Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» - 2020

Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» - 2020

Творческие проекты

 

 

Система увода микро- и нано- спутников с околоземных орбит

 

Проект выполнила:

Селиванова

Екатерина

Андреевна,

16 лет,

МБОУ Гимназия №4,

г. Новосибирска

 

Актуальность:

Начиная с 2000 годов спутников и космического мусора на Низкой околоземной орбите стало настолько много, что столкновение между различными объектами стало частым, и повлекло за собой множество осколков и загрязнение этой области. Сейчас при запуске ракет обращают внимание на положение космического мусора, помимо этого МКС три раза в год вынуждена менять свою траекторию вращения, чтобы избегать столкновения с разными обломками других кораблей и разгоночных блоков. Помимо этого, если не убирать несуществующие спутники с орбит большие обломки могут долетать до Земли, и их количество увеличится по эффекту Кеслера. И с каждым днем возрастает вероятность, что эти обломки могут упасть на наши головы. Сегодня это вероятность крайне мала, но нужно думать и завтрашнем дне.

Цель:

Создать систему сброса несуществующих спутников на НОО и полного сгорания, состоящую из двух гироскопов, двух сопельных двигателей для корректировки положения, и одного сопельного двигателя для спуска в плотные слои атмосферы

Задачи:

· изучить различные типы ракетных двигателей и принцип их работы

· разобрать принцип разгона спутника на орбиту

· создать чертеж системы модуля с модулем отправки

· узнать, как определяется обеспечение ориентации спутника

· начертить схему системы СНС

· создать действующий макет данной схемы

Объект и предмет исследования:

Микро- и нано- спутники и НОО

Методы исследования:

Работа с документами

Прототипирование

Виртуальное и материальное моделирование

Сравнение

Эксперимент

Гипотеза:

Возможно ли создать такое устройство, встраиваемое в микро- и нано-спутники, с целью увода в плотные слои атмосферы для полного сгорания

Этапы реализации проекта

1) Сделать первичную схему системы СНС

2) Рассчитать размеры данной системы для спутников

3) Сделать чертеж для создания действующего макета

4) Купить материалы для макета

5) Протестировать материалы

6) Создать действующий макет и протестировать его

Проблема на сегодняшний день:

Сначала космическим мусором были мелкие объекты солнечной системы, такие, как кометы, астероиды и их фрагменты. Но начиная с 1979 года, с запуска программы NASA по изучению космического мусора, так стали называть созданные человеком объекты и их фрагменты, которые находятся в космосе, неисправны и никогда уже не смогут использоваться по назначению. И по сегодняшний день космическим мусором мы называем рукотворные объекты, находящиеся в космосе, без особого назначения

В данный момент только в районе низких околоземных орбит вокруг земли вращается более 250 тысяч объектов искусственного происхождения общей массой до 5000 тонн, в число которых входят более 4 тысяч искусственных спутников земли, однако действующих менее 1,5 тысяч. При завершении миссии многие спутники так и остаются летать, загрязняя пространство космоса, и заполняя космическое пространство. Уже сейчас при запуске ракет их траекторию корректируют в зависимости от положения космического мусора. Так же траекторию полета МКС корректировали уже раз в месяц, чтобы избежать столкновения с мусором, ведь из-за него могут быть пробои, несмотря на то, что МКС делают из непробиваемых и прочных материалов. На орбите только 6-7% от всех спутников являются рабочими.

 

Космический мусор является опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы. Объекты космического мусора могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации. Мусор появился с того момента, как на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли. Эта проблема стала Глобальной более, чем через 30 лет после появления мусора в околоземном пространстве.

Сам космический мусор, как объект не опасен, но вот столкновение с ним могут принести непоправимые последствия. Даже небольшой фрагмент- отлетевшая краска, размером в 1 см может принести вред другим спутникам, при столкновении. Да, если этот фрагмент находится на Земле, то никакой опасности не несет. Но двигаясь в космосе со скоростью 10 км/с и неся огромный запас кинетической энергии при столкновении может пробить обшивку станции или спутника. Так, после столкновения американского шаттла с песчинкой размерами 0,2 мм в диаметре на иллюминаторе образовалась глубокая трещина

А что произойдет, если в Космосе при такой скорости столкнутся два больших космических объекта? От них останутся только огромное количество обломков, которые будут тоже сталкиваться, и количество мусора будет увеличиваться. В пример можно привести первое столкновение двух спутников "Космос 2251" и "Иридиум33". При их столкновении из двух больших отслеживаемых объектов образовалась более 600 мелких, часть их которых не отслеживаются, т.к. имеют крайне малые размеры.

Причем количество коммерческих запусков с каждым месяцем растет, а значит, растет и количество мусора. Причем это не программа NASA, направленная на изучение космического пространства, приносящая новые знания и проводящая исследования.

По силе притяжения вест космический мусор притягивается в Земле, только происходит это очень медленно, что пока он долетит до НОО, где может начать тормозить из-за трения и сгорать, успеет распасться ещё на несколько обломков. И при попадании в НОО объект движется неконтролируемо, а значит, при больших размерах может не успеть сгореть, и упасть на город или в другую населенную местность.

