ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
ISSN 1561-9184 (печатная версия), ISSN 2616-6380 (електронная версия)

ГЛАВНАЯ    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЛЕГИЯ    АВТОРАМ    ТЕКУЩИЙ ВЫПУСК    АРХИВ    КОНТАКТЫ

УДК 629.78

Техническая механика, 2019, 2, 16 - 29

ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ СРЕДСТВ ОТВОДА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОКОЛОЗЕМНЫХ РАБОЧИХ ОРБИТ

Лапханов Э. А.

Лапханов Э. А.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

      Поиск оптимальных решений при разработке и создании средств увода космических аппаратов с околоземных рабочих орбит является ключевой задачей в рамках решения глобальной проблемы засорения околоземного космического пространства. Учитывая тенденции роста количества объектов космического мусора (КМ) на околоземных орбитах, Межагентским координационным комитетом по космическому мусору ежегодно принимается ряд мер, направленных на поиск технических решений для создания эффективных средств увода объектов КМ с рабочих орбит (РО). Целью статьи является анализ особенностей разработки оптимальных средств увода космических аппаратов с околоземных РО. Основными критериями эффективности при разработке оптимальных методов и средств увода объектов КМ с РО являются: минимизация времени увода объектов КМ с РО, повышение надежности средств увода объектов КМ, минимизация затрат топлива и бортовой энергии на операции увода объектов КМ.
      С учетом перечисленных критериев оптимизации в работе проведен комплексный анализ существующих методов и средств увода объектов КМ с РО диапазона низких околоземных орбит (НОО) и показаны их преимущества и недостатки при возможном применении. Сформулированы основные задачи миссий по очистке околоземного пространства от объектов КМ. Проведено обоснование задачи очистки околоземного пространства от объектов КМ, которая возникла в рамках развивающейся новой концепции переработки объектов КМ на орбите с помощью космических аппаратов и платформ орбитального сервиса. Предложена многокритериальная комплексная сравнительная характеристика наиболее известных концепций по разработке и созданию средств увода объектов КМ с НОО. Рассмотрены особенности создания комбинированных средств увода объектов КМ, которые базируются на нескольких существующих методах активного и пассивного увода объектов КМ с НОО. Основной целью создания таких комбинированных гибридных средств увода объектов КМ с НОО является поиск технических решений, которые максимально удовлетворяют перечисленным критериям эффективности.
      Исходя из комплексного анализа имеющихся средств увода объектов КМ с НОО и особенностей создания гибридных средств увода объектов КМ обоснована целесообразность дальнейших исследований данного направления.
     

средства увода объектов космического мусора, околоземная рабочая орбита, критерии оптимизации

1. Космический мусор. В 2 кн.. Кн. 1. Методы наблюдения и модели космического мусора. Под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г. Г. Райкунова. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2014. 245 с.

2. Космический мусор. В 2 кн.. Кн. 2. Предупреждение образования космического мусора. Под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г. Г. Райкунова. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2014. 188 с.

3. Donald J. Kessler1, Nicholas L. Johnson, J.-C. Liou2, Mark Matney. The Kessler Syndrome: Implications to Future Space operations. 33-rd Annual AAS guidance and control conference. Breckenridge, Colorado. February 6 – 10, 2010. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.394.6767&rep =rep1&type=pdf (дата звернення 22.04.2019)

4. The Orbital Debris Quarterly News. NASA JSC Houston. 2018. Iss 4. Vol. 22. P. 10

5. Алпатов А. П., Гольдштейн Ю. М. Баллистический анализ распределения орбит космических аппаратов различного функционального назначения. Техническая механика. 2017. №2. С. 33–40.

6. Lovell T.A., Tragesser S. Guidance for Relative Motion of Low Earth Orbit Spacecraft Based on Relative Orbit Elements. AIAA Paper 2004-4988, presented at the AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, Providence, RI. 2004.

7. Храмов Д. А. Миниатюрные спутники стандарта «CubeSat». Космическая наука и технология. 2009. Т. 15. № 3. С. 20–31.

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

9. Алпатов А. П. Космический мусор: аспекты проблемы. Техническая механика. 2018. №1. С. 30–47.

10. Техногенное засорение околоземного космического пространства. Под ред. докт. техн. наук, проф. А. П. Алпатова. Днепропетровск: Пороги, 2012. 378 с.

