RU2777460C1 - Method for disposal of space vehicles through aerodynamic action of earth's atmosphere - Google Patents

Abstract

FIELD: space industry.

SUBSTANCE: invention relates to the space industry and can be used in the design of spacecraft in order to prevent clogging of outer space at the end of the active life. A method for disposing of a spacecraft by means of the aerodynamic effect of the Earth's atmosphere, characterized by the fact that at the end of the active life, using the propulsion units, the spacecraft is given a forced rotational motion. Then, by means of pyrotechnic devices, they are divided into component structural elements connected by flexible, for example, cable connections, which together create a large-sized structure with a large diameter, located normal to the direction of ballistic flight. Then, by means of an artificial plasma formation generator (AFG), a gas-dust environment is created, ensuring the filling of voids between the elements of the spacecraft, and the diameter of the AFG is also increased by surrounding the utilized structure from the outside. In this case, the AFG creates electrostatic interactions of the gas and dust environment with structural elements.

EFFECT: time of ballistic flight is reduced after the end of the period of the active existence of the spacecraft in the orbit of near-Earth outer space.

4 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к космической отрасли и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) с целью предотвращения засорения космического пространства при окончании срока активного существования.The present invention relates to the space industry and can be used in the design of spacecraft (SC) in order to prevent clogging of outer space at the end of the active life.

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 adopted the following definition: “Space debris (SD) is all artificial (technogenic) objects, including fragments and elements that are in near-Earth orbit or re-entering 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.

"Конвенция о международной ответственности за ущерб, причиненный космическими объектами" устанавливает, что кто бы не осуществил запуск объекта в космос, он несет ответственность за любой ущерб, причиненный объектом, как в космосе, так и на Земле. МККМ установил, что в конце миссии КА должен совершить маневр, чтобы не допустить помех другим орбитальным КА, а в случае низкоорбитальных искусственных спутников их возврат в атмосферу должен быть гарантирован в течение 25 лет с окончания срока их службы.The "Convention on International Liability for Damage Caused by Space Objects" establishes that whoever launches an object into space is liable for any damage caused by the object, both in space and on Earth. The IADC determined that at the end of the mission, the spacecraft must maneuver to avoid interference with other orbiting spacecraft, and in the case of low-orbit artificial satellites, their re-entry must be guaranteed for 25 years from the end of their service life.

На данный момент весьма актуальной является проблема засоренности 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 contamination of near-Earth space (NES) is very relevant, which consists in the fact that uncontrolled artificial objects in near-Earth orbits are a source of danger of a possible collision with spacecraft operating for their intended purpose, which can lead to damage or failure of a 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.

На текущий момент основные требования к проектированию КА сводятся к предупреждению образования мусора в ходе операций на орбите:At the moment, the main requirements for the design of spacecraft are reduced to the prevention of debris during operations in orbit:

- ограничение высвобождения мусора при штатных операциях с КА на орбите;- limiting the release of debris during routine operations with spacecraft in orbit;

- сведение к минимуму возможности разрушений КА на орбите;- minimizing the possibility of spacecraft destruction in orbit;

- увод КА с целевой орбиты после завершения программы полета.- removal of the spacecraft from the target orbit after the completion of the flight program.

Необходимо избегать преднамеренного разрушения КА (самоликвидации, умышленного столкновения и т.д.) и других действий, которые могут значительно повысить опасность столкновений для других КА. Преднамеренное разрушение должно производиться на достаточно низкой высоте с тем, чтобы сократить время существования фрагментов КА на орбите. Программа полета КА завершается после прекращения штатного функционирования из-за его отказа или невозможности целевого использования. Статистика отказов КА показывает, что выводимый из штатного функционирования КА во многих случаях становится неуправляемым, т.е. его организованный увод не представляется возможным. Таким образом, опасность разрушения КА на орбите может быть исключена, если в процессе его проектирования будет проведен анализ возможных отказов, ведущих к самопроизвольному разрушению, с разработкой и реализацией мероприятий по снижению вероятности их появления.It is necessary to avoid deliberate destruction of the spacecraft (self-destruction, intentional collision, etc.) and other actions that can significantly increase the risk of collisions for other spacecraft. Deliberate destruction should be carried out at a sufficiently low altitude in order to reduce the lifetime of spacecraft fragments in orbit. The spacecraft flight program is terminated after the termination of normal operation due to its failure or the impossibility of its intended use. The statistics of SC failures shows that a SC that is taken out of normal operation in many cases becomes uncontrollable, i.e. its organized withdrawal is not possible. Thus, the danger of spacecraft destruction in orbit can be excluded if, in the process of its design, an analysis of possible failures leading to spontaneous destruction is carried out, with the development and implementation of measures to reduce the probability of their occurrence.