Существующие решения:

	плюсы	минусы
Лазерные установки	Малое время воздействия	Необходим лазерный комплекс мощностью 2,5 МВТ, что вредит экологии Или лазер нужно ставить на космическом объекте, который тоже станет мусором
Реактивная струя	Близкое воздействие Время увода до 15 суток	Сам аппарат является новым мусором Имеет ограниченный запас ионов
Захват сетью	Ранее проводившиеся эксперимент	Стоимость 15 млн?
Двигатель возврата	Точное направление в НОО Применимость ко всем путникам Уменьшенная копия жидкостного двигателя	Не испытывалось ранее
Вольфрамовой пыли	Для полной отчистки потребуется 25 лет	Не отслеживаемый спуск на НОО Может попасть на действующие спутники

 

Представленные методы воздействуют на мусор, который уже находится на орбите. И либо создают новый космический мусор (в результате испытаний устройства, используемые для уничтожения космического мусора сами станут космическим мусором), либо действуют с Земли, затрачивая огромное количество электроэнергии, что плохо влияет на экологию, которая уже сама является одной из глобальных проблем Земли.

Эффективных способов борьбы с космическим мусором на сегодня не разработано. Ученые предлагают несколько вариантов решения данной проблемы, однако у каждого из способов есть свои недостатки. Они являются либо дорогими, либо нереализуемыми в рамках современного развития науки, но часто совмещают это два минуса. Мусора в космосе становится с каждым днем все больше и больше, а проблем всё актуальнее, поэтому тема уборки мусора является популярной в современном мире. И многие ученые, профессоры, доктора наук трудятся над созданием проектов для уменьшения количества мусора в космосе. Среди всех проектов можно выделить три основных метода борьбы с космическим мусором: сбор, утилизация и коррекция траектории полета.

1. Создать эскизный проект 2. Разработать документацию 1. Расчет макета 2. Разработка чертежей 3. Разработка методики испытаний 3. Изготовить первичный макет 1. Вращение вокруг одной оси 4. Провести испытание макета 5. Изготовить макет (образец для испытаний) 1. Вращение вокруг трех осей 6. Провести испытание макета 7. Изготовление опытного образца 8. Реальные испытания (лётные испытания)

Этапы развития проекта

 

Графика:

Последовательность увода спутника с НОО:

Схема изменения траектории движения спутника

В схеме мы видим две камеры (с окислителем и топливом), такие используются в разгонных блоках для запуска ракет в космос. И от камер отходят по 4 трубки к камерам сгорания, из которых, газ выходит через сопло. Сначала корректируется положение спутника относительно Земли и траектории движения так, чтобы сопло «для отправки на НОО» было направлено по касательной к эллипсу траектории движения спутника. При нахождении спутника в точке перигея из сопла начинает выпускаться газ, тем самым спутник начинает тормозить, у него изменяется (уменьшается радиус) орбита, и изменяется положение апогея и перигея, и спутник уже находится

Изменение положения точек апогея и перигея, при уменьшении скорости спутника в точке перигея

в точке Апогея новой орбиты. Если новая орбита проходит через область сгорания спутника, то спутник, при попадании в эту область начнет тормозиться об атмосферу и в скором времени сгорит. Если новая орбита не проходит через область сгорания спутника, то при следующем нахождении спутника в точке перигея происходит торможение и изменения траектории орбиты с помощью сопла.

 

https://sbrossputnic.tilda.ws/

3d-модель спутника с расположением сопел и вращение вокруг трех осей, анимацию можно увидеть на сайте

Прототип спутника с соплами. Принцип работы в действии вместе с аналогией движение 3dмоделей можно увидеть на сайте: https://sbrossputnic.tilda.ws/

Прототип: Я предлагаю в каждый вновь запускаемый спутник внедрить систему обратного сброса спутника и корректировки его положения, для того, чтобы опустить его в плотные слои атмосферы, и корректировать его движения до полного сгорания. Макет можно увидеть в графе «Графика». Система создается как уменьшенная версия жидкостного двигателя, с подачей газа в три сопла с функцией корректировки положения, и одно сопло для запуска в НОО. Во время запуска, при достижения верхней точки обнуляются данные гироскопов, чтобы потом знать положение спутника относительно Земли. Данный проект может быть использован в Космических целях, возможно сотрудничество с компаниями, производящими миро- и нано- спутники. На сегодня изготовлен первичный макет и для дальнейшего развития проекта отправлено письмо в «Спутникс», которые работают со школьниками в Сириусе, по направлению Космические технологии.

Выводы:

Результаты данного проекта могут использоваться в Космической отрасли науки, чтобы отчистить потенциально загрязненное космическое пространство.

Созданный прототип показывает принцип действия системы. Имеет преимущество перед другими методами, т.к. направлен на уничтожение вновь запускаемых объектов, и является уменьшенной копией с такой же системой работы, как у жидкостного двигателя в ракета.

Сайт моего проекта:

https://sbrossputnic.tilda.ws/

Список источников информации и иллюстраций:

https://www.roscosmos.ru/

https://zen.yandex.ru/media/id/5b82a8aac04fcc00a94e6180/5ba0bcebd282ff00aa27eb0c

https://aboutspacejornal.net/космические-аппараты/искусственный-спутник-земли/малые-спутники/

https://kosmos--x-net-ru.turbopages.org/s/kosmos x.net.ru/publ/nauchnye_stati/chto_
takoe_gravitacija_i_gravitacionnye_volny/14-1-0-313

https://naked--science-ru.turbopages.org/s/naked-science.ru/article/nakedscience/kak-eto-rabotaet-kosmicheskie

https://bezotxodov-ru.turbopages.org/s/bezotxodov.ru/musor/kosmicheskij-musor

https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3637238

https://sputnikgroups.com/about/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Столкновение_спутников_Космос-2251_и_Iridium_33

фотографии личный архив и
https://ru.wikipedia.org/wiki/Столкновение_спутников_Космос-2251_и_Iridium_33