11. Алпатов А. П., Маслова А. И., Хорошилов С. В. Бесконтактное удаление космического мусора ионным лучом. International Book Market Sevice Ltd, member of OmniScriptum Publishing Group, Beau Bassin. 2018. 331 c.

12. Пикалов Р. С., Юдинцев В. В. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора. Труды МАИ. 2018. №100. URL: http://trudymai.ru/upload/iblock/239/Pikalov_YUdintsev_rus .pdf?lang=ru&issue=100 (дата звернення 22.04.2019).

13. Головко М. Г., Безуглый В. А., Бондаренко С. Г., Рубаха Ю. А, Покровский Р. О. Технические аспекты борьбы с космическим мусором. Екологія та ноосферологія. 2012. Т. 23, № 1–2. С. 110–120.

14. Палий А. С., Скорик А. Д. Анализ возможности использования аэродинамических систем для увода модульных крупногабаритных космических объектов с низких околоземных орбит. Техническая механика. 2014. № 2. С. 43–51.

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

16. Lapkhanov E., Paliy A. Analysis of technologies for spacecraft removal from Low Earth Orbits using onboard-produced electromagnetic and magnetic fields. Техническая механика. 2018. № 4. С. 21–29.

17. Сергеев В. Е, Бурдаев М. Н., Головко А .В. Способ удаления с геостационарной орбиты нефункционирующего космического аппарата: пат, 2014115630/11, МПК7, B 64 G 1/00; 2559392 С1 заявл. 18.04.14 ; опубл. 10.08.15.

18. Алпатов А. П., Горбулин В. П. Космические платформы для орбитальных промышленных комплексов: проблемы и перспективы. Вісн. НАН України. 2013. № 12. С. 26–38.

19. Алпатов А. П. Информационные модели и технологии борьбы с антропогенным загрязнением ближнего космоса. Системные технологии. 2018. №3 (116). С. 3–14.

20. Christophe Bonnal, Jean-Marc Ruault, Marie-Christine Desjean. Active debris removal: Recent progress and current trends. Acta Austronautica. 2013, Vol. 85. April – May. P. 51–60.

21. Афанасьев И. Rocsat 2 – Оперативный «землемер» с высоким разрешением для Тайваня. Новости космонавтики. 2004. Т. 14, № 7. С. 26–29.

22. Dudeck M., Doveil F., Arcis N., Zurbach S. Plasma propulsion for geostationary satellites and interplanetary spacecraft. Rom. Journ. Phys. Bucharest, 2011. Vol. 56. P. 3 – 14. URL: http://www.nipne.ro/rjp/ 2011_56_Suppl/0003_ 0014.pdf (дата звернення 22.04.2019).

23. Alby F. SPOT-1 End of life disposal maneuvers. Advances in Space Research. 2004. № 35. P. 1335 – 1342.

24. Алпатов А. П., Белоножко П. А., Белоножко П. П., Григорьев С. В., Тарасов С. В., Фоков А. А. Моде- лирование динамики космических манипуляторов на подвижном основании. Робототехника и техни- ческая кибернетика. 2013. № 1. С. 61–65.

25. Shan M., Guo J., Gill E. Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences. 2015. vol. 80. P. 18–32.

26. Pelton J.N. New solutions for the space debris problem. Springer. 2015. 94 p.

27. Xin M., Pan H. Nonlinear optimal control of spacecraft approaching a tumbling target. Aerospace Science and Technology. 2011. Vol. 15, No. 2. P. 79–89.

28. Yoshida K., Nakanishi H., Ueno H., Inaba N., Nishimaki T., Oda M. Dynamics, control and impedance matching for robotic capture of a non-cooperative satellite. Advanced Robotics. 2004. Vol. 18. No. 2. P. 175–198.

29. Han W., Huang Y., Chen X. Research of impact dynamic modeling of flexible probe-cone docking mechanism based on Kane method. Archive of Applied Mechanics. 2015. Vol. 85. No. 2. P. 205–221.

30. Moody C.K., Probe A.B., Masher A., Woodbury T., Saman M., Davis J., Hurtado J.E. Laboratory Experiments for Orbital Debris Removal. In: AAS Guidance, Navigation and Control Conference, Breckenridge, Colorado, USA. 5-10 February. 2016. P. 1–12.