В данном способе утилизации КА предлагается использовать слабое сопротивление следов атмосферы для торможения посредством искусственного плазменного образования (ИПО) большого диаметра, окружающего и взаимодействующего с элементами конструкции КА, возникающими электромагнитными силами. Увеличение аэродинамического сопротивления ИПО совместно с утилизируемым КА, обеспечивается с помощью запускаемого с КА генератора ИПО, создающего газопылевое заполнение пустот между элементами конструкции КА и окружающим КА пространством. Воздействие аэродинамических сил следов атмосферы, вследствие их малости, приводит к снижению 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 КА на два порядка с упрочненными связями объектов среды друг с другом, время утилизации ориентировочно составит несколько месяцев.In this method of dismantling a spacecraft, it is proposed to use the weak resistance of traces of the atmosphere for braking by means of an artificial plasma formation (PPO) of large diameter, surrounding and interacting with the structural elements of the spacecraft, arising from electromagnetic forces. The increase in the aerodynamic drag of the IPS together with the dismantled spacecraft is ensured by using the IPS generator launched from the spacecraft, which creates gas and dust filling of the voids between the elements of the spacecraft structure and the space surrounding the spacecraft. The impact of the aerodynamic forces of the traces of the atmosphere, due to their smallness, leads to a decrease in 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 IPS with a spacecraft surrounded by a gas-dust plasma environment by two orders of magnitude with strengthened bonds between the objects of the environment with each other, the utilization time will approximately be several months.

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, приведет 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 ее 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: 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 (reunion 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. To keep the plasma environment surrounding the spacecraft 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: 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 the 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 элементами КА, завершающим срок активного существования (т.е. КМ), а также заполнения окружающего КМ пространства.The creation and preservation of an electrically "viscous" medium is necessary to increase the stability of a new IPS, consisting of gas and dust filling voids between the elements of the spacecraft, completing its active life (i.e., CM), as well as filling the space surrounding the CM.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является совершенствование конструкции КА для утилизации при окончании срока активного существования посредством аэродинамического торможения «следами атмосферы Земли».The task to be solved by the claimed invention is to improve the design of the spacecraft for disposal at the end of its active life by means of aerodynamic braking "traces of the Earth's atmosphere".

Поставленная задача решается за счет того что способ утилизации КА посредством аэродинамического действия атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета, затем посредством генератора ИПО создают газопылевую среду, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом, возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. При этом КА может иметь запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения. Для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.The problem is solved due to the fact that the method of utilization of the spacecraft through the aerodynamic action of the Earth's atmosphere, characterized by the fact that at the end of the active life, using the propulsion units, the spacecraft is given a forced rotational motion, then by means of pyrotechnic devices they are divided into component structural elements connected by flexible ones, for example , cable connections, which together create a large-sized structure with a large diameter, located along the normal to the direction of ballistic flight, then a gas and dust environment is created by means of the IPO generator, ensuring the filling of voids between the elements of the spacecraft, and also increasing the diameter of the IPO due to the environment of the utilized structure from the outside, while IPO creates electrostatic interactions of the gas and dust environment with structural elements, which additionally leads to an increase in the area of the midsection of the structure with IPO, thus, the values of aerodynamic forces increase and reaches This is the deceleration of the spacecraft at the end of the period of active existence in order to transfer to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere. In this case, the spacecraft can have a supply of fuel for the implementation of forced rotational motion. To increase the plasma concentration, easily ionizable alkaline and alkaline earth substances were introduced into the composition of the IPO. The ionized state of the IPO until the completion of the descent from the near-Earth orbit is provided by the effects of outer space radiation.

