense layers of the Earth's atmosphere with subsequent combustion. Moreover, the ionized state of the IPO until the completion of the descent from the near-Earth orbit is provided by the effects of radiation from outer space and ultraviolet radiation generated by the laser installation.

Схема функционирования СКА включает многократное повторение последовательности следующих операций: выбор объекта КМ, выполнение маневра сближения, отстреливание генератора ИПО, сопровождение КМ и поддержание ионизированного состояния ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты, возвращение на целевую орбиту.The SSC operation scheme includes repeated repetition of the sequence of the following operations: selecting a spacecraft object, performing a rendezvous maneuver, firing the IPO generator, tracking the spacecraft and maintaining the ionized state of the IPO until the descent from the near-Earth orbit is completed, return to the target orbit.

Первоначальный объект КМ может иметь крупные габариты, относительно которого под действием ИПО будут удерживаться мелкие объекты КМ при столкновении с увеличением численности объектов КМ в ИПО.The initial CM object may have large dimensions, relative to which small CM objects will be held under the action of the IPS in the event of a collision with an increase in the number of CM objects in the IPS.

В состав СКА входит двигательная установка для межорбитального перемещения, а также двигательные блоки ориентации и коррекции.The structure of the SKA includes a propulsion system for interorbital movement, as well as propulsion units for orientation and correction.

Компенсирующее воздействие при отстреливании генераторов ИПО будет оказывать двигательная установка для межорбитального перемещения.The compensating effect during firing of the IPO generators will be provided by the propulsion system for interorbital movement.

В качестве источника электрической энергии используют ядерную энергетическую установку.A nuclear power plant is used as a source of electrical energy.

СКА имеет запас генераторов ИПО, с возможностью пополнения, выполненного в виде обоймы.SKA has a stock of IPO generators, with the possibility of replenishment, made in the form of a clip.

Генераторы ИПО могут быть выполнены с возможностью фиксации к объекту КМ.The IPO generators can be made with the possibility of fixing to the KM object.

В состав СКА входит система видеонаблюдения.The structure of the SKA includes a video surveillance system.

Техническими результатами являются:The technical results are:

– самоорганизация процессов, приводящих к «сращиванию плазменной среды» и КМ в единую материальную структуру, способную противостоять рассеянию аэродинамическим воздействиям следов атмосферы на околоземных орбитах, а также умножению и рассеиванию частиц КМ при столкновениях;– self-organization of processes leading to “fusion of the plasma medium” and CM into a single material structure capable of withstanding the scattering of aerodynamic effects of traces of the atmosphere in near-Earth orbits, as well as the multiplication and scattering of CM particles during collisions;

– сокращение времени дрейфа (баллистического полета после окончания срока активного существования космического средства) КМ на орбите ОКП;- reduction of the drift time (ballistic flight after the end of the active life of the space vehicle) of the spacecraft in the NES orbit;

– термическая утилизация КМ в плотных слоях атмосферы.– thermal utilization of CM in dense layers of the atmosphere.

Сущность изобретения поясняется чертежами (схемами), на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings (diagrams), which show:

на фиг. 1 – СКА вид спереди;in fig. 1 – SKA front view;

на фиг. 2 – СКА вид снизу;in fig. 2 – SKA bottom view;

на фиг. 3 – процесс создания ИПО;in fig. 3 - the process of creating an IPO;

на фиг. 4 – сопровождение КМ и поддержание ионизированного состояния ИПО.in fig. 4 – support of the CM and maintenance of the ionized state of the IPO.

