Самарские ученые создали руководство по эффективному "сдуванию" мусора с орбиты

Ученые Самарского университета им. Королёва разработали технологию для осуществления миссии по эффективной и безопасной уборке космического мусора с орбиты. Она детально описана в книге "Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком" (1), опубликованной в ноябре в издательстве "Эльзевир" (Elsevier) - одном из четырех крупнейших научных издательских домов мира. Авторы монографии - профессор Владимир Асланов и доцент Александр Ледков. Представленная учеными технология представляет собой улучшенную методику очистки орбиты с использованием плазменного факела - ионного потока, создаваемого электрическим двигателем космического аппарата-уборщика. При таком способе уборки плазменная "метла" космического "дворника" потоком ионов сметает космический мусор в нужном направлении, отправляя его в атмосферу Земли для последующего сгорания в плотных слоях или перемещая на специальную орбиту захоронения - орбитальный мусорный полигон.

" Уборка старых нефункционирующих спутников или отработавших ракетных ступеней, которые остались на орбите после вывода полезной нагрузки, является многогранной и сложной научно-технической задачей. Для ее решения в мире предложено уже немало схем и способов, в том числе и с использованием ионных потоков, но миссий по уборке космического мусора пока не проводилось. В нашей монографии подробно представлен способ бесконтактной уборки мусора на орбите с помощью автоматического космического аппарата-уборщика, оснащенного ионными двигателями, такие двигатели широко используются в современной космонавтике. Аппарат-уборщик, приблизившись к выбранному мусорному объекту на расстояние около десяти метров, направит на него ионную струю двигателя, так называемый плазменный факел. Сталкиваясь с поверхностью космического мусора, частицы ионной струи генерируют силу, которая и будет использоваться для перемещения мусора в нужном направлении ", - рассказал один из авторов книги Александр Ледков, доцент кафедры теоретической механики Института ракетно-космической техники Самарского университета им. Королёва.

Как отметил ученый, большинство разработанных в мире методов уборки космического мусора предполагают непосредственный контакт - стыковку или захват транспортируемого объекта гарпуном, сетью, тросом или роботизированным манипулятором. Однако все эти способы достаточно сложны и опасны, они могут привести к аварийному столкновению и появлению большого количества мелкого космического мусора. Бесконтактный метод более безопасен: аппарат-уборщик не вступает в прямой механический контакт с мусором, что снижает вероятность их столкновения. Кроме того, таким способом можно транспортировать быстро вращающиеся объекты, которые очень сложно захватить роботизированным манипулятором или космической сетью.

В вышедшей книге представлен широкий обзор исследований по теме бесконтактной уборки космического мусора. Ученые показывают, как самостоятельно разработать математические модели и провести компьютерное моделирование системы транспортировки, демонстрируют особенности колебаний космического мусора внутри ионного потока и предлагают различные законы и схемы управления космическим "дворником" для наиболее эффективного перемещения выбранных объектов. Несмотря на то, что проектирование конструкции аппарата-уборщика не входило в задачи и планы авторов монографии, в книге описана и методика выбора проектных параметров космического аппарата.

"Конечно, аппарат должен быть автоматическим. Временные задержки не позволят оператору с Земли должным образом реагировать на изменение обстановки. Для генерации ионного потока космический аппарат должен быть оснащен электродинамическим ионным двигателем малой тяги, например, это может быть коммерческий двигатель NEXT-С. В самой распространенной схеме нужно установить два таких двигателя, чтобы тяга создающего ионный поток двигателя компенсировалась противоположно направленным двигателем. В противном случае активный космический аппарат улетит от объекта космического мусора , - отметил Александр Ледков. - Мы придумали различные схемы управления ионным потоком, позволяющие повысить эффективность системы транспортировки, что в конечном итоге выражается в сокращении временных затрат и затрат топлива. Для реализации наиболее перспективной схемы ионный двигатель нужно установить на поворотную платформу, чтобы иметь возможность немного изменять направление ионного потока ".

По мнению разработчиков, метод уборки с помощью ионного потока прежде всего подойдет для ликвидации крупных мусорных объектов.

