Проект аппарата для борьбы с космическим мусором на высотах от 200 до 1000 км

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Проект аппарата для борьбы с космическим мусором на высотах от 200 до 1000 км

Карепова А.Г. 1
1ГОУ "Забайкальский краевой лицей-интернат"
Анганзорова Д.С. 1
1ГОУ "Забайкальский краевой лицей интернат"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Описание и постановка проблемы: В середине XX века началась космическая эра человечества, результатом которой стало появление в околоземном пространстве большого количества объектов искусственного происхождения, в настоящий момент уже не пригодных для использования, - так называемого космического мусора. Число таких объектов с каждым годом в разы увеличивается, вследствие чего это космический мусор становится все большей проблемой для мирового космического сообщества. За 60 лет космической деятельности человека было произведено более 5200 запусков, что привело к образованию 42000отслеживаемыхобъектов(размером5-10смнаоколоземнойорбитеиот30смдо1м на геостационарных высотах) общей массой порядка 7500 тон, из которых лишь 1200 – исправные на сегодня спутники.1

Способы решения данной проблемы заинтересовали и нас, а потому в представленной работе мы попытаемся найти оптимальную конструкцию аппарата, который бы очистил околоземной пространство от космического мусора.

Актуальность: Ученые, занимающиеся изучением проблемы космического мусора, предполагают, что если в ближайшее время не найдется подходящего решения этой проблемы, человечество может лишиться не на одно столетие возможности запуска тех или иных космических аппаратов в околоземное пространство, а, следовательно, не сможет составлять метеорологические прогнозы, изучать состояние планеты, климат, передавать информацию по средствам спутниковой связи, пользоваться GPS-системой и др., вследствие чего необходимо найти оптимальное решение этой проблемы.

Объектисследования–аппаратадляборьбыскосмическиммусоромнавысотах200- 1000км

Предмет исследования – проект аппарата для борьбы с космическим мусором на высотах 200-1000 км

Цель: Изучив материал по данной теме, спроектировать модель аппарата для борьбы с космическим мусором

Исходя из поставленной цели, мы определили задачи, которые нам необходимо выполнить:

Собрать данные из литературных и других источников, необходимые для создания словесной моделиаппарата;

Составить словеснуюмодель;

Изучить принципы работы программногообеспечения;

Разработать компьютерную модель посадочного модуля в программном обеспечении;

Сделать соответствующиевыводы.

Методы исследования:

теоретические (изучение и обобщение теоретического материала по даннойтеме)

экспериментально-теоретические (моделирование; выдвижениегипотезы.

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате нами будет предложена модель аппарата для борьбы с разными видами космического мусора на высотах 200-1000 км.

Итоговый продукт: модель аппарата для борьбы с космическим мусором.

Во время изучения проблемы были изучены научные статьи и научно-исследовательские работы, раскрывающие те или иные аспекты представленной проблемы. Данная тема по сей день является малоизученной, в связи с чем поиск необходимой информации вызывал сложности.

В представленной работе нами была разработана оптимальная конструкция аппарата, который бы очистил околоземное пространство от космического мусора, создана его словесная и компьютерная модель и описан процесс создания модели в программном обеспечении Subdivformer Studio.

Научная статья

Понятие «космический мусор»

Понятие«космическиймусор»(КМ)включаетвсебявсеискусственныеобъектыиих фрагменты,находящиесянаразличныхорбитахвоколоземномкосмическомпространстве, которые на настоящий момент времени не функционируют и не смогут в дальнейшем использоваться в полезных целях, и представляющие угрозу функционирующим космическимаппаратам.Вотдельныхслучаях,крупныеилиопасные(содержащиенаборту ядерные, токсичные и прочие материалы) объекты космического мусора могут представлять опасность для Земли, например, при неконтролируемом сходе с орбиты, неполномсгораниивплотныхслояхземнойатмосферыипадениинанаселенныепунктыи т.п.2

Рассмотрим виды отслеживаемых объектов:

24% – спутники;

6% - оперативные космическиеаппараты;

18% - отработанные верхние ступени и связанные с миссиейобъекты;

52% - отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки фрагментации.3 (см. Приложение1)

Случаи и причины фрагментации на орбите

Начиная с 1961 года было зарегистрировано более 290 случаев фрагментации на орбите,лишьнебольшаячастьизкоторыхявляетсястолкновениями;большинствособытий были взрывами космических объектов. По оценке ESA, эти события фрагментации породили порядка 750000 объектов размером более 1 см.

