XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Сбор космического мусора
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I.Введение
В последнее время все более актуальной становится проблема космического мусора. Околоземное космическое пространство наполнено не только курсирующими с большой скоростью искусственными спутниками, но и внушительной массой рукотворных объектов. Это – использованные ступени ракет-носителей, вышедшие из строя и бездействующие спутники, частицы оксида алюминия из двигателей космических кораблей, обломки спутников, взорвавшихся при неудачных пусках, части космических аппаратов, просто отвалившиеся от них в полете, куски развалившихся со временем панелей солнечных батарей, различные металлические детали, оторванные от искусственных спутников ударами микрометеоритов, и многое другое (Приложение 1).
Весь этот мусор создает дополнительные сложности для дальнейшего освоения космоса. В отличие от обычного наземного мусора он не локализован в одной области, а носится с огромной скоростью вокруг нашей планеты. Тем самым он создает угрозу для действующих спутников. Наступает время решительных действий по борьбе с этой проблемой.
Но что предпринять? Ведь этот мусор находится в космосе, а попасть туда для его сбора не так просто. Это дорого и опасно, да к тому же каждый полет в космос создает еще больше мусора. До сих пор все меры борьбы с ним сводятся лишь к тому, чтобы с Земли с помощью радаров следить за его наиболее крупными фрагментами и своевременно предупреждать об угрозе их столкновения с действующими спутниками. В этом случае находящийся поблизости искусственный спутник должен просто отклониться от своего курса, чтобы избежать столкновения, если, конечно, удастся сделать это.
По информации и статистикам из различных источников мы решили, что не стоит ждать, когда кто-то решит эту проблему и поэтому предлагаем свое решение. Существующие способы очистки космоса от космического мусора, на наш взгляд, имеют определенные недостатки. С помощью руководителя мы попытались устранить их, разработали и изготовили макет такого устройства.
Цель работы: разработать принцип сбора космического мусора.
Задачи проекта:
-
Выявить достоинства и недостатки предлагаемых систем.
-
Определить принцип работы устройства.
-
Разработать и изготовить макет устройства.
II. Основная часть
2.1. Проблема замусоренности космического пространства.
Мелкий мусор, находящийся в космическом пространстве, не представляет опасности для населения Земли. Рано или поздно любой объект в результате трения об остатки атмосферы затормозится, начнет падать на Землю и сгорит в верхних слоях атмосферы, но в зависимости от размера объекта и высоты орбиты срок существования отходов может составлять от нескольких месяцев до сотни лет.
Однако, самоочищению не подвергаются объекты искусственного происхождения, находящиеся в зоне геостационарной орбиты, которая расположена на расстоянии километров от поверхности Земли строго над экватором. А геостационарная орбита – самая востребованная человечеством зона, так как именно здесь космические аппараты обладают уникальным свойством: их скорость точно соответствует скорости вращения Земли. Это означает, что искусственный спутник без каких бы то ни было затрат топлива и коррекций скорости постоянно висит над конкретной точкой Земли (ни одна другая орбита предоставить такую возможность не способна). Это свойство бывает чрезвычайно полезно, когда необходима надежная и постоянная спутниковая связь. В противном случае для ее обеспечения понадобится целая сеть сменяющих друг друга спутников связи, что намного дороже и сложней даже с учетом того, что вывод на низкую орбиту в несколько раз дешевле, чем на геостационарную (Приложение 2).
По некоторым оценкам, в районе низких околоземных орбит вплоть до высот около 2 000 километров находится до 300 000 техногенных объектов общей массой до 5 000 тонн и более 29 000 частиц размером более 10 см. Согласно статистическому анализу размер около 500 000 объектов, относящихся к космическому мусору, составляет более 1 сантиметра. Однако это допустимые значения, точной цифры не знает никто.Согласно данным британской компании RS Components, дистрибьютора электроники и средств обслуживания, 14 403 зафиксированные части космического мусора, принадлежность которых можно установить, принадлежат России, 8 734 — США, 4 688 — Китаю. На Францию и Индию приходится по 994 и 517 частей соответственно. Как отмечают в своем докладе представители компании, только за последние два года на пять ведущих стран приходится 448 новых обломков.
