Содержание
Аннотация...............................................................................................3
Введение..................................................................................................4
1. История развития космического мусора............................................5
2. Обзор существующих разработок......................................................12
3. Описание конструкции проектируемого аппарата.......................... 14
Заключение................................................................................................17
Список используемох источников и программного обеспечения.......18
Приложение................................................................................................19
Аннотация
Данный проект представляет собой чертежи прототипа космического аппарата, предназначенного для устранения мусора с орбиты, выполненного на основе технологии CubeSat.
Объем работы: 23 стр.
Количество таблиц: 1
Количество рисунков: 7
Количество чертежей: 3
Введение
В нашем мире все взаимосвязано, как человек зависит от космоса, так и космос зависит от человечества. Сейчас мы находимся на таком уровне технического прогресса, который позволяет нам выходить в открытый космос, с помощью космических аппаратов изучать все планеты Солнечной системы, их спутники, астероиды и кометы.
Сегодня ни одна развитая страна мира не может обойтись без мобильной связи, телевидения, радиосвязи, средств наблюдения за опасными участками земной поверхности, космической навигации, космической разведки. И все это заслуги искусственных спутников Земли и космонавтики.
У космических исследований есть также и «обратная сторона»: запуски ракет, разрушение и падение фрагментов космических аппаратов приводят к серьезным экологическим проблемам на Земле и в космосе.
Проблема засорения околоземного космического пространства "космическим мусором" как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием "Воздействие космической деятельности на окружающую среду" 10 декабря 1993 г., где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны, прямо или косвенно участвующие в его освоении.
Необходимость мер по уменьшению интенсивности техногенного засорения космоса становится понятной при рассмотрении возможных сценариев освоения космоса в будущем. Существование так называемого "каскадного эффекта", который в перспективе может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц "космического мусора", может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального мусора на низкой околоземной орбите и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса. Предполагается, что "после 2055 года процесс саморазмножения остатков космической деятельности человечества станет серьезной проблемой"
По данным, опубликованным Управлением ООН по вопросам космического пространства, в октябре 2009 года "Вокруг Земли вращается около 300 тысяч обломков мусора".
Рост числа обломков космического мусора влечет за собой задачу разработки и внедрения мероприятий, направленных на снижение засоренности околоземного космического пространства.
Одним из вариантов решения данной задачи является проектирование космического аппарата, способного, находясь на околоземной орбите, бороться с мелкими обломками космического мусора, затем выводя их на орбиту, предназначенную для быстрого сгорания в верхних слоях атмосферы.
1. История развития "космического мусора"
"Профессор Брукки из обсерватории недавно жаловался на слабеющий блеск обеих звёзд Центавра. А как же ему не слабеть, если вся окрестность забита мусором! Вокруг самой крупной планеты Сириуса, настоящей жемчужины этой планетной системы, возникло кольцо наподобие колец Сатурна, но состоящее из пустых пивных и лимонадных бутылок. Космонавт, летящий этой дорогой, вынужден обходить не только тучи метеоритов, но и консервные банки, яичную скорлупу и старые газеты.
Кое-где из-за этого хлама не видно звёзд. Астрофизики не один уже год ломают голову, пытаясь найти причину столь заметных различий в количестве космической пыли в разных галактиках. А дело, я думаю, просто: чем выше цивилизация, тем больше намусорено, отсюда вся эта пыль, сор и хлам."
Станислав Лем "Спасем космос", 1964 год
4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли, и человечество стало чуть ближе к звездам. В те дни все люди мира пытались разглядеть в небе «Спутник» и видели крошечную светящуюся точку. Вот только это был не «Спутник», слишком маленький, чтобы увидеть его невооружённым глазом. Эта точка была второй ступенью ракеты-носителя Р-7, доставившей его на орбиту. Она стала первым в истории космическим мусором.
За последующие годы было произведено около пяти тысяч запусков, которые вывели на орбиту почти 6600 спутников. Из них 3600 всё ещё находятся в космосе, и лишь 1000 из них — действующие.
На рисунке 1 наглядно изображено распределение мусора в околоземном пространстве. Кольцо — это мусор на геостационарной орбите, который останется там на несколько сотен лет.
. 
Рисуно 1 - Распределение мусора в околоземном пространстве.
Особую опасность представляют собой даже не сами спутники, отработавшие свое - они являются довольно крупными объектами и их орбиты отслеживаются, а мелкие частицы, образовавшиеся в результате аварий и столкновений спутников. Как сообщает Европейское космическое агентство, на орбите находится 45 тысяч объектов диаметром свыше 5 сантиметров. Что до тел поменьше, то в небе над нами летают сотни тысяч обломков диаметром от 1 до 5 сантиметров и миллионы совсем мелких осколков. Каждый осколок - это опасность для действующих спутников, способная повредить обшивку или оборудование установленное на борту спутника.
В таблице 1 собраны самые масштабные аварии, произошедшие в космосе, которые повлекли за собой образование большого числа мелких обломков.