Основной причиной взрывов на орбите является топливо или другие источники энергии,которыеостаютсяпослевыбросаракетыилиспутниканаоколоземнуюорбиту.Со временем космическая среда снижает целостность частей космических аппаратов, вследствие чего происходят утечки и/или смешивания компонентов топлива, вызывающие самовозгорание.

Получающийся взрыв способен привести к полному разрушению объекта и распространении его массу на многочисленные фрагменты с широким спектром масс и передаваемых скоростей.4

Заисключениемслучайныхразрывовперехватспутниковспомощьюракетназемного базирования был одним из основных факторов образования фрагментированного мусора. Только китайское сражение FengYun-1C в 2007 году увеличило число отслеживаемых фрагментов на25%.5

Важным источником не фрагментированного мусора является более 2440 твердых ракетных двигателей, выделяющих оксид алюминия (Al2O3), в виде пыли и частиц шлака размером от 1 мм до 1 см.6

Вторым не менее важным источником стал выброс ядерных отходов из реакторов

«Бук» после окончания эксплуатации российских радиолокационных океанических разведывательных спутников в 1980-х годах.

Распределение каталогизированных объектов в пространстве

Спутники, находящиеся в околоземном пространстве, постоянно подвергаются воздействию аэродинамических сил из незначительных верхов земной атмосферы. Через некоторыйпериодвремениэтосопротивлениезамедляетспутник,вследствиечегоонснова входитватмосферу.Нонавысотесвыше800кмсопротивлениевоздухаменееэффективно и спутники остаются на орбите на протяжении многихдесятилетиях.

На любой заданной высоте образованию осколков в ходе обычных операцийзапуска, разрыва и других событий выброса противодействуют естественные очищающие механизмы, такие как воздушное сопротивление и гравитационное притяжение Луны. Результатом этих уравновешивающих эффектов является зависящая от высоты и широты концентрация (пространственная плотность) объектов космическогомусора.

Максимальные концентрации мусора могут быть отмечены на высотах 800-1000 кми около 1400 км. Пространственные плотности на геостационарных высотах и вблизи орбит навигационных спутниковых созвездий меньше на два-трипорядка.7

Синдром Кесслера

При сегодняшних темпах запуска, составляющих около 100 запусков ежегодно, и продолжающихсяраспадахсосреднемисторическимпоказателемотчетырехдопятивгод число космических объектов искусственного происхождения будет неуклонно расти. С увеличением количества объектов мусора будет также постепенно возрастать вероятность катастрофических столкновений, так, увеличение числа объектов в два раза увеличит риск столкновения примерно в четыре раза. По оценкам NASA, примерно к 2028 году уже ежегодно будет происходить по одному катастрофическому столкновению, а примерно к 2200годуихчисловырастетдо10вгод. 8(см. Приложение2)Помереростапопуляциимусора будут происходить новые столкновения. Через несколько лет такие столкновения будут преобладать над взрывами через несколько десятилетий. Фрагменты столкновения будут сталкиваться с другими объектами до тех пор, пока все объекты популяции не уменьшатся до критических размеров. Этот процесс был описан сотрудником NASA Дональдом Кесслером и получил название «СиндромКесслера».

