Разработка систем бесконтактной транспортировки космического мусора посредством ионного потока

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00160

НазваниеРазработка систем бесконтактной транспортировки космического мусора посредством ионного потока

Руководитель Асланов Владимир Степанович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые слова космический мусор, ионный поток, бесконтактная транспортировка, закон управления, хаос, стабилизация движения, малая тяга

Код ГРНТИ30.15.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен получению новых фундаментальных знаний необходимых для формирования облика и разработки методов и законов управления перспективными космическими системами, предназначенными для бесконтактной транспортировки крупногабаритного космического мусора. Уборка космического мусора является одной из наиболее актуальных проблем современной космонавтики. Взаимные столкновения крупных космических объектов могут запустить цепную реакцию, которая приведет к образованию облака мелких обломков вокруг Земли и сделает невозможным использование околоземного космического пространства. Одним из ключевых элементов в борьбе с космическим мусором является создание систем активной уборки. Эти системы предполагают использование активных космических аппаратов, которые будут транспортировать космический мусор до границы атмосферы, либо переводить его на специальные орбиты захоронения. Наибольшую опасность при этом представляет этап захвата космического мусора активным космическим аппаратом, поскольку космический мусор не оснащен стыковочными узлами, он не передает информацию о своих параметрах движения, а его форма и массово-инерционные характеристики известны очень приближенно. Ошибки на этом этапе могут привести к серьезному повреждению космического аппарата и образованию нового космического мусора. Одним из путей решения этой проблемы является разработка систем бесконтактной транспортировки, которые не предполагают прямого механического контакта между активным космическим аппаратом и космическим мусором. В проекте рассматривается бесконтактная транспортировки космического мусора за счет обдувания его поверхности потоком ионов, который генерируется двигателем малой тяги активного космического аппарата. В рамках проблемы планируется решить следующие задачи 1. Разработать облик системы уборки космического мусора за счет бесконтактного воздействия ионного потока, генерируемого активным космическим аппаратом. 2. Определить перспективные схемы компоновки активного космического аппарата, оснащенного несколькими двигателями малой тяги для генерации обеспечивающих бесконтактную транспортировку ионных потоков. 3. Разработать систему предотвращения спрогнозированных столкновений крупногабаритного космического мусора с функционирующими спутниками и нефункционирующими космическими объектами за счет незначительного изменения параметров орбиты космического мусора посредством воздействия ионного потока. 4. Разработать методики оценки и уточнения угловых скоростей и массово-инерционных характеристик крупногабаритного космического мусора перед началом и в процессе его бесконтактной транспортировки ионным потоком. В предыдущих работах В.С. Асланова и А.С. Ледкова сделан существенный фундаментальный задел, необходимый для создания эффективных систем бесконтактной транспортировки космического мусора ионным потоком. В частности, разработаны математические модели, описывающие плоское движение космического мусора под действием ионного потока, предложены законы и способы управления ионным потоком. Показано, что управление движением космического мусора относительно его центра масс в процессе ионной транспортировки позволяет существенно сократить время уборки и требуемое на это топливо. Для случая пространственного движения решена задача стабилизации ионным потоком вращения осесимметричного цилиндрического тела на геостационарной орбите. Не смотря на существенный научный задел в этой области, многие вопросы остаются открытыми и будут исследованы в рамках проекта: - не исследовано движение космического мусора под действием ионного потока при наличии внешних возмущений и прикрепленных к космическому мусору упругих панелей солнечных батарей; - не решена задача разработки закона остановки вращения и стабилизации движения пассивного объекта космического мусора с малой массово-инерционной асимметрией в пространственном случае; - новой является задача разработки схемы компоновки и законов управления двигателями активного космического аппарата в случае бесконтактной транспортировки космического мусора посредством нескольких ионных потоков; - оригинальной является предлагаемая схема системы предотвращения спрогнозированных столкновений крупногабаритного космического мусора с функционирующими спутниками и нефункционирующими космическими объектами за счет незначительного изменения параметров орбиты космического мусора посредством воздействия ионного потока; - не разработана методика уточнения и оценки массово-инерционных характеристик крупногабаритного космического мусора перед началом и в процессе его бесконтактной транспортировки ионным потоком. Рассматриваемые в проекте задачи являются принципиально новыми и актуальными.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ледков А.С., Асланов В.С. Review of contact and contactless active space debris removal approaches Progress in Aerospace Sciences, 134, 100858 (год публикации - 2022)
10.1016/j.paerosci.2022.100858

2. Седельников А.В., Сердакова В.В., Орлов Д.И., Николаева А.С., Евтушенко М.А. Modeling the effect of a temperature shock on the rotational motion of a small spacecraft, considering the possible loss of large elastic elements stability Microgravity Science and Technology, Vol. 34, №4, Article number: 78 (год публикации - 2022)
10.1007/s12217-022-09997-6