Способ очистки орбит с остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли от КМ 9, характеризующийся тем, что очистка от объектов КМ 9 достигается торможением объектов КМ 9 с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. Для торможения объектов КМ 9 посредством сопротивления следов атмосферы используют СКА 11, сопровождающий КМ 9, который снабжен лазерной установкой 3, устройством 5, отстреливающем в сторону объектов КМ 9 генератор 7 ИПО, создающий при попадании в скопление объектов КМ 9 облако 8 мелкодисперсных частиц с легкоионизируемыми щелочными и щелочноземельными веществами, в результате чего образуется ИПО 10, имеющее площадь миделева сечения, на несколько порядков превосходящую совокупную площадь миделевых сечений объектов КМ 9 по отдельности. При этом за счет увеличения площади миделева сечения ИПО 10 с утилизируемыми объектами возрастают величины аэродинамических сил, обеспечивающих ускоренный спуск КМ 9 с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием. Причем ионизированное состояние ИПО 10 до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения 6, генерируемого лазерной установкой 3.A method for cleaning orbits with a residual aerodynamic action of the Earth's atmosphere from KM 9, characterized in that cleaning from KM 9 objects is achieved by braking objects of KM 9 in order to transfer them to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere. To decelerate KM 9 objects through the resistance of traces of the atmosphere, SKA 11 is used, accompanying KM 9, which is equipped with a laser installation 3, a device 5 that fires a generator 7 IPO towards KM 9 objects, which creates a cloud of 8 finely dispersed particles with easily ionized alkaline and alkaline earth substances, resulting in the formation of IPO 10, which has a midsection area that is several orders of magnitude greater than the total area of midsection sections of KM 9 objects separately. At the same time, due to the increase in the midsection area of the IPO 10 with dismantled objects, the values of aerodynamic forces increase, which ensure the accelerated descent of the CM 9 from near-Earth orbit into the dense layers of the Earth's atmosphere with subsequent combustion. Moreover, the ionized state of the IPO 10 until the completion of the descent from the near-Earth orbit is provided by the effects of outer space radiation and ultraviolet radiation 6 generated by the laser installation 3.

Схема функционирования СКА 11 включает многократное повторение последовательности следующих операций: выбор объекта КМ 9, выполнение маневра сближения, отстреливание генератора 7 ИПО (фиг. 3), сопровождение КМ 9 и поддержание ионизированного состояния ИПО 10 до завершения спуска с околоземной орбиты (фиг. 4), возвращение на целевую орбиту.The SKA 11 operation scheme includes repeated repetition of the sequence of the following operations: selecting the KM 9 object, performing the rendezvous maneuver, firing the IPO generator 7 (Fig. 3), tracking the KM 9 and maintaining the ionized state of the IPO 10 until the descent from the earth orbit is completed (Fig. 4) , return to the target orbit.

Первоначальный объект КМ 9 может иметь крупные габариты, относительно которого под действием ИПО 10 будут удерживаться мелкие объекты КМ 9 при столкновении с увеличением численности объектов КМ 9 в ИПО 10.The initial object of KM 9 may have large dimensions, relative to which, under the action of IPO 10, small objects of KM 9 will be held in the event of a collision with an increase in the number of objects of KM 9 in IPO 10.

В состав СКА 11 входит двигательная установка 4 для межорбитального перемещения, а также двигательные блоки 1, 2 ориентации и коррекции (фиг. 1, 2).SKA 11 includes a propulsion system 4 for interorbital movement, as well as propulsion units 1, 2 for orientation and correction (Fig. 1, 2).

Компенсирующее воздействие при отстреливании генераторов 7 ИПО будет оказывать двигательная установка 4 для межорбитального перемещения.When firing generators 7 IPO, the compensating effect will be provided by the propulsion system 4 for interorbital movement.

В качестве источника электрической энергии используют ядерную энергетическую установку (не показано на чертежах).A nuclear power plant (not shown in the drawings) is used as a source of electrical energy.

СКА 11 имеет запас генераторов 7 ИПО, с возможностью пополнения, выполненного в виде обоймы (не показано на чертежах).SKA 11 has a stock of 7 IPO generators, with the possibility of replenishment, made in the form of a clip (not shown in the drawings).