2.2. Варианты решение проблемы
В настоящее время существуют различные пути решения данной проблемы, но ни один из способов не реализован, т. к. эти решения имеют ряд недостатков.
Например, инженеры американской корпорации GlobalAerospace предложили выводить с орбиты отработавшие спутники (которые зачастую превращаются в опасный мусор, так как могут задерживаться на орбите на десятки лет) при помощи воздушного шара. Однако он сможет работать лишь на высоте около 1500 километров, и шар может увеличить вероятность столкновения спутника с другими объектами, находящимися на орбите.
Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) обнародовало информацию о том, что планирует использовать для сбора и переработки космического мусора роботов. Такой способ, как, впрочем, и все другие, технологически сложный: ученым предстоит разработать варианты, при которых роботы смогут пристыковываться к неработающим спутникам для демонтажа, а затем - и к работающим, чтобы установить на них необходимые детали
Японцы разработали проект разворачивания на орбите электродинамического трала для сбор а мусора. У этого проекта есть важный недостаток. В космических аппаратах не так много материалов, которые намагничиваются (в последнее время для строительства используются композитные материалы), а потому трал сможет собрать не так и много мусора. Японские специалисты заявили, что намерены заняться разработкой космического спутника, который сможет при помощи лазера уничтожать дрейфующие на околоземной орбите мелкие обломки от ступеней ракет и другой мусор. Запустить его на орбиту предполагается не раньше, чем через три года. Аппарат должен будет воздействовать на мусор лазерным лучом и таким образом сбрасывать его в атмосферу для последующего сгорания.
Государственная корпорация «Роскосмос» запатентовала «сачок» для ловли космического мусора. Как сказано в описании, изобретение предназначено для очистки околоземного космического пространства от относительно крупного по размеру мусора, такого, как прекратившие активное существование космические аппараты, разгонные блоки, последние ступени ракет.
В числе других современных проектов — «сборщики» космического мусора Европейского космического агентства (ЕКА), а также спутники с клеевым слоем для налипания обломков и электродинамические ловушки для замедления скорости их полета. Вместе со швейцарским стартапом ClearSpace ЕКА планирует в 2025 году запустить аппарат для борьбы с космическим мусором.
А сингапурский стартап Astroscale планирует запускать спутники, которые будут собирать космический мусор на орбите Земли благодаря специальной «липучке». На поверхности спутника разместят листы, покрытые специальным клеем, которые будут цеплять мусор размером более 10 сантиметров. После того как спутник «схватит» обломок, он вернется в атмосферу Земли, чтобы уничтожить себя и налипший мусор.
В январе 2020 года самарские ученые предложили убирать космический мусор на околоземной орбите путем его захвата «гарпуном». Исследователи предлагают использовать активный спутник, который будет хватать объект «гарпуном» или «сетью», разматывать трос и буксировать мусор в плотные слои земной атмосферы для уничтожения. Эффективность данной технологии ранее продемонстрировал космический аппарат RemoveDEBRIS, отправленный в 2018 году на МКС с помощью ракеты-носителя SpaceX. В феврале 2019 года он успешно отработал технологию и смог захватить «сетью» импровизированный обломок космического мусора, находящегося на орбите планеты.
У всех этих, а также множества других идей, есть важное "но": никто не гарантирует, что не будет негативных последствий. Чтобы внедрить любой способ утилизации космического мусора, необходимо проведение исследований, желательно в условиях, максимально приближенных к открытому космосу. Еще один важный нюанс - стратегический: при помощи "мусоросборщика", в принципе, можно убирать не только обломки, но еще и, например, работающие чужие спутники.
На близких к Земле орбитах космический мусор движется со скоростью около 7900 м/с. Это значит, что энергия такого обломка массой 1 кг сравнима с энергией автомобиля, массой 2 тонны и со скоростью более 600 км/ч
2.3. Решение проблемы утилизации космического мусора.