Опасность космического мусора

В связи с отсутствием в космической среде силы трения и силы тяжести скорость движения объектов не замедляется. Поэтому обломки спутника продолжают двигаться с начальной скоростью, которая может достигать 15 км/с. Столкновение даже с небольшим объектом,движущимсястакойскоростью,можетпривестикзначительнымповреждениям действующего космического корабля или спутника. (см. Приложение 3)

При столкновении с мелкими частицами на обшивке аппарата или на его иллюминаторах могут образоваться вмятины или микроповреждения. (см. Приложение 4) Обломки покрупнее, размерами от одного до десяти сантиметров, способны причинить серьезные повреждения, вывести из строя действующие космические аппараты или послужить причиной взрыва уже не функционирующих спутников или отработанных ступеней ракет. Фрагменты мусора крупнее 10 сантиметров приведут к разрушению аппарата и образованию новых обломков.9

Кроме того, опасность может возникать и тогда, когда отработавшие космические аппараты и их фрагменты попадают в атмосферу и начинаю неконтролируемо падать на Землю. Фрагменты могут не полностью сгореть в плотных слоях атмосферы и упасть на населенные пункты или вблизи них. Но вероятность таких случаев довольно мала. На сегодняшний день зарегистрирован один случай, при котором от падения космического мусора.В1997годуобломокракеты-носителя«Дельта-2»,котораявошлаватмосферуднем ранее, задел плечо жительницы Оклахомы, к счастью, женщина отделалась легким испугом.10

Известные способы уборки космического мусора

Надежных, проверенных и, тем более, применяемых в настоящее время способов уборки мусора нет. Пока разрабатываются только проекты возможных аппаратов для уборки космического мусора.

Рассмотрим некоторые из существующих проектов. Предлагается использовать спутники, которые:

ловили бымусор;

дробили фрагменты космических объектов на более мелкиечасти.

Заисключениемспутников,действующихнепосредственновкосмосе,специалистами предлагается использовать направленные струи атмосферного газа, которые замедляли бы скорость объектов космического мусора.11

Стоимость данных систем очень высока, поэтому более реалистичным методом борьбы с мусором на сегодняшний день является вывод спутников, закончивших работу, на «орбиту захоронения», которая расположена на 100-200 км выше основной орбиты.

Кроме того, рассматривается вариант спуска отработавшего спутника на более низкую орбиту, с которой он бы входил в земную атмосферу, чтобы в конечном итоге сгорал в ней.12

Практическая часть

Словесная модель

На высотах 200-1000 км содержится большое количество космического мусора, в связи с чем более логичным кажется использование аппарата, которой ловил бы мусор.

На основе этого определим задачи, которые должен выполнять аппарат:

находить и определять объект космического мусора впространстве;

приближаться на необходимое расстояние кобъекту;

захватыватьобъект;

переработать объект/переместить объекта на более низкую орбиту с дальнейшим вводом в атмосферу или на орбитузахоронения.

Осуществить отслеживание и определение основных характеристик объекта космического мусора возможно с использованием наземного широкоформатного фотоприемного устройства. Проект такого устройства был представлен на Всероссийской конференции с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы» работниками Специальной астрофизической обсерватории РАН. Данное устройство будет располагаться непосредственно на Земле, определять координаты и основные характеристики (скорость, размеры и т.п.) объекта космического мусораипередаватьихаппаратупоборьбескосмическиммусором.Наосновеполученной информации аппарат будет выстраивать дальнейшую траекторию своегодвижения.

Осуществлять захват объекта можно различными способами: с помощью сетей и с использованием манипулятора. Безусловно, второй вариант требует куда более точного знания местонахождения и формы объекта, что довольно сложно обеспечить в данных условиях, а потому использование сетей для захвата объектов кажется нам более рациональным.

Исходя из метода захвата объектов определим каким образом аппарат должен приближаться к требуемому объекту. Для того чтобы избежать столкновения, аппарату необходимо приближаться сзади со скоростью примерно равной скорости объекта, кроме того, сбоку для того, чтобы «накинуть» сеть на объект.