Генераторы 7 ИПО могут быть выполнены с возможностью фиксации к объекту КМ 9, например, с помощью встроенных в корпус магнитов.Generators 7 IPO can be made with the possibility of fixing to the object KM 9, for example, using magnets built into the housing.

В состав СКА 11 также входит система видеонаблюдения (не показано на чертежах).SKA 11 also includes a video surveillance system (not shown in the drawings).

После «окружения» КМ мелкодисперсным образованием, сформированным с помощью запускаемого с СКА генератора ИПО, начинают протекать процессы формирования отрицательных зарядов на поверхностях твердых элементов КМ и положительного заряда в газопылевой среде. Процесс заряжения твердых осколков КМ отрицательным зарядом обусловлен значительно большей скоростью теплового движения в плазменной среде электронов по сравнению со скоростью других – более тяжелых частиц плазмы (ионов и пылевых частиц). Соответственно, в объеме газопылевой плазмы из-за потери вследствие указанной конденсации электронной компоненты появится положительный пространственный заряд. Кулоновские взаимодействия положительно заряженной атмосферы с отрицательно заряженными объектами твердого мусора приведут к прекращению интегрального перемещения указанных ингредиентов искусственного облака относительно друг друга. Таким образом, осуществляется формирование у КМ облака ИПО с повышенной плотностью по сравнению с плотностью среды, окружавшей КМ до срабатывания генератора ИПО. Электрические взаимодействия обусловливают дальнейший совместный орбитальный полет ИПО, состоящего из плотной газопылевой атмосферы и твердых фрагментов космического мусора. Понятно, что размеры и форма ИПО зависят от напряженности электростатического поля в объеме атмосферы, что, в свою очередь, является функцией степени ионизации плазмы, окружающей КМ. Изменяя степень ионизации можно осуществлять управление массогабаритными параметрами ИПО, площадь миделевого сечения которого на порядки превосходит сумму площадей миделевых сечений осколков КМ. При этом тормозящее действие сил аэродинамического сопротивления следов атмосферы Земли также увеличивается на порядки. Интенсификация процесса торможения КМ в составе ИПО приводит к ускоренному снижению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, в которых произойдет его утилизация. After the “environment” of the CM by a finely dispersed formation formed with the help of the IPO generator launched from the SKA, the processes of formation of negative charges on the surfaces of the solid elements of the CM and a positive charge in the gas-dust medium begin to proceed. The process of charging solid CM fragments with a negative charge is due to a much higher velocity of thermal motion of electrons in the plasma medium compared to the velocity of other, heavier plasma particles (ions and dust particles). Accordingly, a positive space charge will appear in the volume of the gas-dust plasma due to the loss due to the indicated condensation of the electronic component. Coulomb interactions of a positively charged atmosphere with negatively charged solid debris objects will lead to the cessation of the integral movement of these artificial cloud ingredients relative to each other. Thus, the formation of an IPO cloud near the CM is carried out with an increased density compared to the density of the medium surrounding the CM before the operation of the IPO generator. Electrical interactions determine the further joint orbital flight of the IPO, which consists of a dense gas and dust atmosphere and solid fragments of space debris. It is clear that the size and shape of the IPO depend on the strength of the electrostatic field in the volume of the atmosphere, which, in turn, is a function of the degree of ionization of the plasma surrounding the CM. By changing the degree of ionization, it is possible to control the weight and size parameters of the IPO, the midsection area of which is orders of magnitude greater than the sum of the midsection areas of the CM fragments . In this case, the decelerating effect of the aerodynamic drag forces of the traces of the Earth's atmosphere also increases by orders of magnitude. The intensification of the process of deceleration of the spacecraft as part of the IPO leads to an accelerated decrease in the height of its orbit up to reaching the dense layers of the Earth's atmosphere, in which it will be utilized.