31. Wormnes K., Le Letty, R., Summerer L., Schonenborg R., Dubois-Matra O., Luraschi E., Delaval J. ESA technologies for space debris remediation. In: 6th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany. 22 April, 2013. Vol. 1. P. 1–8.

32. Benvenuto R., Salvi S., Lavagna M. Dynamics analysis and GNC design of flexible systems for space debris active removal. Acta Astronautica. 2015. Vol. 110. P. 247–265.

33. Трушляков В. И., Юдинцев В. В., Макаров Ю. Н., Шатров Я. Т. Способ очистки орбит от объектов космического мусора: пат. 2018105002, МПК7, B64G 1/56, B64G 1/64; RU2676368(13)C1 заявл. 09.02.18; опубл. 28.12.18.

34. Goff J. A, Judson M. I., Hoyt W., Ryan F. P., Bolton W. G. Sticky boom non-cooperative capture device: пат. 13/312,984, МПК B25.9/00, B25. 5/02, B25. I5/06, B25. I5/00, B25, 18/00; US 2012.0076629A1 заявл. 06.12.11; опубл. 29.03.12.

35. Асланов В. С., Алексеев А. В., Ледков А. С. Определение параметров оснащенной гарпуном тросовой системы для буксировки космического мусора. Труды МАИ. 2016. № 90. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=74644

36. Dudziak R., Tuttle S., Barraclough S. Harpoon technology development for the active removal of space debris. Advances in Space Research. 2015. Vol. 56. No. 3. P. 509–527.

37. Купреев С.А. Условия существования предельных циклов у динамической системы движения связанных объектов на эллиптической орбите. Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published. php?ID=69696

38. Alpatov A., Cichocki F., Fokov A., Khoroshylov S., Merino M., Zakrzhevskii A. Determination of the force trans- mitted by an ion thruster plasma plume to an orbital object. Acta Astronautica. 2016. No.119. С. 241–251

39. Alpatov A. P., Fokov A. A., Khoroshylov S. V., Savchuk A. P. Error Analysis of Method for Calculation of Non-Contact Impact on Space Debris from Ion Thruster. Mechanics. Materials Science & Engineering. 2016. No. 5. Р. 64–76.

40. Хорошилов С. В. Синтез робастного регулятора системы управления "пастуха с ионным лучом". Тех- ническая механика. 2017. № 1. С. 26–39.

41. Хорошилов С. В. Система керування відносним рухом космічного апарату для безконтактного вида- лення космічного сміття. Наука та інновації. 2018. (14(4). С. 5–8.

42. Bombardelli C., Urrutxua H., Merino M., Ahedo E., Pelaez J. Relative dynamics and control of an ion beam shepherd satellite, Spacefl. Mech. 2012. Vol. 143. P. 2145–2158.

43. Bombardelli C., Pelaez J. Ion beam shepherd for asteroid deflection. Journal of Guidance, Control and Dynamics. 2011. Vol. 34, No.4. P. 1270–1272.

44. Маслова А. И., Пироженко А. В. Изменение орбиты под действием малого постоянного торможения. Космічна наука і технологія. 2016. Т. 22. №6. С. 20–24.

45. Палій О. С., Алпатов А. П, Скорік О. Д. Спосіб усунення космічних об’єктів з навколоземних орбіт та система для його здійснення: пат. 109318 Украина: МПК B 64 G 1/62, № 109318; а20131326; заявл. 14.11.13; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 15. 11 с. 52.

46. Палій О. С., Алпатов А. П., Пилипенко О. В., Скорік О. Д. Спосіб зменшення терміну балістичного існування космічних об’єктів на навколоземних орбітах і космічний апарат для його здійснення: пат. 113747 Украина: МПК B 64 G 1/62; а201407652; заявл. 07.07.2014; опубл. 10.03.2017, Бюл. № 5. 11 с.

47. Палій О. С., Алпатов А. П., Скорік О. Д., Авдєєв А. М., Баранов Є. Ю. Аеродинамічна система усунен- ня космічних об’єктів з навколоземних орбіт: пат. 109194, МПК B 64 G 1/62; а201312759; заявл. 01.11.13; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 14. 12 с.