При проведении анализа результатов патентно-информационного поиска наличие идентичных результатов интеллектуальной деятельности с предложенной совокупностью признаков изобретения не выявлено.When analyzing the results of patent information search, the presence of identical results of intellectual activity with the proposed set of features of the invention was not revealed.

Техническими результатами являются:The technical results are:

- сокращение времени дрейфа (баллистического полета после окончания срока активного существования) КА на орбите ОКП;- reduction of the drift time (ballistic flight after the end of the period of active existence) of the spacecraft in the NES orbit;

- термическая утилизация в плотных слоях атмосферы.- thermal utilization in dense layers of the atmosphere.

Сущность изобретения поясняется структурно-функциональной схемой (фиг. 1) формирования ИПО при утилизации КА, отработавшего свой срок функционирования.The essence of the invention is illustrated by a structural-functional diagram (Fig. 1) of the formation of the IPO during the disposal of a spacecraft that has completed its service life.

1 - функционирование КА по назначению (движется по рабочей орбите); 2 - КА закончил работу по целевому назначению, с помощью двигательных блоков закручивается вокруг своей оси и создает центробежные силы на элементы конструкции; 3 - элементы конструкции КА разделяются и под действием центробежных сил распределяются на удалении друг от друга, удерживаются в новом положении с помощью подпружиненных тросов, начинает работать генератор ИПО, аэродинамическое сопротивление системы увеличивается; 4 - КА продолжает снижение, вся система полностью находится в облаке газопылевой среды, конструкционные элементы КА зарядились отрицательно, в результате чего в газопылевой плазменной среде образовался положительный объемный заряд, кулоновские силы притяжения удерживают сформировавшуюся структуру ИПО; 5 - аэродинамическое действие атмосферы Земли; 6 - направление баллистического полета.1 - functioning of the spacecraft for its intended purpose (moving in a working orbit); 2 - the spacecraft has completed its work for its intended purpose, with the help of propulsion blocks it spins around its axis and creates centrifugal forces on structural elements; 3 - spacecraft structural elements are separated and under the action of centrifugal forces are distributed at a distance from each other, are held in a new position with the help of spring-loaded cables, the IPO generator starts to work, the aerodynamic resistance of the system increases; 4 - the spacecraft continues to descend, the entire system is completely in a cloud of gas and dust environment, the structural elements of the spacecraft are negatively charged, as a result of which a positive space charge is formed in the gas and dust plasma environment, the Coulomb forces of attraction hold the formed structure of the IPO; 5 - aerodynamic action of the Earth's atmosphere; 6 - direction of ballistic flight.

Способ утилизации космических аппаратов посредством аэродинамического действия 5 атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение 2, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию 3 с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета 6, затем посредством генератора ИПО создают газопылевую среду 4, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды 4 с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере. При этом КА может иметь запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения 2. Для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.A method for disposing of spacecraft through the aerodynamic action 5 of the Earth's atmosphere, characterized in that at the end of the active life, using the propulsion units, the spacecraft is given a forced rotational motion 2, then, by means of pyrotechnic devices, it is divided into component structural elements connected by flexible, for example, cable connections, collectively creating a large-sized structure 3 with a large diameter located along the normal to the direction of ballistic flight 6, then a gas-dust environment 4 is created by means of the IPO generator, ensuring the filling of voids between the elements of the spacecraft, and also increasing the diameter of the IPO due to the environment of the recyclable structure from the outside, while the IPO creates electrostatic interactions of the gas-dust medium 4 with structural elements, which additionally leads to an increase in the area of the midsection of the structure with IPO, thus increasing the magnitude of aerodynamic forces and braking the spacecraft is achieved at the end of the period of active existence in order to transfer to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere. In this case, the spacecraft can have a supply of fuel for the implementation of forced rotational motion 2. To increase the plasma concentration, easily ionizable alkaline and alkaline earth substances are introduced into the composition of the IPO. The ionized state of the IPO until the completion of the descent from the near-Earth orbit is provided by the effects of outer space radiation.

