Ключевые вопросы создания надувных тормозных устройств для увода вышедших из строя спутников в плотные слои атмосферы. Часть 1. Проектный облик. Движение в разреженной атмосфере

Освоение околоземного космического пространства сопровождается появлением на околоземных орбитах космического мусора, состоящего из искусственных спутников, элементов космических аппаратов, ракет-носителей и разгонных блоков, исчерпавших ресурс. Высокая активность энтузиастов, создающих наноспутники CubeSat, заставляет делать мрачные прогнозы засорения космоса. Для очистки околоземного космоса от мусора предлагаются разнообразные проекты, предусматривающие сбор уже накопившегося мусора и оснащения нового поколения объектов ракетно-космической техники средствами для перевода на орбиты захоронения или в плотные слои атмосферы. К перспективным средствам борьбы с космическим мусором относятся надувные тормозные устройства, предназначенные для увода скрепленных объектов в плотные слои атмосферы. Температурное состояние надувного тормозного устройства формируется под действием потоков теплового излучения от Солнца и Земли и кинетического нагрева, вызванного движением в разреженной атмосфере. Рассмотрены варианты проектного облика надувного тормозного устройства для наноспутников CubeSat, находящихся на низких околоземных орбитах. Приведены результаты моделирования движения тонкостенной сферической оболочки надувного тормозного устройства. Выполнена оценка времени достижения спутником плотных слоев атмосферы.

Литература

[1] ESA’s annual space environment report. ESA Space Debris Office, 2022. 120 p.

[2] Баркова М.Е. Космический аппарат для утилизации космического мусора в околоземном пространстве. Труды МАИ, 2018, № 103. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=100712

[3] Phipps C.R., Baker K.L., Libby S.B. et al. Removing orbital debris with lasers. Adv. Space Res., 2012, vol. 49, no. 9, pp. 1283–1300, doi: https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.02.003

[4] Палий А.С. Методы и средства увода космических аппаратов с рабочих орбит (состояние проблемы). Техническая механика, 2012, № 1, c. 94–102.

[5] Клюшников В.Ю. Как очистить околоземное пространство от космического мусора? Воздушно-космическая сфера, 2019, № 1, с. 96–107, doi: https://doi.org/10.30981/2587-7992-2019-98-1-96-107

[6] Палий А.С. Об эффективности устройства аэродинамического торможения для увода космических аппаратов. Техническая механика, 2012, № 4, c. 82–90.

[7] Палий А.С. Разработка методики проектирования аэродинамических систем увода космических аппаратов с околоземных орбит. Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 2015, т. 1, № 9, c. 11–15.

[8] Алпатов А.П., Палий А.С., Скорик А.Д. Аэродинамические системы увода космических объектов. Техническая механика, 2015, № 4, с. 126–138.

[9] Рыжков В.В., Сулинов А.В. Двигательные установки и ракетные двигатели малой тяги на различных физических принципах для систем управления малых и сверхмалых космических аппаратов. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2018, т. 17, № 4, с. 115–128, doi: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-4-115-128

[10] Леонов А.Г., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Космические аппараты для утилизации космического мусора. Москва, АО ВПК «НПО машиностроения», 2019. 48 с.

[11] Nakasuka S., Senda K., Watanabe A. et al. Simple and small de–orbiting package for nano-satellites using an inflatable balloon. Trans. Jpn. Soc. Aeronaut. Space. Sci., 2009, vol. 7, no. 26, doi: https://doi.org/10.2322/tstj.7.Tf_31

[12] Nock K., Gates K., Aaron K. Gossamer orbit lowering device (GOLD) for safe and efficient de–orbit. AIAA Paper, 2010, no. 2010–7824, doi: https://doi.org/10.2514/6.2010-7824

[13] Horn A.C. A low cost inflatable CubeSat drag brake utilizing sublimation. MS thesis. Old Dominion University, 2017. 99 p.

[14] Нестерин И.М., Пичхадзе К.М., Сысоев В.К. и др. Предложение по созданию устройства для схода наноспутников CUBESAT с низких околоземных орбит. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2017, № 3, c. 20–26.

[15] Финченко В.С., Иванков А.А., Шматов С.И. Проект КА, оснащенного системой удаления космического мусора (аэротермодинамика, габаритно-массовые характеристики и траектории спуска КА с околоземных орбит). Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2018, № 1, с. 10–18.

[16] Крестина А.В., Ткаченко И.С. Методика выбора проектных параметров системы увода малых космических аппаратов с орбиты. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, № 8, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2020-8-2002

[17] Крестина А.В., Ткаченко И.С., Волгин С.С. и др. Устройство аэродинамической системы увода малого космического аппарата с орбиты. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, № 1, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2022-1-2143

[18] Трофимов С.П. Увод малых космических аппаратов с низких околоземных орбит. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. Москва, ИПМ имени М.В. Келдыша, 2015. 125 с.

[19] Юдин А.Д. Разработка способа увода наноспутников CubeSat c низких околоземных орбит. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2021. 139 c.

[20] Финченко В.С., Пичхадзе К.М., Ефанов В.В. Надувные элементы в конструкциях космических аппаратов — прорывная технология в ракетно-космической технике. Химки, НПО им. С.А. Лавочкина, 2019. 488 с.

[21] Коган М.Н. Динамика разреженного газа. Москва, Наука, 1967. 440 с.

[22] Ковтуненко В.М., Камеко В.Ф., Яскевич Э.П. Аэродинамика орбитальных космических аппаратов. Киев, Наукова думка, 1977. 156 с.

[23] Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжов Ю.А. Аэрогидромеханика. Москва, Машиностроение, 1993. 608 с.

[24] Баранцев Р.Г. Схема изолированного отражения атомов газа от твердой поверхности. В: Аэродинамика разреженных газов. Вып. 2. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1965, с. 253–271.

[25] Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. Москва, Наука, 1975. 344 с.

[26] Черняк В.Г. Кинетика разреженного газа. Санкт-Петербург, Лань, 2018. 540 с.

[27] Нариманов Г.С., Тихонравов М.К., ред. Основы теории полета космических аппаратов. Москва, Машиностроение, 1972. 608 с.

[28] Закиров М.А. Газодинамические параметры свободномолекулярного потока перед выпуклыми и вогнутыми телами. Ученые записки ЦАГИ, 1971, т. 2, № 6, с. 129–139.

[29] Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. Москва, Высшая школа, 1972. 300 с.

[30] Петров Г.И., ред. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей среды. Москва, Машиностроение, 1971. 382 с.

[31] Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчет теплообмена космического аппарата. Москва, Машиностроение, 1979. 208 с.

[32] Кобранов Г.П., Цветков А.П., Белов А.И. и др. Внешний теплообмен космических объектов. Москва, Машиностроение, 1977. 104 с.

[33] Панасюк М.И., Новиков Л.С. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Москва, КДУ, 2007. 1144 с.

[34] Паншин Ю.А., Малкевич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. Ленинград, Химия, 1978. 232 с.

[35] Голомазов М.М., Иванков А.А. Программный комплекс для разработки систем тепловой защиты космических аппаратов, спускаемых в атмосферах планет. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2017, № 3, с. 41–53.

[36] ГОСТ 4401–81. Стандартная атмосфера. Параметры. Москва, ИПК Изд-во стандартов, 2004. 180 с.

[37] ГОСТ 25645.115–84. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полетов искусственных спутников Земли. Москва, Изд-во стандартов, 1991. 33 с.