Для упрощения задачи по утилизации космического мусора предлагаем разделить его по таким критериям как размер и вес, а также учитывать диапазон орбит (высот).
В данной работе рассмотрим вопросы утилизации мелкого космического мусора (до 1 м), такие объекты наиболее «неприятны» тем, что их огромное количество создает сложности отслеживания. Как правило, такие объекты не предоставляют ценности и могут быть уничтожены.
Сбор, утилизация с помощью космических аппаратов, которые будут подстраивать свою орбиту до большой разницы в скоростях, экономически не может быть оправдана. Поэтому предлагается изменить орбиту этих объектов таким образом, чтобы они сгорали в атмосфере земли (Приложение3).
Суть идеи заключается в выведении на требуемую для очистки орбиту космического аппарата специальной конструкции (Сборщика) с двигательной установкой, предназначенной для коррекции положения в пространстве космического аппарата.
Форма корпуса позволяет производить касательные столкновения, в результате которых сам космический аппарат приобретает незначительный импульс, а космический мусор изменяет свою траекторию движения по направлению к Земле. Космический Сборщик незначительно меняет орбиту, возможно, изменит положение относительно Земли. При помощи двигателей мы можем контролировать орбиту и положение Сборщика таким, чтоб следующее столкновение привело к изменению орбиты в пределах диапазона очистки.
Расчёты
Для успешной работы Сборщика потребуются тщательные расчеты. Это нужно для того, чтобы реже использовать двигатели и для того, чтобы не повредить действующие спутники.
2.4. Конструкция
На основе проведённых расчётов и выдвигаемых требований, предлагаем создать космический аппарат форме двояковыпуклого диска (Приложение 4). В рабочем состоянии аппарат расположен строго параллельно Земле. Таким образом, траектория движения космического мусора будет совпадать с плоскостью Сборщика. Передняя кромка аппарата острая и вероятность столкновения мусора с ней будет крайне низка и такие столкновения будут происходить с рабочими поверхностями. Учитывая очень малый угол соприкосновения, космический аппарат будет получать малый импульс, и на рабочую поверхность будет оказываться сравнительно малое давление.
Исходя из вышесказанного, происходит следующее: траектории космического мусора и сборщика пересекаются, в результате их столкновения, учитывая небольшой угол, происходит скольжение мусора по рабочей поверхности Сборщика. Тогда Сборщик незначительно меняет ориентацию или орбиту, а мусор изменяет орбиту с круговой на спиральную и входит в плотные слои атмосферы, после чего он сгорает. Круглая форма Сборщика позволяет производить изменять траекторию объектов (мусора) при пересечении их орбит под различными углами. Такой вариант наиболее подойдет для утилизации тяжелых объектов, так как сближение может происходить на меньшей скорости.
Ориентировочные размеры:
Эффективность сборщика тем выше, чем больше его рабочая поверхность. Исходя из возможностей современных ракетоносителей и учитывая возможность модульной доставки Сборщика на орбиту, диаметр аппарата может быть от 15 до 25 метров. Его высота определяет угол столкновения и должна быть минимальной. При этом внутренний объем аппарата должен предусматривать запасы рабочего тела для маневровых двигателей и установку системы управления. Оптимальной будет высота от 1 до 2 метров
На основе чертежа выполнен макет (Приложение 5)
III.Заключение
В результате проделанной работы был разработан принцип работы устройства утилизации космического мусора и изготовлен макет.
Поставленные задачи выполнены и цель проекта достигнута.
Список использованной литературы
-
Проблема сбора космического мусора http://ultraprogress.ru/problemi-tsivilizatsii/problema-kosmicheskogo-musora.html
-
Об утилизации космического мусораhttp://pandia.ru/text/78/353/14.php
-
О существующих путях решения https://rg.ru/2014/02/10/musor-site.html
-
Что такое космический мусор и как его убрать. https://aif.ru/society/science/chto_takoe_kosmicheskiy_musor_i_kak_ego_ubirayut
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4