Процесс переработки состоит из сжатия и утрамбовывания мусора в измельчитель, после чего он перерабатывается в мелкодисперсный порошок.

Предлагается использовать мелкодисперсный порошок в качестве топлива для бортового двигателя. Для осуществления этого необходимо два основных компонента: окислитель – кислород, и горючее – водород. Получить оба этих компонента можно при разложении воды, а наиболее реальным в данных условиях методом получения воды является реакция Сабатье, которая представляет собой реакцию водорода и диоксида углерода и описывается формулой:

CO + 4H2 CH4 +2H2O.

Затем после получения водорода и кислорода эти два вещества будут смешиваться с порошком, образованным при измельчении мусора, вследствие чего будет получено топливо, которое в дальнейшем будет использоваться для перемещения аппарата на более высокие орбиты.13

Вариант ввода объекта в атмосферу Земли имеет значительный минус. Многие аппараты производились из титана или стали, а соответственно, не будут полностью сжигаются в плотных слоях атмосферы, и могут упасть на населенный пункт или вблизи него, чем нанесут многочисленный ущерб имуществу.14

Вариант перемещения объектов на орбиту захоронения является исключительно временным, а потому рассматривать его в качестве основного не целесообразно.

Принципы работы программного обеспечения

Для создания модели мы воспользовались 3D-редактором SDF (Subdivformer Studio).

Описание:

SDF – 3D-редактор для архитектурного, игрового и промышленного дизайна. Данное программное обеспечение позволяет создавать модели архитектурных конструкций, мебели, декоративных элементов, автомобилей, украшений, приборов и множества других объектов.SDFимеетширокийнаборстартовыхфигуриинструментовмоделирования,дает возможность сохранить модель в формате STL для 3D-принтеров. SDF имеет простой и удобный интерфейс, что дает возможность создания моделей за короткий промежуток времени. (см. Приложение5)

Компьютерная модель

Алгоритмсозданиямоделиаппаратадляборьбыскосмическиммусоромнавысотах 200-1000км

Открыть 3D-редактор SDF (SubdivformerStudio);

Создать основной корпус аппарата (Добавить – Цилиндр, Добавить – Сфера; выделяем половину сферы – Локальные – Удалить, выделяем верхнюю грань –Локальные

– Удалить, выделяем одну из граней – Область – Преобразовать – Масштаб – По оси z (вытягиваем в усеченный конус));

Создать блок, в котором во время запуска аппарата в околоземное пространство (Добавить – Цилиндр, выделяем одну грань – Область – Преобразовать – Масштаб – По оси X (уменьшаем основание по оси X) – По оси Y (уменьшаем основание по оси X) – По оси Z (уменьшаем длину цилиндра) – Преобразовать – Переместить (перемещаем на верхнюю грань основногокорпуса));

Создать 4 двигателя, с помощью которых аппарат будет регулировать направлениесвоегодвижения(Добавить–Сфера–выделитьполовинусферы–Локальные

– Удалить – Выделить ряд верхних граней – Преобразовать – Выравнивание – По оси X – По оси Y – По оси Z – выделить одну из граней – Область - Преобразовать – Переместить

ПоосиX–ПоосиY–ПоосиZ(перемещаеммодельдвигателянаконусообразнуючасть основного корпуса аппарата) – Преобразовать – Повернуть – По оси X – Копировать – Вставить – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем модель двигателя на конусообразную часть основного корпуса аппарата) –Преобразовать

Повернуть–ПоосиX–ПоосиY-Копировать–Вставить–Преобразовать–Переместить

ПоосиX–ПоосиY–ПоосиZ(перемещаеммодельдвигателянаконусообразнуючасть основного корпуса аппарата) - Преобразовать – Повернуть – По оси X – По оси Y - Копировать – Вставить – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем модель двигателя на конусообразную часть основного корпуса аппарата) - Преобразовать – Повернуть – По оси X – По осиY);