3. Седельников А.В., Орлов Д.И., Сердакова В.В., Николаева А.С., Хнырева Е.С. Investigating the temperature field of large elastic elements of a small spacecraft for the Earth remote sensing to assess the effect of a temperature shock on its rotational motion 2022 VIII International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT), pp. 1-4 (год публикации - 2022)
10.1109/ITNT55410.2022.9848563

4. Седельников А.В., Николаева А.С., Орлов Д.И., Хнырева Е.С., Сердакова В.В. Investigating the temperature field of large elastic elements of a small spacecraft for the Earth remote sensing to assess the effect of a temperature shock on its rotational motiоn Сборник трудов по материалам VIII Международной конференции и молодежной школы, Т. 2, 024002 (год публикации - 2022)

5. Седельников А.В., Сердакова В.В., Орлов Д.И., Николаева А.С., Евтушенко М.А. Исследование возмущений от температурного удара панели солнечной батареи при моделировании вращательного движения малого космического аппарата вокруг центра масс Труды МАИ, №126 (год публикации - 2022)
10.34759/trd-2022-126-11

6. Седельников А.В., Орлов Д.И., Сердакова В.В., Николаева А.С The Symmetric Formulation of the Temperature Shock Problem for a Small Spacecraft with Two Elastic Elements Symmetry, Vol.15, №1, Paper ID 172, pp. 1-16. (год публикации - 2023)
10.3390/sym15010172

7. Седельников А.В., Орлов Д.И., Сердакова В.В., Николаева А.С. Investigation of the Stress-Strain State of a Rectangular Plate after a Temperature Shock Mathematics, Vol. 11, № 3, Paper ID 638, pp. 1-13 (год публикации - 2023)
10.3390/math11030638

8. Седельников А.В., Сердакова В.В., Николаева А.С. Method of Taking into Account Influence of Thermal Shock on Dynamics of Small Satellite and its Use in Analysis of Microaccelerations Microgravity Science and Technology, Vol. 35, № 3, Paper ID 25, pp. 1-9 (год публикации - 2023)
10.1007/s12217-023-10049-w

9. Ледков А.С., Асланов В.С. Active space debris removal by ion multi-beam shepherd spacecraft Acta Astronautica, Vol. 205, pp. 247–257 (год публикации - 2023)
10.1016/j.actaastro.2023.02.003

10. Ледков А.С. Determining the Effective Space Debris Attitude Motion Modes for Ion-Beam-Assisted Transportation Journal of Spacecraft and Rockets, pp. 1-10 (год публикации - 2023)
10.2514/1.A35735

11. Ледков А.С. Динамика и управление цилиндрическим космическим мусором при бесконтактной транспортировке ионным потоком Труды МАИ, № 131 (год публикации - 2023)
10.34759/trd-2023-131-04

12. Седельников А.В., Браткова М.Е., Хнырева Е.С. Algorithm for the Operation of the Data-Measuring System for Evaluating the Inertial-Mass Characteristics of Space Debris Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol. 1047, pp. 1087 - 1093 (год публикации - 2023)
10.1007/978-981-99-2730-2_102

13. Седельников А.В., Орлов Д.И., Браткова М.Е., Хнырева Е.С. Estimating the Inertia Tensor Components of an Asymmetrical Spacecraft When Removing It from the Operational Orbit at the End of Its Active Life Sensors, Vol. 23, Paper ID 9615, pp. 1-13. (год публикации - 2023)
10.3390/s23239615

14. Асланов В.С., Ледков А.С. The ion beam interceptor concept for a space station collision avoidance with space debris Acta Astronautica, Vol. 223, pp. 49–57 (год публикации - 2024)
10.1016/j.actaastro.2024.06.051

15. Ледков А.С., Асланов В.С. Hybrid electrostatic ion beam shepherd schemes for active space debris removal from GEO to the disposal orbit Astrodynamics (год публикации - 2025)

16. Ледков А.С. Электродинамическая тросовая система для бесконтактной ионной транспортировки космического мусора XI Международный Аэрокосмический Конгресс. Тезисы докладов – М.: Издательство «Перо», 2024. – 234 стр., с. 214 (год публикации - 2024)

17. Седельников А.В., Манукян Л., Маслова У. The Methodology for Estimating the Angular Velocity of Rotation of a Small Spacecraft Based on a Limited Number of Magnetometric Measurements In: S. Shmaliy, Y. (eds) 8th International Conference on Computing, Control and Industrial Engineering (CCIE2024). Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol. 1253, pp 435–440 (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-6937-7_52

18. Ледков А.С., Белов А.А. Демпфирование внеплоскостных колебаний сферического объекта при его бесконтактной транспортировке ионным потоком Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, №89, c. 89-102. (год публикации - 2024)
10.17223/19988621/89/7