Предлагаемый способ утилизации КА может получить широкое внедрение в практическую космонавтику, однако для его реализации необходимо предусмотреть требующиеся особенности конструкции уже на ранней стадии проектирования. К указанным особенностям относятся следующие разработки:The proposed method of dismantling a spacecraft can be widely implemented in practical astronautics, however, for its implementation, it is necessary to provide for the required design features already at an early design stage. These features include the following developments:

1. Устройства расчленения конструкции КА, отработавшего заданный ресурс активного функционирования и превратившегося в космический мусор. Такое препарирование аппарата осуществляется для последующего формирования ИПО, площадь миделевого сечения которого F _мИПО на порядки превосходит площадь миделевого сечения собранного космического аппарата F _мКА . Формирование ИПО осуществляется за счет препарирования КА с рассредоточением пространственного размещения его элементов в большем объеме и последующего погружения измененной конструкции в газопылевую плазменную среду, эжектированную генератором, специально для этого предусмотренным в составе бортовых систем КА. Известно, что в газопылевой плазменной среде при окружении ею твердых элементов КА формируется процесс преимущественной конденсации на их поверхностях быстрой электронной компоненты плазмы, заряжая эти элементы отрицательным зарядом. Этот процесс, в свою очередь, приводит к дефициту электронов в плазменном окружении и образованию здесь положительного объемного потенциала. Сформированное кулоновское взаимодействие между противоположно заряженными объектами ИПО приводит к их «сцеплению», передающему тормозящее действие аэродинамического сопротивления следов земной атмосферы от газопылевой плазменной среды к элементам космического мусора, представляющих собой «узлы срастания» космического мусора с газоплазменной средой ИПО. Препарирование и последующее рассредоточение объектов конструкции позволяет создать более равномерное расположение по объему ИПО «узлов срастания» с целью повышения несущей способности совокупности ингредиентов ИПО. Это проявляется в эффективной передаче тормозящего действия силы аэродинамического сопротивления разреженной атмосферы Земли на фрагменты космического мусора. Интенсификация процесса торможения космического мусора приведет к ускоренному снижению высоты его орбиты вплоть до достижения плотных слоев атмосферы Земли, в которых произойдет его утилизация.1. Devices for dismembering the structure of a spacecraft that has worked out a given resource of active functioning and turned into space debris. Such preparation of the apparatus is carried out for the subsequent formation of the IPO, the area of the midsection of whichF _mipo orders of magnitude greater than the midsection area of the assembled spacecraftF _mCA .The formation of the IPO is carried out due to the preparation of the spacecraft with the dispersal of the spatial arrangement of its elements in a larger volume and the subsequent immersion of the modified design in a gas-dust plasma environment ejected by a generator specially provided for this as part of the onboard systems of the spacecraft. It is known that in the gas-dust plasma medium, when it surrounds the solid elements of the spacecraft, the process of predominant condensation on their surfaces of the fast electron component of the plasma is formed, charging these elements with a negative charge. This process, in turn, leads to a deficit of electrons in the plasma environment and the formation of a positive volume potential here. The formed Coulomb interaction between oppositely charged PPS objects leads to their “coupling”, which transfers the braking effect of the aerodynamic drag of the Earth’s atmosphere traces from the gas and dust plasma environment to the elements of space debris, which are “growth nodes” of space debris with the PPS gas-plasma environment. Preparation and subsequent dispersal of construction objects allows you to create a more uniform arrangement of “union nodes” in the volume of the IPO in order to increase the bearing capacity of the combination of IPO ingredients. This is manifested in the effective transfer of the braking effect of the aerodynamic drag force of the rarefied Earth's atmosphere to fragments of space debris. The intensification of the deceleration process of space debris will lead to an accelerated decrease in the height of its orbit until it reaches the dense layers of the Earth's atmosphere, in which it will be disposed of.