Создать3основныхдвигателя(Добавить–Сфера–выделитьполовинусферы

Локальные–Удалить–Выделитьрядверхнихграней–Преобразовать–Выравнивание– По оси X – По оси Y – По оси Z – выделить одну из граней – Область - Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем модель двигателя нанижнюю

грань основного корпуса аппарата) – Преобразовать – Повернуть – По оси X – По оси Y - Копировать – Вставить – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем модель двигателя на нижнюю грань основного корпуса аппарата) - Преобразовать – Повернуть – По оси X – По оси Y - Копировать – Вставить – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем модель двигателя на нижнюю грань основного корпуса аппарата) - Преобразовать – Повернуть – По оси X – По оси Y);

Создать солнечные коллекторы в свернутом состоянии (Добавить – Куб – выделитьоднуизграней–Область–Преобразовать–Масштаб–ПоосиX–ПоосиY–По осиZ(уменьшаемкуб,преобразуемвпрямоугольник)–Преобразовать–Переместить–По оси X – По оси Y – По оси Z (перемешаем модель солнечного коллектора на основной корпусаппарата)–Копировать–Вставить–Преобразовать–Переместить–ПоосиX–По оси Y – По оси Z (перемешаем модель солнечного коллектора на основной корпус аппарата)).

Полученная модель представлена в Приложении 6 и Приложении 7.

Для того чтобы показать принцип работы аппарата, создадим модель аппарата с расправленной сетью.

Алгоритм создания раскрытой сети: Добавить – Сфера – выделить половину сферы – Локальные – Удалить – выделить одну из граней – Область – Преобразовать – Масштаб – Все (увеличиваем полусферу) – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z (перемещаем полусферу) – Добавить – Цилиндр – Преобразовать – Масштаб – Все (уменьшаем цилиндр) – По оси Z (вытягиваем цилиндр в трос) – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z – Преобразовать – Повернуть – По оси X (перемещаем трос, соединяя корпус аппарата и сеть) – Копировать – Вставить – Преобразовать – Переместить – По оси X – По оси Y – По оси Z – Преобразовать – Повернуть – По оси X (перемещаем трос, соединяя корпус аппарата и сеть). Полученная модель представлена в Приложении 8 и Приложении 9.

Заключение

На основе проделанной работы мы можем сделать соответствующие выводы:

Мы выяснили что такое космический мусор, каковы причины его появления, опасность для окружающих объектов как в космическом пространстве, так и наЗемле;

Изучили существующие проекты аппаратов для борьбы с космическим мусором, на их основе и прочем теоретическом материале по данной теме создали словесную модель необходимого намаппарата;

Мы подобрали соответствующее программной обеспечение, изучили принципы его работы и составили алгоритм созданиямодели;

Нами была разработана модель аппарат для борьбы с космическим мусором на высотах 200-1000км.

 

Списоклитературы

Всероссийская конференция с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы». Тезисы. : Сборник трудов / под редакцией Л. М. Зеленого, Б. М. Шустова = Space Debris: Fundamental and Practical Aspects of the Threat / Eds. L. M. Zelenyi, B. M. Shustov. – (Научные труды / Институт космических исследований РАН; Институт астрономии РАН) . – Москва: ИКИ РАН, 2019 . – 236 с. . - ISSN 2075-6836 . - ISBN 978-5-00015-036-8 . – URL: http://www.iki.rssi.ru/print.htm . – Дата публикации: 09.09.2019 . – Текст (визуальный): электронный.

Исследование возможности использования реакции Сабатье как способа обращения потоков для изотопного обмена в системе углекислый газ –вода: текст научной статьи по специальности «Химические науки» / Третьякова С. Г.; Растунова И. Л.; Розенкевич М.Б. . – [Россия] : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», 2008 . – 6 с. . – ISSN 1506-2017 . – Текст (визуальный): электронный.