" Весь космический мусор принято разделять на три группы: маленький (меньше сантиметра), средний (меньше 10 см) и крупный (больше 10 см). Мы говорим об уборке крупных объектов: старых ступеней ракет и нефункционирующих спутников. Теоретически, ионным потоком можно убрать и мелкий мусор, но это будет крайне неэффективно, поскольку большая часть частиц ионного потока пройдет мимо обдуваемого объекта, а полезную работу совершают только те частицы, которые столкнулись с поверхностью объекта и передали ему часть своего импульса. Все остальное потратится впустую ", - подчеркнул ученый.

По оценкам экспертов, на различных орбитах в настоящее время может находиться около 130 миллионов объектов космического мусора размером менее 1 см, около 1 миллиона - до 10 см и свыше 30 тысяч объектов - размером более 10 см. Из-за высокой скорости движения даже самые микроскопические фрагменты мусора могут представлять опасность для космонавтов и космических аппаратов. Какой мусор нужно убирать в первую очередь? В 2021 году вышла совместная публикация 19 ученых из 13 университетов, в числе соавторов этой публикации и профессор Владимир Асланов. Ученые из разных стран сравнили результаты своих исследований и составили топ-50 наиболее опасных объектов космического мусора. Туда вошли ступени ракет и спутники массой от 1,1 до 9 тонн. Можно смело брать любой объект из этого списка и с помощью монографии самарских ученых разрабатывать миссию по его уборке.

" Для успешной уборки мусор нужно "довести" до границы атмосферы Земли или до орбиты захоронения (2). Затем можно отправляться за следующим объектом. Выбор оптимальной последовательности облета объектов космического мусора - отдельная сложная задача. И конечно, сам аппарат-уборщик не должен стать космическим мусором. Его нужно будет уводить с орбиты вместе с последним запланированным к уборке объектом ", - сказал Александр Ледков.

Как считают ученые, подобный космический "дворник" с ионными двигателями будет полезен не только на орбитальном "субботнике", но и в качестве некоего спасателя спутников - например, он сможет подкорректировать ионным потоком орбиту давно работающего космического аппарата, чтобы увеличить срок его службы. Или же решить задачу довыведения, когда спутник оказался выведенным на нерасчетную орбиту - "спасатель"поможет сбившемуся с верного пути аппарату добраться до нужной орбиты.

О книге

Монография "Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком" основана на исследованиях, проводимых Владимиром Аслановым и Александром Ледковым на кафедре теоретической механики в Институте авиационной и ракетно-космической техники Самарского университета им. Королёва. Это не первый опыт совместной работы авторов. В 2012 году в том же издательстве была опубликована книга о тросовых системах (V.S. Aslanov, A.S. Ledkov "Dynamics of Tethered Satellite Systems”), которая ввиду большого читательского спроса была переиздана на китайском языке в 2015 году.

Транспортировка космического мусора ионным потоком - относительно новое направление. Идея такой системы была сформулирована независимо друг от друга несколькими научными группами из Испании, Японии и Франции в 2011 году. В 2016 году ученые кафедры теоретической механики под руководством Владимира Асланова начали исследования по данному направлению и уже в 2017 году вышла первая статья по этой теме.

За пять лет ученые кафедры опубликовали цикл статей в высокорейтинговых научных журналах по данной теме, и были признаны лидерами в этой области на международном уровне. После чего была подготовлена и в 2022 году опубликована данная монография.

В настоящий время на кафедре теоретической механики данное направление активно развивается в рамках гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00160). Планируется выполнение новых исследований по динамике движения космического мусора в ионном потоке. Подготовлены и в ближайшее время будут представлены к защите докторская и кандидатская диссертация по этой тематике.

Справочно

1) V. Aslanov, A. Ledkov "Attitude Dynamics and Control of Space Debris During Ion Beam Transportation "

2) Согласно рекомендациям "Межагентского координационного комитета по космическому мусору" (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), выделяются два критически важных для практического использования защищенных региона: низкая околоземная орбита (все, что ниже 2000 км) и геостационарная орбита (35793 +/- 200 км). С низкой околоземной орбиты космический мусор принято спускать на Землю, а вот везти на Землю мусор с геостационарной орбиты очень дорого, поэтому его забрасывают выше на так называемую орбиту захоронения: это такая орбита, с которой в ближайшие 100 лет объект не должен вернуться в защищенный регион.

Фото: Олеся Орина