Ключевые вопросы создания надувных тормозных устройств для увода вышедших из строя спутников в плотные слои атмосферы. Часть 3. Оценка стойкости оболочки к ударам микрометеороидов и элементов малого космического мусора

Оснащение малых космических аппаратов надувными тормозными устройствами — одно из перспективных направлений снижения загрязнения околоземного космического пространства от космического мусора. Принцип действия надувного тормозного устройства достаточно прост: в компактно уложенную в транспортный контейнер оболочку в нужный момент подается газ наддува, оболочка раскрывается, и благодаря большой площади поперечного сечения увеличивается сила торможения, способствующая снижению скорости полета. В силу массогабаритных ограничений надувная оболочка тормозного устройства должна быть выполнена из тонкой полимерной пленки. Очевидно, что стойкость такой оболочки к ударам микрометеороидов и элементов малого космического мусора будет определять состоятельность самой концепции надувных тормозных устройств. Выполнены расчетно-теоретические оценки стойкости полимерных оболочек к ударным воздействиям частиц алюминия и водяного льда диаметром 1…30 мкм в диапазоне скорости движения 0,5…7,0 км/с. Показано, что при скорости движения более 3 км/с опасность для оболочки из полимерной пленки представляют частицы со свойствами алюминия диаметром 10 мкм и более. Вероятность столкновения оболочки с частицей диаметром 10 мкм на орбите высотой 300 км достигает 0,25, что свидетельствует о необходимости ее подкрепления для сохранения формы в случае локального пробоя.

Литература

[1] Stelzl D., Pfeiffer E.K., Hemme H.G. et al. ADEO: the European commercial passive de-orbit subsystem family enabling space debris mitigation. CEAS Space J., 2021, vol. 13, no. 1, pp. 591–598, doi: https://doi.org/10.1007/s12567-021-00355-7

[2] Бойкачев В.Н., Хоменко В.В. Плазменный двигатель для микроспутников. Материалы круглого стола «Создание малых космических аппаратов. Актуальные проблемы и пути их решения». Истра, НИИЭМ, 2016, c. 93–98.

[3] Надирадзе А.Б., Обухов В.А., Покрышкин А.И. и др. Моделирование силового и эрозионного воздействия ионного пучка на крупный объект мусора техногенной природы. Известия РАН. Энергетика, 2016, № 2, с. 146–157.

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

[5] 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

[6] Yao Q., Li Y., Ren Y. et al. Dynamic analysis on the drag sail device of micro-satellite during the deploying process. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1952, art. 032064, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1952/3/032064

[7] 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

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

[9] 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.

[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: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-5-101-111

[12] Резник С.В., Абрамова Е.Н. 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. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 6, с. 119–132, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-6-119-132

[13] Береговой Г.Т., Ярополов В.И., Баранецкий И.И. и др. Справочник по безопасности космических полетов. Москва, Машиностроение, 1989. 336 с.

[14] ГОСТ 25645.128–85. Вещество метеорное. Модель пространственного распределения. Москва, Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. 24 с.

[15] ГОСТ Р 25645.167–2005. Космическая среда (естественная и искусственная). Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в космическом пространстве. Москва, Стандартинформ, 2005. 45 с.

[16] Kessler D.J., Reynolds R.C., Anz-Meador P.D. Orbital debris environment for spacecraft designed to operate in low Earth orbit. NASA, 1989. 22 p.

[17] Reynolds R.C., Potter A.E. Orbital debris research at NASA Johnson Space Center. NASA, 1989. 68 p.

[18] ESABASE2 / Debris. esabase2.net: веб-сайт. URL: https://esabase2.net/product/esabase2-debris/ (дата обращения: 05.06.2023).

[19] Drolshagen G. Meteoroid/debris impact analysis application to LDEF, EURECA and Columbus. Proc. 1-st Europ. Conf. on Space Debris, 1993, pp. 515–522.

[20] Kuiper W., Drolshagen G., Noomen R. Micro-meteoroids and space debris impact risk assessment for the ConeXpress satellite using ESABASE2/Debris. Adv. Space Res., 2010, vol. 45, no. 5, pp. 683–689, doi: https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.10.020

[21] Миронов В.В., Толкач М.А. Модели метеороидной среды в околоземном космическом пространстве и определение плотности потока метеороидов. Космическая техника и технологии, 2017, № 2, с. 49–62.

[22] Horstmann A., Manis A., Braun V. et al. Flux comparison of MASTER-8 and ORDEM 3.1 modelled space debris population. Proc. 8-th Europ. Conf. on Space Debris (virtual), 2021. URL: https://conference.sdo.esoc.esa.int/proceedings/sdc8/paper/11/SDC8-paper11.pdf

[23] Klinkrad H. Space debris. Springer, 2006. 430 p.

[24] Куренков В.И. Математические модели для оценки площади повреждения оптических элементов космических аппаратов при воздействии метеорных и техногенных частиц. Управление движением и навигация летательных аппаратов. Тр. X Всерос. науч. тех. семинара. Самара, СГАУ, 2002, с. 232–236.

[25] Добрица Б.Т., Добрица Д.Б., Ященко Б.Ю. Совершенствование методики оценки вероятности пробоя стенок конструкции космических аппаратов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, № 7, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2017-7-1633

[26] Назаренко А.И. Моделирование космического мусора. Москва, ИКИ РАН, 2013. 216 с.

[27] Кинслоу Р., ред. Высокоскоростные ударные явления. Москва, Мир, 1973. 533 с.

[28] Миронов В.В., Толкач М.А. Баллистические предельные уравнения для оптимизации системы защиты космических аппаратов от микрометеороидов и космического мусора. Космическая техника и технологии, 2016, № 3, с. 26–42.

[29] Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. Москва, Университетская книга, 2009. 104 с.

[30] Краус Е.И., Шабалин И.И. Воздействие высокоскоростных частиц техногенного космического мусора на сложные технические объекты и их элементы. Исследования наукограда, 2016, № 3–4, с. 6–11.

[31] Харченко Е.Ф., Ермоленко А.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Т. 1. Механизмы взаимодействия с баллистическими поражающими элементами. Москва, ЦНИИСМ, 2013. 295 с.

[32] Харченко Е.Ф., Ермоленко А.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Т. 2. Современные защитные структуры и средства индивидуальной бронезащиты. Москва, ЦНИИСМ, 2014. 332 с.

[33] Голденко Н.А. Расчетно-экспериментальные методы исследования прочности трансформируемых модулей орбитальных станций при воздействии осколочно-метеороидной среды. Дисс. канд. тех. наук. Москва, МГТУ ГА, 2017. 169 с.

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

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

[36] 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.

[37] 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.

[38] Мусохранов М.В., Титов А.И. Металлы, используемые в ракетно-космической промышленности. Электронный журнал: наука, техника и образование, 2019, № 1. URL: https://nto-journal.ru/catalog/mashinostroenie/670/

[39] Коновалов С.В. Обзор физико-механических свойств льда. Вестник науки и образования, 2020, № 89–1, c. 34–39.

[40] Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics. Annu. Rev. Astron. Astrophys., 1992, vol. 30, pp. 543–574.

[41] Monaghan J.J. Simulating free surface flows with SPH. J. Comput. Phys., 1994, vol. 110, no. 2, pp. 399–406, doi: https://doi.org/10.1006/jcph.1994.1034

[42] Liu Y., Wang Z., Fan L., Chen Y. Study on central tearing properties of kapton membrane. Research Square, doi: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2555872/v1