2. Сохранение новой распределенной в пространстве структуры элементов КА осуществляется с помощью использования гибких, например, тросовых, связей между ними и придания полученной конструкции вращательного движения. Принудительное вращательное движение может осуществляться с помощью системы управления движением КА за счет топливных компонентов, запасенных для проведения самоутилизации. При необходимости для этой цели может использоваться энергия лазерных устройств наземного или космического базирования. Срок баллистического существования ИПО, окружившего КА-мусор, будет значительно сокращен вследствие увеличения интегральной силы аэродинамического сопротивления следов атмосферы, действующих на пропорционально увеличившуюся площадь миделевого сечения плазменного образования, транспортирующего в своем составе препарированный КА-мусор. Другими словами, при проектировании предусматривается возможность дополнительного многократного увеличения площади миделевого сечения объекта F _мИПО , получаемая вследствие создания раскрывающейся конструкции под принудительным действием пиротехнических устройств и центробежных сил вращательного движения. Указанные действия приводят к запрограммированному разрыву первоначальных крепежных соединений и рассредоточению конструктивных элементов КА в пространстве. Крайним случаем такой трансформации может явиться расчленение конструкции на отдельные элементы, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную объемную или плоскую фигуру с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению полета.2. Preservation of the new spatially distributed structure of the spacecraft elements is carried out by using flexible, for example, cable, connections between them and imparting rotational motion to the resulting structure. Forced rotational motion can be carried out using the spacecraft motion control system using fuel components stored for self-disposal. If necessary, the energy of ground-based or space-based laser devices can be used for this purpose. The term of the ballistic existence of the IPO that surrounded the CA debris will be significantly reduced due to an increase in the integral force of the aerodynamic drag of the traces of the atmosphere acting on the proportionally increased area of the midsection of the plasma formation transporting the dissected CA debris in its composition. In other words, the design provides for the possibility of an additional multiple increase in the midsection area of the objectF _mipo , obtained as a result of the creation of a drop-down structure under the forced action of pyrotechnic devices and centrifugal forces of rotational motion. These actions lead to a programmed rupture of the initial fasteners and dispersal of the structural elements of the spacecraft in space. An extreme case of such a transformation may be the division of the structure into separate elements connected by flexible, for example, cable connections, which together create a large-sized three-dimensional or flat figure with a large diameter, located normal to the direction of flight.

3. Для заполнения пустот между отдельными элементами разделившейся конструкции КА плазменной средой, повышающей эффективность аэродинамического торможения вследствие увеличения диаметра утилизируемого объекта, в конструкции аппарата предусмотрено наличие генератора ИПО, который создает газопылевую среду, заполняющую пустоты и, кроме того, увеличивающую диаметр искусственного образования за счет окружения рассредоточенной утилизируемой конструкции снаружи. Подвергаясь ионизации под воздействием радиации космического пространства, указанное плазменное образование осуществляет «сращивание» газопылевого окружения с элементами конструкции вследствие генерации между ними электростатических притяжений. Силы электростатических взаимодействий искусственного плазменного образования и элементов космического мусора прямо пропорционально зависят от степени ионизации газопылевой среды. С целью максимизации ионизационных процессов в состав генерируемой среды вводят легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Известны следующие типы генераторов ИПО: газодинамические, пиротехнические и взрывные. В газодинамических генераторах осуществляется выброс направленными потоками сжатого газа диспергированных частиц, осуществляемый с минимальными скоростями их разлета и с требуемым распределением концентрации. Недостатком формирования ИПО указанного типа является необходимость предварительного диспергирования частиц, что ограничивает возможности уменьшения их размеров менее единиц-долей микрона. В пиротехнических генераторах используются металлотермические реакции, обеспечивающие не взрывное, но быстрое горение смеси. Известны способы эжектирования в космос таких элементов, как Li, Ba, Na, Cs при использовании их в качестве наполнителей или компонентов термитных смесей. Недостатком пиротехнического генератора является возможность использования лишь химически активных реагентов. Во взрывных генераторах диспергация и инжекция газоплазменной среды осуществляется за счет энергии взрыва. Взрывной генератор конструктивно состоит из заряда, детонатора и вкладыша инжектируемого вещества специальной формы. Здесь существует проблема снижения скорости разлета инжектируемой среды, которая может осуществляться с помощью наполнения образующейся смеси инертными газами.3. To fill the voids between the individual elements of the divided spacecraft structure with a plasma medium, which increases the efficiency of aerodynamic braking due to an increase in the diameter of the object being disposed of, the design of the apparatus provides for the presence of an IPO generator, which creates a gas and dust medium that fills the voids and, in addition, increases the diameter of the artificial formation due to environment of a dispersed recyclable structure outside. Being subjected to ionization under the influence of outer space radiation, the specified plasma formation carries out "fusion" of the gas and dust environment with structural elements due to the generation of electrostatic attraction between them. The forces of electrostatic interactions between an artificial plasma formation and elements of space debris are directly proportional to the degree of ionization of the gas and dust medium. In order to maximize ionization processes, easily ionizable alkali and alkaline earth substances are introduced into the composition of the generated medium. The following types of IPO generators are known: gas-dynamic, pyrotechnic and explosive. In gas-dynamic generators, dispersed particles are ejected by directed flows of compressed gas, carried out with minimal velocities of their expansion and with the required distribution of concentration. The disadvantage of the formation of IPO of this type is the need for preliminary dispersion of particles, which limits the possibility of reducing their size to less than a few fractions of a micron. Pyrotechnic generators use metallothermic reactions that provide non-explosive, but rapid combustion of the mixture. Known methods of ejection into space of elements such as Li, Ba, Na, Cs when using them as fillers or components of thermite mixtures. The disadvantage of the pyrotechnic generator is the possibility of using only chemically active reagents. In explosive generators, the dispersion and injection of the gas-plasma medium is carried out due to the energy of the explosion. An explosive generator structurally consists of a charge, a detonator, and an insert of a specially shaped injected substance. Here there is a problem of reducing the expansion rate of the injected medium, which can be carried out by filling the resulting mixture with inert gases.