Таким образом, торможение космического мусора и утилизация его в плотных слоях атмосферы осуществляется за счет слабых аэродинамических сил остатков земной атмосферы, интегральное действие которых увеличивается развитием площади миделевого сечения искусственного плазменного образования, включающего в свой состав КМ. Thus, the deceleration of space debris and its utilization in the dense layers of the atmosphere is carried out due to the weak aerodynamic forces of the remnants of the earth's atmosphere, the integral effect of which is increased by the development of the midsection area of the artificial plasma formation, which includes the CM.

Известно, что плазма – это неструктурированная квазинейтральная среда, состоящая из большого числа заряженных частиц с коллективной динамикой. Главным отличием плазмы от нейтрального газа является свойство амбиполярной диффузии, т.е. наличие постоянной электромагнитной связи частиц, обладающих зарядом. Вследствие чего при попытке добавления или изъятия частиц облака плазмы обязательно возникнут противодействующие силы, что, в свою очередь, приведёт к изменению динамики всего облака плазмы. Поэтому плазму считают четвертой фазой вещества, обладающей новыми свойствами. Для не ионизованного газа характерны тепловые движения нейтральных частиц (атомов, молекул, кластеров, пылеобразных частиц вещества и т.д.), представляющие совокупность прямых отрезков (броуновское движение), а для движения заряженных частиц плазмы присущи законы электромагнитного взаимодействия, в результате чего возникают силы, которые искривляют траектории частиц.It is known that plasma is an unstructured quasi-neutral medium consisting of a large number of charged particles with collective dynamics. The main difference between a plasma and a neutral gas is the property of ambipolar diffusion, i.e. the presence of a permanent electromagnetic connection of particles with a charge. As a result, when trying to add or remove particles of the plasma cloud, counteracting forces will necessarily arise, which, in turn, will lead to a change in the dynamics of the entire plasma cloud. Therefore, plasma is considered the fourth phase of matter with new properties. A non-ionized gas is characterized by thermal motions of neutral particles (atoms, molecules, clusters, dusty particles of matter, etc.), which represent a set of straight segments (Brownian motion), and the laws of electromagnetic interaction are inherent in the motion of charged plasma particles, resulting in forces that bend the trajectories of particles.

Степень ионизации плазмы – это отношение числа ионов к первоначальному числу атомов, которое варьируется в зависимости от факторов, характеризующих плазменную среду (процесс ионизации, температура), и от скорости её рекомбинации (воссоединение противоположно заряженных частиц и образование нейтральных атомов). Полностью ионизированная плазма, состоящая только из свободных атомных ядер и электронов, является редко встречающимся явлением, так как в реальных условиях в ней имеется некоторая часть нейтральных частиц. В плазме, имеющейся в ионосфере Земли, заряженные частицы составляют малую долю. Для удержания плазменной среды, окружающей объекты КМ, при полете в условиях наличия аэродинамического обдува следами земной атмосферы, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электростатического поля разноименных зарядов: как отмечалось, отрицательного – на поверхностях твердых тел и положительного – в объеме окружающей эти тела плазмы.The degree of plasma ionization is the ratio of the number of ions to the initial number of atoms, which varies depending on the factors characterizing the plasma medium (ionization process, temperature), and on the rate of its recombination (reunification of oppositely charged particles and the formation of neutral atoms). Fully ionized plasma, consisting only of free atomic nuclei and electrons, is a rare phenomenon, since in real conditions it contains some part of neutral particles. In the plasma present in the Earth's ionosphere, charged particles make up a small fraction. In order to keep the plasma medium surrounding CM objects during flight in the presence of aerodynamic blowing by traces of the earth's atmosphere, it is necessary to provide a sufficiently high intensity of the electrostatic field of opposite charges: as noted, negative - on the surfaces of solid bodies and positive - in the volume of the plasma surrounding these bodies.