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках этапа 2024 года научной группой проекта проведены исследования по следующим темам: 1.4. Разработка закона управления ионным потоком для решения задачи остановки вращения и стабилизации движения пассивного объекта космического мусора цилиндрической формы относительно центра масс в случае пространственного движения. Была разработана математическая модель, описывающая пространственное движение космического мусора под действием ионного потока с учетом воздействия атмосферы при наличии у него малой асимметрии. Разработан закон управления силой тяги генерирующего ионный поток электрореактивного двигателя, обеспечивающий стабилизацию космического мусора в случае его пространственного движения относительно центра масс на низкой околоземной орбите. Для космического мусора с заданными массово-геометрическими характеристиками проведено численное моделирование увода с орбиты активным космическим аппаратом. Определена масса топлива, необходимого для осуществления маневра. 2.4. Синтез параметров схем размещения двигателей активного космического аппарата в случае пространственного движения. Произведен расчет ионных сил и моментов для случая пространственного движения цилиндрического космического мусора в случае использования различных схем размещения транспортировочных электрореактивных двигателей: для трех (линия, треугольник) и четырех (линия, квадрат, звезда) двигателей. Проведено численное исследование влияния схемы размещения четырех двигателей на величину осредненной генерируемой ионной силы для объекта космического мусора цилиндрической формы в различных режимах его пространственного движения на круговой орбите. Наиболее предпочтительной с точки зрения величины генерируемой осредненной ионной силы является использование максимально приближенных друг к другу четырех двигателей по схеме "квадрат". Для трех двигателей предпочтительной является схема "треугольник". Разработан закон управления тягой одного из электрореактивных двигателей, обеспечивающий стабилизацию колебаний космического мусора в процессе его транспортировки. Проведено сравнение затрат топлива при уводе с орбиты цилиндрического космического мусора при использовании трех и четырех двигателей. 3.2. Определение параметров орбиты и числа базовых космических станций для размещения активных космических аппаратов, предназначенных для отклонения траекторий космического мусора посредствам бесконтактного ионного воздействия. На основании анализа данных space-track.org, DISCOSweb и in-the-sky.org о находящихся на низкой околоземной орбите объектах космического мусора были определены три круговые орбиты для размещения базовых станций: радиусом 1120 км, 973 км, 605 км и наклонением 74, 83 и 97 градусов соответственно. Проведена серия численных экспериментов по предотвращению 10 последовательных случайных столкновений объектов космического мусора на низкой околоземной орбите. Для ускорения расчетов разработана приближенная усредненная математическая модель, описывающая плоское движение космического мусора относительно центра масс при воздействии на него ионным потоком. 4.2. Разработка методики определения параметров вращения объекта космического мусора с известными массово-инерционными характеристиками по результатам малого числа измерений. Разработана методика определения параметров вращения объекта космического мусора с известными массово-инерциальными характеристиками по результатам малого числа измерений. Для проведения измерений предлагается использовать два магнитометра. Предлагается следующий алгоритм: 1) с помощью магнитометра через равные промежутки времени измеряются компоненты вектора магнитной индукции Земли; 2) с помощью формулы Бура вычисляется вектор угловой скорости объекта в соответствующие моменты времени; 3) с помощью ряда Котельникова строятся непрерывные функции для проекций вектора угловой скорости от времени; 4) на основе полученных непрерывный функций вычисляются угловые ускорения; 5) для оценки полученных измерений объекту сообщается известный момент, после чего производится сравнение полученных на шаге 4 и вычисленных аналитически ускорений. В случае недостаточной точности шаг между измерениями должен быть уменьшен. Для оценки эффективности предлагаемой методики проведена серия численных экспериментов на основе данных датчиков космического аппарата Аист-1. Также в 2024 году были получены важные научные результаты по пункту 1.1 исходного плана проекта 1.1 Исследование возмущенного движения космического мусора в процессе его бесконтактной транспортировки ионным потоком. Предложены новые гибридные схемы бесконтактной транспортировки космического мусора, основанные на использовании ионного потока и электростатического заряда, передаваемого космическому мусору ионным потоком. Предлагаемые схемы могут быть реализованы на геостационарной орбите, где Дебаевский радиус экранирования превосходит сотню метров. Продемонстрирована возможность демпфирования колебаний космического мусора за счет управления зарядом активного космического аппарата. Предложена гибридная схема бесконтактной ионной транспортировки космического мусора с использованием электродинамической тросовой системы. Использование тросовой системы позволяет отказаться от компенсационного двигателя, который должен уравновешивать силу тяги генерирующего ионный поток двигателя, и обезопасить солнечные панели и датчики космического аппарата от загрязнения и эрозии в результате обратного рассеяния и распыления частиц с поверхности космического мусора. Проведено численное моделирование увода космического мусора с орбиты с помощью электродинамической тросовой системы. В ходе исследований были разработаны оригинальные и модифицированные математические модели, предложены новые законы управления, даны рекомендации по выбору параметров космических систем. Результаты исследований опубликованы в ведущих научных журналах и доложены на международной и всероссийской конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты работы могут быть использованы для создания принципиально новых образцов ракетно-космической техники, основанных на использовании электрореактивных двигателей и предназначенных для бесконтактной транспортировки пассивных объектов в космосе. Наиболее вероятной сферой применения является создание систем уборки крупногабаритного космического мусора.