Заключение. Особенностями самоутилизирующегося КА, отработавшего срок своего активного функционирования (КА-мусора), являются наличие в нем трансформирующихся конструкций элементов корпуса и бортовых систем. Трансформирующиеся конструкции разработаны на стадии проектирования с целью значительного увеличения совокупного миделевого сечения вновь образованной новой, рассредоточенной в большем объеме конструктивной формы твердого космического мусора. На основе полученной конструкции космического мусора осуществляется формирование искусственного плазменного образования, состоящего из легкоионизирующейся газопылевой среды, инжектируемой предусмотренным при проектировании КА генератором, и твердого космического мусора. Для сохранения в пространстве и во времени максимальной площади совокупного миделя такого искусственного образования с целью форсирования аэродинамического торможения и сокращения времени его баллистического полета ИПО приводится во вращательное движение.Conclusion. The features of a self-disposing spacecraft that has worked out the period of its active operation (spacecraft-garbage) are the presence in it of transforming structures of hull elements and on-board systems. Transformable structures are developed at the design stage with the aim of significantly increasing the total midsection of the newly formed new structural form of solid space debris dispersed in a larger volume. On the basis of the resulting design of space debris, an artificial plasma formation is formed, consisting of an easily ionized gas and dust medium injected by a generator provided for in the design of the spacecraft, and solid space debris. In order to preserve in space and time the maximum area of the total midsection of such an artificial formation in order to force aerodynamic braking and reduce the time of its ballistic flight, the IPO is driven into rotational motion.