С этой целью используются физические процессы, протекающие в газоплазменных образованиях при наличии в них пыли, которые формируют явления повышенного силового взаимодействия твердых пылевых частиц с газоплазменной средой. Усиление кулоновского притяжения частиц друг к другу сопряжено с образованием высоких электрических потенциалов на поверхностях пылинок по сравнению с потенциалами элементарных частиц в газоплазменной области. Конденсация электронной компоненты плазмы приводит к заряжению пылинок, величиной, равной нескольким тысячам зарядов электронов. Напомним, что такая селекция обусловлена преимущественной конденсацией на поверхностях твердой пыли легкой, а значит быстро движущейся электронной компоненты плазмы, по сравнению с потоком тяжелых, то есть, медленных положительных ионов.For this purpose, physical processes are used that occur in gas-plasma formations in the presence of dust in them, which form phenomena of increased force interaction of solid dust particles with a gas-plasma medium. Strengthening of the Coulomb attraction of particles to each other is associated with the formation of high electrical potentials on the surfaces of dust grains in comparison with the potentials of elementary particles in the gas-plasma region. Condensation of the electronic component of the plasma leads to the charging of dust particles with a value equal to several thousand electron charges. Recall that such a selection is due to the predominant condensation on the surfaces of solid dust of a light, and therefore rapidly moving electronic component of the plasma, in comparison with the flow of heavy, that is, slow positive ions.

Создание и сохранение электрически «вязкой» среды необходимо для повышения устойчивости нового ИПО, состоящего из газопылевого заполнения пустот между твердыми фрагментами скопления КМ, а также заполнения окружающего КМ пространства. The creation and preservation of an electrically "viscous" medium is necessary to increase the stability of the new IPS, which consists of gas and dust filling voids between solid fragments of the CM accumulation, as well as filling the space surrounding the CM.

Итак, миделево сечение искусственного плазменного образования на порядки превосходит сумму миделевых сечений отдельных твердых фрагментов скопления КМ, что обеспечивает более интенсивное аэродинамическое торможение ИПО и последующую его утилизацию в плотных слоях земной атмосферы. Кроме того, с целью усиления электрических взаимодействий в объеме искусственного плазменного образования следует произвести инжекцию в его среду легкоионизируемых щелочных и щелочноземельных пылеобразных веществ, способных создавать высокую степень ионизации плазмы, а значит получать значительные величины зарядов на твердых фрагментах КМ.So, the midsection of the artificial plasma formation is orders of magnitude greater than the sum of the midsections of individual solid fragments of the CM cluster, which ensures more intense aerodynamic deceleration of the PPS and its subsequent utilization in the dense layers of the Earth's atmosphere. In addition, in order to enhance electrical interactions in the volume of an artificial plasma formation, it is necessary to inject easily ionizable alkaline and alkaline-earth dusty substances into its environment, capable of creating a high degree of plasma ionization, and hence obtaining significant charges on solid CM fragments.

Известны способы диспергирования в космос с помощью генераторов ИПО таких элементов, как Li, Ba, Na, Cs. В случае необходимости усилить электростатическое взаимодействие для повышения способности газопылевой плазмы удерживаться в окружении КМ (при увеличивающейся интенсивности аэродинамического воздействия следов земной атмосферы) можно использовать дополнительно к космическому ионизирующему излучению воздействие лазерного излучения необходимой мощности. Для выполнения указанных операций в состав оборудования СКА наряду с генератором ИПО входит ультрафиолетовая лазерная установка, работающая в режиме «сканирования» с возможностью наведения на КМ и изменения угла воздействия и границ «конуса воздействия».Known methods of dispersion into space using generators IPO elements such as Li, Ba, Na, Cs . If it is necessary to enhance the electrostatic interaction in order to increase the ability of the gas-dust plasma to be retained in the environment of the spacecraft (with an increasing intensity of the aerodynamic effect of traces of the Earth's atmosphere), it is possible to use, in addition to cosmic ionizing radiation, the effect of laser radiation of the required power. To perform these operations, the SKA equipment, along with the IPO generator, includes an ultraviolet laser unit operating in the “scanning” mode with the ability to point at the CM and change the angle of impact and the boundaries of the “cone of impact”.

