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 (12+). 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.