Наличие генератора, создающего газопылевую среду как важного ингредиента ИПО, обеспечивает заполнение пустот между твердыми элементами космического мусора и, кроме того, позволяет увеличить диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, а значит дополнительно увеличить площадь миделевого сечения системы. Подвергаясь термической ионизации при работе генератора ИПО и, в дальнейшем, находясь под ионизационным воздействием радиации космического пространства, указанная плазменная среда осуществляет «сращивание» газопылевого окружения с элементами конструкции вследствие генерации между ними притягивающих электростатических взаимодействий. Для повышения концентрации плазмы, способствующей удержанию облака в контакте с объектами КМ, в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества. Поддержание веществ облака в ионизированном состоянии, может осуществляться также воздействием на него лучом ультрафиолетового лазера, размещенного на Земле или в космосе, например, на сопровождающем ИПО сервисном КА.The presence of a generator that creates a gas and dust environment as an important ingredient of the PES ensures the filling of voids between the solid elements of space debris and, in addition, makes it possible to increase the diameter of the PES by surrounding the dismantled structure from the outside, which means additionally increasing the midsection area of the system. Being subjected to thermal ionization during the operation of the IPO generator and, subsequently, being under the ionization effect of outer space radiation, the specified plasma medium “joins” the gas and dust environment with structural elements due to the generation of attractive electrostatic interactions between them. To increase the plasma concentration, which helps to keep the cloud in contact with the CM objects, easily ionizable alkaline and alkaline earth substances are introduced into the composition of the IPO. Maintenance of cloud substances in an ionized state can also be carried out by exposing it to an ultraviolet laser beam placed on the Earth or in space, for example, on a service spacecraft accompanying the IEP.

Таким образом, торможение КМ и утилизация его в плотных слоях атмосферы осуществляется за счет слабых аэродинамических сил остатков земной атмосферы, интегральное действие которых увеличивается развитием площади миделевого сечения совокупного ИПО, включающего в свой состав КМ.Thus, the deceleration of the spacecraft 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 total PPS, which includes the spacecraft.

Срок пребывания неиспользуемых объектов на орбите может быть сокращен со столетий до нескольких месяцев.The lifetime of unused objects in orbit can be reduced from centuries to several months.

Claims (4)

1. Способ утилизации космических аппаратов (КА) посредством аэродинамического действия атмосферы Земли, характеризующийся тем, что при окончании срока активного существования, используя двигательные блоки, КА придают принудительное вращательное движение, затем посредством пиротехнических устройств разделяют на составные элементы конструкции, соединенные гибкими, например, тросовыми связями, в совокупности создающими крупногабаритную конструкцию с большим диаметром, расположенную по нормали к направлению баллистического полета, затем посредством генератора искусственного плазменного образования (ИПО) создают газопылевую среду, обеспечивая заполнение пустот между элементами КА, а также увеличивают диаметр ИПО за счет окружения утилизируемой конструкции снаружи, при этом ИПО создает электростатические взаимодействия газопылевой среды с элементами конструкции, что дополнительно приводит к увеличению площади миделевого сечения конструкции с ИПО, таким образом, возрастают величины аэродинамических сил и достигается торможение КА при окончании срока активного существования с целью перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере.1. The method of disposal of spacecraft (SC) through the aerodynamic action of the Earth's atmosphere, characterized by the fact that at the end of the period of active existence, using the propulsion units, the SC is given a forced rotational motion, then, by means of pyrotechnic devices, they are divided into component structural elements connected by flexible ones, for example, cable ties, which together create a large-sized structure with a large diameter, located along the normal to the direction of ballistic flight, then, by means of an artificial plasma formation generator (APO), a gas and dust environment is created, ensuring the filling of voids between the elements of the spacecraft, and also increase the diameter of the IPO due to the environment of the utilized structure outside, while the IPO creates electrostatic interactions of the gas and dust environment with the structural elements, which additionally leads to an increase in the area of the midsection of the structure with the IPO, thus increasing the values of aerodynes calic forces and the spacecraft deceleration is achieved at the end of its active existence in order to transfer to a lower orbit with subsequent combustion in the atmosphere. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что КА имеет запас топлива для осуществления принудительного вращательного движения.2. The method according to claim 1, characterized in that the spacecraft has a supply of fuel for forced rotational movement. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения концентрации плазмы в состав ИПО введены легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные вещества.3. The method according to claim 1, characterized in that, in order to increase the plasma concentration, easily ionizable alkaline and alkaline earth substances are introduced into the composition of the IPO. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионизированное состояние ИПО до завершения спуска с околоземной орбиты обеспечивается воздействиями излучений космического пространства.4. The method according to claim 1, characterized in that the ionized state of the IPO until the completion of the descent from the near-Earth orbit is provided by the effects of outer space radiation.

Images