В настоящее время потребности КА в энергии и ресурсе функционирования постоянно возрастают, что приводит к необходимости использования более мощных бортовых источников электрической энергии. Поэтому в качестве альтернативы солнечным батареям, предлагается использовать ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Проектируемые ЯЭУ космического базирования будут способны вырабатывать сотни киловатт и единицы мегаватт электрической энергии при сроках активного функционирования, достигающих 10 и более лет.At present, spacecraft needs for energy and operating life are constantly increasing, which leads to the need to use more powerful onboard sources of electrical energy. Therefore, as an alternative to solar panels, it is proposed to use nuclear power plants (NPPs). Space-based nuclear power plants being designed will be capable of generating hundreds of kilowatts and a few megawatts of electrical energy with active operation periods of up to 10 years or more.

Понятно, что при появлении в ИПО пыли, электроны конденсируются на поверхности каждой пылинки, заряжая её коллективным отрицательным зарядом. Поле отрицательного заряда пылинок препятствует приближению к их поверхностям электронов вплоть до полного прекращения их конденсации. Это означает, что наступило насыщение в процессе отрицательного заряжения пылинок. Далее происходит притягивание к окрестности пылинок тяжелых положительных ионов, создающих в указанных областях положительные многозарядные области, получившие название - «положительные шубы». При этом с поверхностей пылинок активизируются процессы эмиссии электронного тока, первоначально приводящие к снижению их отрицательных зарядов, а затем к образованию положительной заряженности вследствие наступления дефицита электронов. Эмитирующие из поверхностей пыли электроны осуществляют нейтрализацию положительных шуб. С некоторого значения напряженности положительного электростатического поля процессы перезарядки пылинок повторяются вновь, что означает появление осцилляции зяряженности пылевой составляющей плазмы. Поскольку процессы осцилляции заряженности каждой отдельно взятой пылинки протекают не синхронно, то одномоментное существование как положительно, так и отрицательно заряженных частиц пылевой составляющей плазмы приводит к протеканию структурирования среды. It is clear that when dust appears in the IPO, electrons condense on the surface of each dust grain, charging it with a collective negative charge. The field of the negative charge of dust grains prevents electrons from approaching their surfaces up to the complete cessation of their condensation. This means that saturation has occurred in the process of negative charging of dust particles. Further, heavy positive ions are attracted to the vicinity of the dust particles, creating positive multiply charged regions in the indicated areas, which are called “positive coats”. In this case, the processes of electron current emission are activated from the surfaces of dust grains, initially leading to a decrease in their negative charges, and then to the formation of a positive charge due to the onset of an electron deficit. Electrons emitted from dust surfaces neutralize positive coats. Starting from a certain value of the positive electrostatic field, the processes of dust grain recharging are repeated again, which means the appearance of charge oscillations in the dust component of the plasma. Since the processes of oscillation of the charge of each individual dust grain do not proceed synchronously, the simultaneous existence of both positively and negatively charged particles of the dusty component of the plasma leads to the structuring of the medium.

Пылевые образования наблюдались в разных типах плазмы: газоразрядной, термической, ядерно-возбуждаемой. Во всех случаях главной причиной образования упорядоченных пылевых структур является электрический заряд. Причем заряд может быть изначально положительным из-за ультрафиолетового облучения частиц, как результат фотоэлектронной эмиссии с их поверхностей. В термической плазме заряды пылинок также могут быть положительным вследствие термоэлектронной эмиссии с поверхностей частиц. В ядерно-возбуждаемой плазме поток электронов (

) может зарядить частицу отрицательно, но вторичная электронная эмиссия (эффект Шоттки – явление вырывания электронов из поверхности пылинки положительным полем «шубы» или «туннельный эффект») может изменить знак заряда на положительный.Dust formations were observed in different types of plasma: gas-discharge, thermal, nuclear-excited. In all cases, the main reason for the formation of ordered dust structures is the electric charge. Moreover, the charge can be initially positive due to ultraviolet irradiation of particles, as a result of photoelectron emission from their surfaces. In thermal plasma, the charges of dust grains can also be positive due to thermionic emission from particle surfaces. In a nuclear-excited plasma, the electron flux (

) can charge the particle negatively, but the secondary electron emission (the Schottky effect is the phenomenon of electrons being ejected from the surface of a dust grain by a positive “fur coat” or “tunnel effect”) can change the sign of the charge to positive.