Конец космической эры. Как замусорить орбиту: игра N + 1 и Издательства Яндекса: [статья] / Екатерина Русакова. – [Россия] : Яндекс, 2018 . – URL: https://nplus1.ru/material/2018/08/31/endofspace . – Дата публикации: 31.08.2018 . – Текст (визуальный): электронный.

О космическом мусоре: [статья] / работники ESA . – [Б. м. : б. и.] =About space debris: [article] / ESA employees . – [S. l. : s. n.], – URL: http://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/About_space_debris . – Текст (визуальный): электронный.

Под мусорным небом: чем опасны для землян осколки космических кораблей: [статья] / Игнат Шестаков. – [Россия]: ООО «МИЦ «Известия», 2019 . – URL: https://iz.ru/872462/ignat-shestakov/pod-musornym-nebom-chem- opasny-dlia-zemlian-oskolki-kosmicheskikh-korablei . – Дата публикации: 06.08.2019 . – Текст (визуальный): электронный.

Проблема космического мусора в околоземном пространстве: текст научной статьи по специальности «Математика» / Алексеев Александр Алексеевич . - [Россия] : ООО «Олимп», 2019 . – 2 с. . - ISSN 2412-8236 . – Текст (визуальный): электронный.

УченыеРКСпредставилипроектспутника-охотниканакосмический мусор: [статья]/ ученые холдинга «Российские космические системы» . - [Россия : б. и.], 2019 . – URL: http://russianspacesystems.ru/2019/03/27/uchenye-rks-predstavili-proekt-sputnika/ . – Дата публикации: 27.03.2019 . – Текст (визуальный): электронный.

Приложение

Приложение 1 «Рост числа объектов по их типу.»

Приложение 2 «Оценка количества катастрофических столкновений с космическим мусором.»

Приложение 3 «Ущерб, нанесенный космическому кораблю фрагментом космического мусора размером чуть более сантиметра.»

Приложение 4 «Микрократер от удара частички космического мусора на стекле иллюминатора шаттла «Индевор» (миссия STS-126).»

Приложение 5 «Рабочая область 3D-редактора SDF

Приложение 6 «Компьютерная модель аппарата.»

Приложение 7 «Компьютерная модель аппарата. 2»

Приложение 8 «Компьютерная модель аппарата в действии.»

Приложение 9 «Компьютерная модель аппарата в действии. 2»

1 О космическом мусоре: [статья] / работники ESA

2 Всероссийская конференция с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы». Тезисы. : Сборник трудов / под редакцией Л. М. Зеленого, Б. М. Шустова

3 О космическом мусоре: [статья] / работники ESA

4 О космическом мусоре: [статья] / работники ESA

5 О космическом мусоре: [статья] / работники ESA

6 Конец космической эры. Как замусорить орбиту: игра N + 1 и Издательства Яндекса: [статья] / Екатерина Русакова

7О космическом мусоре: [статья] / работники ESA

8 Конец космической эры. Как замусорить орбиту: игра N + 1 и Издательства Яндекса: [статья] / Екатерина Русакова

9 Конец космической эры. Как замусорить орбиту: игра N + 1 и Издательства Яндекса: [статья] / Екатерина Русакова

10 Под мусорным небом: чем опасны для землян осколки космических кораблей: [статья] / Игнат Шестаков

11 Конец космической эры. Как замусорить орбиту: игра N + 1 и Издательства Яндекса: [статья] / Екатерина Русакова

12 Проблема космического мусора в околоземном пространстве: текст научной статьи по специальности «Математика» / Алексеев Александр Алексеевич

13 Исследование возможности использования реакции Сабатье как способа обращения потоков для изотопного обмена в системе углекислый газ – вода: текст научной статьи по специальности «Химические науки» / Третьякова С. Г.; Растунова И. Л.; Розенкевич М.Б.

14 Ученые РКС представили проект спутника-охотника на космический мусор: [статья] / ученые холдинга «Российские космические системы»

Просмотров работы: 58