Оптимальные затраты на комбинированный увод крупногабаритных объектов космического мусора с использованием электрореактивной двигательной установки

Предложено развитие метода комбинированного увода крупногабаритных объектов космического мусора с низких околоземных орбит, выполняемого с использованием электрореактивной двигательной установки и аэродинамического парусного устройства. Проведено имитационное моделирование комбинированного увода при различных сочетаниях таких параметров его схемы, как высота начальной орбиты, фаза солнечной активности в момент начала увода, баллистический коэффициент, время активного функционирования системы управления и время одной зарядки аккумуляторной батареи. Определены аналитические зависимости минимального приращения скорости электрореактивной двигательной установки, набираемого за одно включение, и минимального количества включений от параметров схемы увода, необходимые для обеспечения увода в течение 25 лет. Выявлены области фазы солнечной активности в момент начала увода, обеспечивающие оптимальные энергетические затраты на этот процесс. Полученные результаты представляют практический интерес для задач проектирования современных средств увода крупногабаритных космических объектов с низких околоземных орбит на предприятиях ракетно-космической отрасли.

Литература

[1] Golubek A., Dron’ M., Dubovik L. et al. Development of the combined method to de-orbit space objects using an electric rocket propulsion system. EasternEuropean J. Enterp. Technol., 2020, vol. 4, no. 5, pp. 78–87, doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210378

[2] Пикалов Р.С., Юдинцев В.В. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора. Труды МАИ, 2018, № 100. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=93299

[3] Mark C.P., Kamath S. Review of active space debris removal methods. Space Policy, 2019, vol. 47, pp. 194–206, doi: https://doi.org/10.1016/j.spacepol.2018.12.005

[4] Guerra G., Muresan A.C., Nordqvist K.G. et al. Active space debris removal system. INCAS Bull., 2017, vol. 9, no. 2, pp. 97–116.

[5] Li J., Hu M., Wang X. et al. Optimal control method for low thrust deorbit of the low earth orbit satellite based on ALPSO algorithm. Systems Eng. Electron., 2021, vol. 43, no. 1, pp. 199–207.

[6] Коловский И.К., Подолякин В.Н., Шмаков Д.Н. Оценка возможности проведения маневра увода с рабочей орбиты космических аппаратов «ГОНЕЦ-М». Космонавтика и ракетостроение, 2018, № 2, с. 107–113.

[7] Alpatov A.P., Palii O.S., Skorik О.D. The development of structural design and the selection of design parameters of aerodynamic systems for de-orbiting upper-stage rocket launcher. Sci. Innov., 2017, vol. 13, no. 4, pp. 29–39, doi: http://dx.doi.org/10.15407/scine13.04.029

[8] Пичхадзе К.М., Сысоев В.К., Фирсюк С.О. и др. Анализ конструкции устройства аэродинамического торможения спутников CubeSat для увода с низких околоземных орбит. Инженерный журнал: Наука и инновации, 2020, № 5, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2020-5-1982

[9] Карчаев Х.Ж., Пичхадзе К.М., Сысоев В.К. и др. Анализ методов увода наноспутников CubeSat с низких околоземных орбит. Полет, 2019, № 4, с. 19–28.

[10] Nikolajsen J.A., Kristensen A.S. Self-deployable drag sail folded nine times. Adv. Space Res., 2021, vol. 68, no. 10, pp. 4242–4251, doi: https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.08.005

[11] Kelly P., Bevilacqua R., Mazal L. et al. TugSat: removing space debris from geostationary orbits using solar sails. J. Spacecr. Rockets., 2018, vol. 55, no. 2, pp. 437–450, doi: https://doi.org/10.2514/1.A33872

[12] Lucking C., Colombo C., McInnes C.R. A passive satellite deorbiting strategy for medium Earth orbit using solar radiation pressure and the J2 effect. Acta Astronaut., 2012, vol. 77, pp. 197–206, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.03.026

[13] Онищук С.Ю. Использование силы Лоренца для увода объектов крупногабаритного космического мусора. Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли. Мат. XIII Всерос. науч.-тех. конф. Омск, ОМГТУ, 2019, с. 25–31.

[14] Shuvalov V.A., Gorev N.B., Tokmak N.A. et al. Drag on a spacecraft produced by the interaction of its magnetic field with the Earth’s ionosphere. Physical modelling. Acta Astronaut., 2020, vol. 166, pp. 41–51, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.10.018

[15] Li G., Zhu Z.H., Ruel S. et al. Multiphysics elastodynamic finite element analysis of space debris deorbit stability and efficiency by electrodynamic tethers. Acta Astronaut., 2017, vol. 137, pp. 320–333, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.04.025

[16] Sarego G., Olivieri L., Valmorbida A. et al. Deployment requirements for deorbiting electrodynamic tether technology. CEAS Space J., 2021, vol. 13, no. 4, pp. 567–581, doi: https://doi.org/10.1007/s12567-021-00349-5

[17] Alpatov A., Khoroshylov S., Bombardelli C. Relative control of an ion beam shepherd satellite using the impulse compensation thruster. Acta Astronaut., 2018, vol. 151, pp. 543–554, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.06.056

[18] Aslanov V., Ledkov A.S., Konstantinov M.S. Attitude motion of a space object during its contactless ion beam transportation. Acta Astronaut., 2020, vol. 179, pp. 359–370, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.11.017

[19] Рязанов В.В., Ледков А.С. Увод наноспутника с низкой орбиты с помощью ионного потока. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика, 2019, № 1, с. 82–93, doi: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2019-19-1-82-93

[20] Aslanov V., Schaub H. Detumbling Attitude control analysis considering an electrostatic pusher configuration. J. Guid. Control Dyn., 2019, vol. 42, no. 3, pp. 900–910, doi: https://doi.org/10.2514/1.G003966

[21] Scharring S., Wilken J., Eckel H.A. Laser-based removal of irregularly shaped space debris. Opt. Eng., 2016, vol. 56, no. 1, art. 011007, doi: https://doi.org/10.1117/1.OE.56.1.011007

[22] Кузнецов И.И., Мухин И.Б., Снетков И.Л. и др. Схемы орбитальных лазеров для удаления космического мусора. Всерос. науч. конф. с межд. уч. Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы. Москва, ИКИ РАН, 2019, с. 199–206, doi: https://doi.org/10.21046/spacedebris2019-199-206

[23] Dron’ M., Golubek A., Dubovik L. et al. Analysis of ballistic aspects in the combined method for removing space objects from the near-Earth orbits. EasternEuropean J. Enterp. Technol., 2019, vol. 2, no. 5, pp. 49–54, doi: 10. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.161778

[24] Дронь Н.М., Голубек А.В., Дреус А.Ю. и др. Перспективы использования комбинированного метода очистки околоземного пространства от крупногабаритного космического мусора. Космічна наука і технологія, 2019, т. 25, № 6, с. 61–69, doi: https://doi.org/10.15407/knit2019.06.061

[25] Lapkhanov E., Khoroshylov S. Development of the aeromagnetic space debris deorbiting system. EasternEuropean J. Enterp. Technol., 2019, vol. 5, no. 5, pp. 30–37, doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179382