Таблица 1
| Наименование | Причины и последствия |
Столкновение французского спутника Cerise с собственной ракетой-носителем (1996)
| Названный в честь французского слова «вишня» Cerise был 50-килограммовым военным спутником-разведчиком, предназначенным для перехвата высокочастотных радиосигналов для французских спецслужб. 7 июля 1995 года спутник был успешно выведен на орбиту с помощью носителя «Ariane-4» - трехступенчатой ракеты, которая часто используется Европейским космическим агентством. Всего через год после начала своей шпионской миссии, Cerise сошел с орбиты. НАСА удалось установить, что Cerise был сбит фрагментом ступени ракеты «Ariane-1» из предыдущей миссии. Производительность Cerise была сильно нарушена, но он по-прежнему работает. |
Столкновению спутников из-за неисправности системы навигации(2005)
| DART (Demonstration of Autonomous Rendezvous Technology) был разработан НАСА для проведения сложных маневров без контроля со стороны человека. К сожалению, во время тестового полета произошла внештатная ситуация, и DART столкнулся со спутником связи MUBLCOM. Оба спутника сильно не пострадали после столкновения и в настоящее время находятся на низких орбитах, где они не будут представлять никакой опасности для любого другого корабля. Они будут медленно опускаться в течение следующих 25 лет, чтобы сгореть в атмосфере Земли. |
USA-193 (2008)
| В 2006 году всего через несколько минут после того, как сверхсекретный спутник USA 193 успешно вышел на свою орбиту, связь между ним и наземным контролем была утеряна. Обычно спутник, вышедший из строя, просто сгорает в атмосфере, но USA-193 был не обычным спутником. Весил спутник колоссальные 2 300 килограммов, а его размеры составляли 4,5 м в длину и 2,5 м в ширину. Также он имел полный бак топлива (454 килограммов токсичного гидразина). Очевидно, что нельзя было допустить, чтобы USA-193 с токсичным содержимым вернулся в атмосферу - для землян это было чревато экологической катастрофой. Через два года USA 193 был успешно уничтожен на высоте 247 километров над Тихим океаном. |
| Гиперскоростное столкновение (2009) | 10 февраля 2009 года спутник коммерческой связи «Iridium 33 и российский военный спутник «Космос-2251» столкнулись на высоте 800 километров над полуостровом Таймыр в Сибири. Суммарная скорость спутников составила 24 480 километров в час, а их общий вес — 1 500 кг. В результате аварии были полностью уничтожены оба спутника. Гиперскоростное столкновение (оно было названо так, потому что скорости фактически измерялись в километрах в секунду) привело к тому, что более 2 000 фрагментов, примерно 10-15 сантиметров в диаметре, были разбросаны по орбите вокруг Земли. Этот мусор по-прежнему представляет огромную опасность для Международной космической станции. По состоянию на начало 2014 года, примерно 25 процентов мусора сгорело в атмосфере. |
Столкновение, уничтожившее BLITS (2013)
| В 2009 году на орбиту был выведен спутник-ретрорефлектор BLITS. Сделанный из нескольких видов стекла, все с разной степенью преломления, этот маленький, 8-килограммовый спутник должен был выполнить пятилетнюю миссию, помогая научным исследованиям в области геофизики и геодинамики, а также для тестов спутниковой лазерной системы связи. Через четыре года, в 2013 году, российские ученые заметили мгновенное измерение высоты орбиты BLITS на 120 метров. Частота его периода вращения также увеличилась. BLITS также перестал реагировать на лазерные локационные сигналы. Было высказано предположение о неком столкновении. После анализа орбитальных данных, выяснилось, что в 3 километрах от места аварии находится еще один объект, который летел с относительной скоростью в 34 920 км/ч во время удара. Виновником оказался кусок китайского космического мусора. В 2007 году в рамках теста противоракетной спутниковой системы Китай уничтожил один из своих 750-килограммовых метеорологических спутников, «Фэнъюнь 1С» (FY-1C). Испытание было успешным, но взрыв привел к образованию 2 317 фрагментов мусора. |
Столкновение эквадорского спутника Pegaso с космическим мусором (2013)
| В 1985 году Россия с помощью ракеты «Циклон-3» вывела на орбиту «Космос 1666», электронный спутник-«глушилку» радиотехнической разведки. Запуск был успешным, и «Космос 1666» был выведен на орбиту. Но последняя ступень ракеты «Циклон-3» не сгорела и также осталась летать вокруг Земли. После 28 лет, проведенных на орбите, облако обломков окутало часть «Циклона-3», что сделало ее еще более опасной, чем раньше. В 2013 году над Индийским океаном маленький эквадорский спутник Pegaso столкнулся с обломками, окружающими «Циклон-3». Из-за рассогласования антенн после столкновения спутник изменил орбиту. К тому же он начал дико вращаться и больше не может получать сообщения или отправлять данные. Через три месяца после аварии Эквадорское гражданское космическое агентство (EXA) заявило, что Pegaso закончил свою миссию. |
Как видно из таблицы, космический мусор уже сейчас представляет большую угрозу существующим космическим аппаратам. В настоящее время многие космические агенства активно разрабатывают системы, предназначенные для борьбы с космическим мусором.
Обзор существующих разработок
В настоящее время существует несколько вариантов конструктивного исполнения "орбитальных мусоросборщиков":
1. Активные системы удаления космического мусора представляют собой аппараты, которые захватывают и уводят объект КМ с орбиты, либо на более низкую орбиту (для сгорания в атмосфере), либо на орбиту захоронения. Орбита захоронения должна располагаться достаточно далеко от рабочих орбит.
Рисунок 2 - Активная система удаления
Создание активных систем удаления является приоритетным направлением исследований, которые координирует Межагентский координационный комитет по борьбе с космическим мусором (IADC).
2. Активной системы удаления с помощью двигательных установок, отличительной чертой которой является «захват» объектов космического мусора с помощью разворачивающейся крупногабаритной сети.
Рисунок 3 - Активная система удаления с "захватом" объектов
3. В настоящее время ведутся разработки активных систем удаления, использующих лазерные бортовые установки, а также установки с использованием ионных лучей (КА-пастух с ионным лучом).
Рисунок 4 - КА-пастух с ионным лучом
В данном проекте была выбрана конструкция, основанная на технологии CubeSat, отличительной особенностью которой является кубическая форма всей конструкции и возможность применения модульной сборки.