Ключевые вопросы создания надувных тормозных устройств для увода вышедших из строя спутников в плотные слои атмосферы. Часть 2. Анализ теплового режима в условиях комбинированного нагрева

Для снижения загрязнения низких околоземных орбит космическим мусором, состоящим из искусственных спутников, других космических аппаратов, элементов ракет-носителей и разгонных блоков, исчерпавших ресурс, перспективно применять надувные тормозные устройства. Простейший вариант такого устройства может представлять собой тонкостенную оболочку из полимерного материала, которая хранится в свернутом виде в транспортном контейнере спутника и надувается в нужный момент по команде, приобретая заданную конфигурацию. Большая площадь миделя оболочки обеспечивает увеличение силы торможения в сильно разреженной атмосфере и уменьшение скорости полета с последующим спуском в плотные слои атмосферы для ликвидации. Выбор рациональных параметров надувной оболочки тормозного устройства предусматривает решение достаточно сложных междисциплинарных задач. Среди них выделяется задача определения температурного состояния надувной оболочки, которое будет формироваться под действием потоков теплового излучения от Солнца, Земли и кинетического нагрева, вызванного движением в свободномолекулярной среде. Рассмотрены особенности теплообмена тонкостенной сферической оболочки надувного тормозного устройства, предназначенного для удаления отработавших ресурс наноспутников класса CubeSat, находящихся на низких околоземных орбитах.

Литература

[1] Кисиленко В.С., Макаров Н.Ю., Марчук В.А. и др. Космический мусор в области низких околоземных орбит и эффект Кесслера. Космонавтика и ракетостроение, 2022, № 2, с. 89–98.

[2] 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, № 4, т. 17, с. 115–128, doi: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-4-115-128

[3] Леонов А.Г., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Космические аппараты для утилизации космического мусора. Москва, ВПК НПО Машиностроения, 2019. 48 с.

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

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

[6] 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

[7] Estable S., Pruvost C., Ferreira E. et al. Capturing and deorbiting Envisat with an Airbus Spacetug. Results from the ESA e.Deorbit consolidation phase study. J. Space Saf. Eng., 2020, vol. 7, no. 1, pp. 52–66, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jsse.2020.01.003

[8] Jason L.F., Aglietti G.S., Fellwes S. et al. The active space debris removal mission RemoveDebris. Part 1: From concept to launch. Acta Astronaut., 2020, vol. 168, pp. 293–309, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.09.002

[9] 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: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-1-2143

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

[11] Резник С.В., Абрамова Е.Н. Ключевые вопросы создания надувных тормозных устройств для увода вышедших из строя спутников в плотные слои атмосферы. Часть 1. Проектный облик. Движение в разреженной атмосфере. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 5, с. 101–111, doi: https://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-5-101-111

[12] Алифанов О.М., Вабищевич П.Н., Михайлов В.В. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем. Москва, Логос, 2001. 400 с.

[13] Катлер Л. Проблемы неориентированных пассивных спутников-ретрансляторов. Ракетная техника, 1962, № 9, с. 109–110.

[14] Burke J.R. Passive satellite development and technology. Astronautics and Aerospace Engineering, 1963, vol. 1, no. 8, pp. 72–75.

[15] Wilson A. A history of balloon satellites. J. Br. Interplanet. Soc., 1981, vol. 34, no. 1, pp. 10–22.

[16] Harvey B. Discovering the cosmos with small spacecraft. Springer, 2018. 284 p.

[17] 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.

[18] Stark J.A., Leonhard K.E., Bennet F.O. Cryogenic thermal control technology summaries. Contractor report NASA CR-134747, 1974. 142 p.

[19] Barry D.G., Jones L.R. Lightweight inflatable shadow shields for cryogenic space vehicles. J Spacecr. Rockets, 1966, vol. 3, no. 5, pp. 722–727, doi: https://doi.org/10.2514/3.28519

[20] Marshall J.E., Jones L.R. Inflatable solar shields for cryogenic space vehicles. Proc. 18-th Int. Astronautical Congress. Vol. 2. London, Pergamon Press, 1968, pp. 229–236.

[21] Clifton J.V., Doughty R.D., Jones L.R. Development and testing of expandable rigidizable solar shields for protection of cryogenic propellants in space. Proc. 11-th AIAA/ASME Structures, Structural Dynamics, and Materials Conf. New York, AIAA, 1970, art. 70A27131.

[22] Джонс Д. Тепловые испытания надувных солнечных экранов для космических аппаратов с криогенным топливом. В: Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. Москва, Мир, 1974, с. 460–481.

[23] Hrycak P. Temperature distribution in a spinning spherical space vehicle. AIAA J., 1963, vol. 1, no. 1, pp. 96–99, doi: https://doi.org/10.2514/3.1477

[24] Hrycak P. Influence of conduction on spacecraft skin temperatures. AIAA J., 1963, vol. 1, no. 11, pp. 2619–2621, doi: https://doi.org/10.2514/3.2120

[25] Nichols L.D. Surface-temperature distribution on thin-walled bodies subjected to solar radiation in interplanetary space. Technical note D-584. NASA, 1961. 48 p.

[26] Phythian J.E. Heating of the cavity inside a spherical shell satellite. AIAA J., 1965, vol. 3, no. 1, pp. 151–154, doi: https://doi.org/10.2514/3.2808

[27] Sova G.J., Malmuth N.D. Asymptotic solution for heat conduction in radiating shells subject to discontinuous solar flux. AIAA J., 1969, vol. 7, no. 8, pp. 1631–1633, doi: https://doi.org/10.2514/3.5456

[28] Зарубин В.С. Температурное состояние тонкой сферической оболочки. Прикладная механика и техническая физика, 1963, т. 3, № 6, с. 169–171.

[29] Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Локальное распределение температуры на поверхности космического аппарата при неравномерном солнечном облучении. Аэрокосмический научный журнал, 2015, № 5. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_25352808_84110696.pdf

[30] Зарубин В.С., Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н. Распределение температуры сферической оболочки космического калибровочно-юстировочного аппарата. Прикладная механика и техническая физика, 2017, т. 58, № 6, с. 149–157.

[31] Фаворский О.Н., Каданер Ю.С. Вопросы теплообмена в космосе. Москва, Высшая школа, 1967. 238 с.

[32] Steurer W. Material problem in solar sail development. AIAA Paper, 1980, no. 80–0315, doi: https://doi.org/10.2514/6.1980-315

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

[34] Васильев А.А., Воробьев А.Г. Исследование теплообмена на длинных цилиндрах, расположенных под различными углами атаки к набегающему потоку разреженного газа. В: Аэродинамика разреженных газов. Вып. 7. Ленинград, ЛГУ, 1974, с. 220–227.

[35] Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. Москва, Машиностроение, 1977. 247 с.

[36] Юдаев Б.Н. Теплопередача. Москва, Высшая школа, 1973. 360 с.

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

[38] Резник С.В., Калинин Д.Ю. Моделирование тепловых режимов крупногабаритных конструкций. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 49 с.

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

[40] Вус Е.Г., Евкин И.В., Полевщиков М.М. и др. Использование полиимидной пленки в экстремальных условиях эксплуатации. Решетневские чтения. Т. 1. Красноярск, СибГУ, 2010, с. 298–299.

[41] Шейндлин А.Е., ред. Излучательные свойства твердых материалов. Москва, Энергия, 1974. 472 с.

[42] МакКин Л. Свойства пленок из пластмасс и эластомеров. Санкт-Петербург, Научные основы и технологии, 2014. 528 с.

[43] Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Ленинград, Энергия, 1974. 264 c.