48. Алпатов А. П., Палій О. С., Скорік О. Д. Розробка конструктивної схеми та вибір проектних пара- метрів аеродинамічної системи відведення з орбіти розгінних ступенів ракет-носіїв. Наука та інно- вації. 2017. Т. 13. № 4. С. 33–45.

49. Nock K. T. Balloon device for lowering space object orbits : пат. 10/394,477, МПК B64G1/62; №6830222; заяв. 21.05.2003, опубл. 14.12.2004.

50. Fleeter R., DeBra D. B., Gloyer P., Wahl Z., Goldshtein D. Aerobraking orbit transfer vehicle: пат 09/925,207, МПК B64G1/22; №6550720; заявл. 09.08.2001, опубл. 22.04.2003.



51. Rasse B., Damilano P., Dupuy C. Satellite inflatable deorbiting equipment for LEO spacecrafts. Journal of Space Safety Engineering. 2014. Vol. 1, No. 2. P. 75–83.

52. Roddy M., Huang Po-Hao A. Development of a solid-state inflation balloon for aerodynamic drag assisted deorbit of CubeSats. The University of Arkansas, Fayetteville Arkansas, USA. URL: http://www.unisec-global.org/ddc/pdf/1st/06_MorganRoddy_pre.pdf (дата звернення 22.04.2019).

53. Bernardi F., Vignali G. Sailing System for Cubesat Deorbiting. University of Rome, Italy. 2016. URL: http://www.unisec-global.org/ddc/pdf/1st/01_FedericoSailing_abst.pdf (дата звернення 22.04.2019).

54. Andrews J., Watry K., Brown K. Nanosat deorbit and recovery system to enable new missions. 25th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. URL: https://digital comons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi? article=1164&context=smallsat (дата звернення 22.04.2019).

55. Viquerat A., Schenk M., Sanders B., Lappas V. Inflatable rigidisable mast for end-of-life deorbiting system. ESA. URL: http://www.markschenk.com/research/files/SSMET2014-InflateSail.pdf (дата звернення 22.04.2019).

56. Alhorn D. C., Casas J. P., Agasid E. F., Adams C. L., Laue G., Kitts C., O'Brien S. The Small Satellite That Could!. Proceedings of the 25th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Logan, 2011. URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015 650.pdf (дата звернення 22.04.2019).

57. Anderson J. L. NASA's Nanosail-D 'Sails' Home – Mission Complete. NASA.gov. URL: https://www.nasa.gov/mission _pages/smallsats/11-148.html (дата звернення 22.04.2019).

58. Wolanski P. PW-SAT first polish satellite. S&T Subcommittee of COPUOS. 2012. URL: http://www.oosa.unvienna.org/pdf/pres/stsc2012/tech-44E.pdf (дата звернення 22.04.2019).

59. Williams K. NASA’s Exo-Brake 'Parachute' to Enable Safe Return for Small Spacecraf. NASA.gov. 2017. URL: https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft /feature/exo-brake_parachute (дата звернення 22.04.2019).

60. Hoyt R., Forward R. Performance of the Terminator Tether for Autonomous Deorbit of LEO Spacecraft. AIAA-99-2839 35-th Join Propulsion Conference & Exhibit. 20 – 24 June. Los Angeles. 1999. P. 1–10.

61. Hoyt R., Forward R. Application of the terminator tether™ electrodynamic drag technology to the deorbit of constellation spacecraft. American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. 1998. P. 1–19. URL: http://www.tethers.com/papers/TTPaper.pdf (дата звернення 22.04.2019).

62. Carmen Pardini, Toshiya Hanada, Paula H. Krisko. Benefits and Risks of using electrodynamic tethers to deorbit spacecraft. IAC-06-B6.2.10. URL: https://www.iadc-online.org/Documents/IADC-06-08.pdf (дата звернення 22.04.2019).

63. Мищенко А. В. К определению длины троса экспериментальной электродинамической системы. Тех- ническая механика. 2017. № 4. С. 55–63.

64. Мищенко А. В., Пироженко О. В. Малая экспериментальная электродинамическая космическая тросо- вая система. Электрическая модель. Космічна наука і технологія. 2018. № 3. С. 3–10.

65. Kawashima R., Bak J., Matsuzawa S., Inamori T. Particle Simulation of Plasma Drag Force Generation in the Magnetic Plasma Deorbit. Tokyo University. 2018. URL: www.al.t.utokyo.ac.jp/members/junhwib/docs/2018Kawashima_JSR.pdf (дата звернення 22.04.2019).