Одновременно будут протекать и другие процессы упорядочения структуры плазменной пылевой среды и образования кристаллической (кулоновской) плазмы. Например, процесс смещения электронов, находящихся на поверхностях пылинок, на удаленную часть этих поверхностей при приближении к ним соседних пылинок, тоже имеющих отрицательный заряд. Такое смещение приведет к созданию частиц-диполей, имеющих с одной стороны положительный потенциал, а с другой отрицательный. Ориентация соседних частиц сторонами с противоположными знаками друг к другу также приведет к их упорядоченному сцеплению за счет электростатических сил. Указанные обстоятельства позволяют прогнозировать образование электростатических связей между разноименными зарядами, приводящих к нейтрализации зарядов пылинок в момент их соединения в упорядоченную структуру. Так формируется упорядоченная структура, состоящая из пылевых частиц, то есть структурированная плазма.At the same time, other processes of ordering the structure of the plasma dusty medium and the formation of crystalline (Coulomb) plasma will also take place. For example, the process of shifting electrons located on the surfaces of dust grains to a remote part of these surfaces when neighboring dust grains approach them, which also have a negative charge. Such a shift will lead to the creation of dipole particles having a positive potential on one side and a negative potential on the other. Orientation of adjacent particles by sides with opposite signs to each other will also lead to their ordered cohesion due to electrostatic forces. These circumstances make it possible to predict the formation of electrostatic bonds between unlike charges, leading to the neutralization of the charges of dust grains at the moment of their connection into an ordered structure. This is how an ordered structure consisting of dust particles is formed, that is, a structured plasma.

Как видим, в газопылевой плазме самоорганизуются процессы, приводящие к «сращиванию плазменной среды» и КМ в единую материальную структуру, способную противостоять рассеянию аэродинамическим воздействием следов атмосферы на околоземных орбитах.As we can see, processes are self-organizing in the gas-dust plasma, which lead to the “fusion of the plasma medium” and the CM into a single material structure that can withstand the scattering of atmospheric traces by aerodynamic action in near-Earth orbits.

На фиг. 3 схематически представлены процессы создания ИПО, вследствие разделений зарядов, протекающих на поверхностях крупных фрагментов космического мусора и формирование их сцепления с газопылевой средой, приводящие к образованию единой несущей системы с миделевым сечением, на порядки превосходящим совокупность миделевых сечений объектов космического мусора. Указанное обстоятельство позволяет сделать вывод о пропорциональном увеличении силы аэродинамического сопротивления, действующего на ИПО, способной обеспечить эффективное торможение КМ и снижение высоты его орбиты до внедрения в плотные слои атмосферы Земли, где происходит его термическая утилизация. In FIG. Fig. 3 schematically shows the processes of creating an IPS, due to the separation of charges flowing on the surfaces of large fragments of space debris and the formation of their adhesion to the gas and dust environment, leading to the formation of a single carrier system with a midsection section that is orders of magnitude greater than the totality of midsection sections of space debris objects. This circumstance allows us to conclude that there is a proportional increase in the aerodynamic drag force acting on the IPS, which is capable of providing effective deceleration of the spacecraft and lowering the height of its orbit before penetrating into the dense layers of the Earth’s atmosphere, where it is thermally utilized.