66. Шувалов В. А., Кучугурный Ю. П. Экспериментальное обоснование концепции искусственной мини-магнитосферы как средства управления движением космических аппаратов в ионосфере Земли. Космическая наука и технология. 2018. Т.24, №2. С. 43–46.

67. Shuvalov V. A., Gorev N. B., Tokmak N. A., Pis'menny N. I., Kochubei G. S. Control of the drag on a spacecraft in the earth’s ionosphere using the spacecraft’s magnetic field. Acta Astronautica. 2018. Vol. 151. P. 717–725.

68. Shuvalov V. A., Tokman N.A., Pis'mennyi N.I., Kochubei G.S. Dynamic Interaction of a Magnetszed Body with a Rarefied Plasma Flow. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. r.57. №1. P. 145–152.

69. Шувалов В. О., Дегтяренко П. Г., Симанов В. Г., Хорольський П. Г., Лобода П. І. Спосіб орбітального перельоту космічного об'єкта: пат. 125265 Україна, МПК B64G 1/00, B64G 1/10, B64G 1/24.u 2017 09603; заявл. 02.10.2017; опубл. 10.05.2018.

70. Лапханов Э. А., Палий А. С. Современные задачи связанные с созданием и уводом с орбиты группировок космических аппаратов класса нано и пико. Авиационно-космическая техника и технология. 2018, № 4 (148). С. 20–35.

71. Лапханов Э. А., Палий А. С. Анализ возможности применения двигательной установки с постоянным магнитом для космических аппаратов на околоземной орбите. Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. Днепр, 2018. Выпуск 4 (117). С. 24–35.

72. Трофимов С. П. Увод малых космических аппаратов с верхнего сегмента низких орбит с помощью паруса для увеличения силы светового давления. Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2015. № 32. 32 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2015-32 (дата звернення 22.04.2019).

73. Heaton A. F., Faller B. F., Katan C. K. NanoSail-D Orbital and Attitude Dynamics. Advances in Solar Sailing, ed. by M. Macdonald. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2014. P. 95–113.

74. Mori O., Sawada H., Funase R., Endo T., Morimoto M., Yamamoto T., Tsuda Y., Kawakatsu Y., Kawaguchi J. Development of first solar power sail demonstrator – Ikaros. JAXA Space Exploration Center. Japan. URL: http://issfd.org/ISSFD_2009/AOCSI/Mori.pdf (дата звернення 22.04.2019).

75. Herbeck L., Sickinger C., Eiden M., Leipold M. Solar sail hardware developments. European Conference on Spacecraft Structures: Materials and Mechanical Testing. Toulouse. 2002. P. 1–10.

76. Leipold M., Garner C. E., Freeland R., Hermann A., Noca M., Pagel G., Seboldt W., Sprague G., Unckenbold W. Odissee – a proposal for demonstration of a solar sail in earth orbit. Acta Astronautica. 1999. Vol. 45, Iss. 4. P. 557–566.

77. Pfisterer M., Schillo K., Valle C.,. Lin K.-C, Ham C. The Development of a Propellantless Space Debris Mitigation Drag Sail for LEO Satellites. Space Mission Analysis and Design. 2011. URL: http://www.iiis.org/Chan.pdf (дата звернення 22.04.2019).

78. Алпатов, А. П., Своробін Д. С., Скорик О. Д. Система безконтактного видалення об’єктів космічного сміття з навколоземних орбіт з аеродинамічним компенсатором. Техническая механика. 2016. № 3. С. 51–56

79. Своробин Д. С., Фоков А. А., Хорошилов С. В. Анализ целесообразности использования аэродинамического компенсатора при бесконтактном удалении космического мусора. Авиационно-космическая техника и технология. 2018. №6. С. 4–11.

80. Заявка на патент України на винахід № а201801742, МПК B 64 G 1/62. Спосіб очищення навколоземного простору від об'єктів космічного сміття шляхом відведення їх з орбіти за допомогою власного магнітного поля [Текст] / Шувалов В. О., Палій О. С., Лапханов Е. О. № а201801742, заявл. 21.02.2018.

Copyright (©) 2019 Лапханов Э. А.

Copyright © 2014-2019 Техническая механика