Claims

1. Способ очистки орбит от космического мусора (КМ) остаточным аэродинамическим действием атмосферы Земли, характеризующийся тем, что очистка от объектов КМ достигается торможением объектов КМ с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере, отличающийся тем, что для торможения объектов КМ посредством сопротивления следов атмосферы используют сервисный космический аппарат (СКА), сопровождающий КМ, который снабжают лазерной установкой, устройством, отстреливающим в сторону объектов КМ генератор искусственного плазменного образования (ИПО), создающий при попадании в скопление объектов КМ облако мелкодисперсных частиц с легкоионизируемыми щелочными и щелочно-земельными веществами, в результате чего образуют ИПО, имеющее площадь миделева сечения, на несколько порядков превосходящую совокупную площадь миделевых сечений объектов КМ, при этом за счет увеличения площади миделева сечения ИПО с объектами КМ повышают величину аэродинамических сил, обеспечивающих ускоренный спуск КМ с околоземной орбиты в плотные слои атмосферы Земли с последующим сгоранием, причем ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивают воздействиями излучений космического пространства и ультрафиолетового излучения, генерируемого лазерной установкой. 1. A method for cleaning orbits from space debris (SD) by the residual aerodynamic effect of the Earth's atmosphere, characterized in that cleaning from space debris objects is achieved by braking space debris objects in order to transfer them to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere, characterized in that for braking objects The spacecraft, through the resistance of traces of the atmosphere, uses a service spacecraft (SSC) that accompanies the spacecraft, which is equipped with a laser installation, a device that fires a generator of artificial plasma formation (PPO) towards the objects of the spacecraft, which creates a cloud of fine particles with easily ionized alkaline and alkaline-earth substances, as a result of which they form an IPO with a midsection area that is several orders of magnitude greater than the total area of midsection sections of the CM objects, while by increasing the midsection area of the IPO with CM objects, they increase the value of aerodynamic forces that provide acceleration SC descent from near-Earth orbit into dense layers of the Earth’s atmosphere with subsequent combustion, and the ionized state of the IPS before the completion of descent from near-Earth orbit is provided by the effects of outer space radiation and ultraviolet radiation generated by the laser installation.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что функционирование СКА осуществляют многократным повторением последовательности операций: выбор объекта КМ, выполнение маневра сближения, отстреливание генератора ИПО, сопровождение КМ и поддержание ионизированного состояния ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты, возвращение на целевую орбиту.2. The method according to claim 1, characterized in that the operation of the SKA is carried out by repeatedly repeating the sequence of operations: selecting a spacecraft object, performing an approach maneuver, firing the IPO generator, tracking the spacecraft and maintaining the ionized state of the IPO until the descent from the Earth orbit is completed, return to the target orbit .

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначальный объект КМ имеет крупные габариты, относительно которого под действием ИПО удерживаются мелкие объекты КМ, число которых увеличивается при столкновении объектов КМ в ИПО.3. The method according to claim 1, characterized in that the initial CM object has large dimensions, relative to which small CM objects are held under the action of the IPO, the number of which increases when the CM objects collide in the IPO.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав СКА входит двигательная установка для межорбитального перемещения, а также двигательные блоки ориентации и коррекции.4. The method according to claim 1, characterized in that the ASC includes a propulsion system for interorbital movement, as well as orientation and correction propulsion units.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что компенсирующее воздействие при отстреливании генераторов ИПО создают двигательной установкой для межорбитального перемещения.5. The method according to p. 4, characterized in that the compensating effect when firing the IPO generators is created by a propulsion system for interorbital movement.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника электрической энергии используют ядерную энергетическую установку.6. The method according to claim 1, characterized in that a nuclear power plant is used as a source of electrical energy.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что СКА имеет запас генераторов ИПО в виде обоймы с возможностью ее пополнения.7. The method according to p. 1, characterized in that the SKA has a stock of IPO generators in the form of a clip with the possibility of replenishment.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что генераторы ИПО выполнены с возможностью фиксации к объекту КМ.8. The method according to p. 7, characterized in that the IPO generators are made with the possibility of fixing to the CM object.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав СКА входит система видеонаблюдения.9. The method according to p. 1, characterized in that the SKA includes a video surveillance system.