Результат интеллектуальной деятельности: Космический аппарат для утилизации космического мусора

Изобретение относится к области космонавтики и предназначено для очистки околоземного космического пространства от отработавших свой срок искусственных спутников Земли, прочих космических объектов и их обломков.

Известен космический аппарат для утилизации космического мусора (Патент на изобретение RU2040448, заявка RU 5025498/23 от 04.02.1992г.), содержащий энергетическую установку, выполненную в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя, систему обнаружения тел, подлежащих уничтожению, устройство генерации и направленной передачи энергии, выполненное в виде лазера, снабженного системой охлаждения, и двигательную установку для маневрирования и коррекции орбиты. Лазер выполнен с ядерной накачкой и встроен в термоэмиссионный реактор-преобразователь, а в качестве рабочего тела лазера выбрана смесь газов СО₂N₂Не. Двигательная установка для маневрирования и коррекции орбиты выполнена электрореактивной.

Недостатком известного устройства является применение лазера, приводящее к образованию более мелких обломков, а также большая масса космического аппарата с ядерным преобразователем.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является космический аппарат для утилизации космического мусора с двигателем, способным перерабатывать обломки в топливо, сначала измельчая их в порошок посредством планетарной шаровой мельницы; который затем перетирается вольфрамовыми иглами и превращается в плазму (Лей Лан и др., «Сборщик космического мусора: потенциальный охотник за космическим мусором», 2015, https://arxiv.org/abs/1511.07246). Энергия для этого процесса добывается от ядерной и солнечной энергии. Под высоким давлением заряженные частицы приводят в действие сборщик космического мусора, позволяя выполнить орбитальный маневр для захвата космического мусора.

Недостатком устройства является процесс преобразования обломков в плазму, требующий высоких температур, и больших затрат энергии, что сделает проект нецелесообразным и неэкономичным.

В свою очередь, предлагаемый космический аппарат для утилизации космического мусора – сборщик космического мусора (далее используем сокращение – СКМ) может устранить недостатки аналогов и обеспечить эффективность сборки космического мусора, при уменьшении затрат энергии на переработку обломков. СКМ включает ловушку для космического мусора и систему утилизации космического мусора в псевдожидкое топливо для двигателей космического аппарата, на основе измельчённого космического мусора, смешиваемого с кислородом и водородом. В отличие от ближайшего аналога, ловушка для космического мусора состоит из деформируемых куполообразной сети и конусообразной сети, связанных между собой тросами и сходящихся-расходящихся друг относительно друга с возможностью образования замкнутой полости. При обнаружении космического мусора куполообразная сеть автоматически выпускается на тросах из телескопических направляющих балок конусообразной сети, способных затягивать тросы обратно внутрь. Тросы пронизывают куполообразную сеть насквозь, пересекаясь в её вершине. Соединяясь, также посредством тросов, куполообразная и конусообразная сети, образуют замкнутую полость – мусоросборник, сжимающийся по мере поступления космического мусора на утилизацию.

Главным отличием от ближайшего аналога является использование псевдожидкого топлива вместо плазмы. Система утилизации космического мусора обеспечивает его переработку в порошок, который, смешиваясь с кислородом и водородом, образует псевдожидкое топливо для двигателей космического аппарата, посредством двухваликового измельчителя.

Систему поиска космического мусора и управляющее устройство питают веерообразные солнечные панели и панели, служащие обшивкой корпуса СКМ.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является сборка космического мусора и его утилизация посредством переработки в псевдожидкое топливо, что позволяет очистить околоземное космическое пространство от отработавших свой срок искусственных объектов и их обломков, способных нанести ущерб действующим космическим объектам.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 – общий вид СКМ;

фиг. 2 – СКМ в собранном виде;

фиг. 3 – способ развёртывания СКМ;

фиг. 4а – СКМ с соединёнными куполообразной и конусообразной сетями;

фиг. 4б - соединённые куполообразная и конусообразная сети, образующие замкнутую полость;

фиг. 5 – СКМ с сжатыми куполообразной и конусообразной сетями;

фиг. 6 – блок-схема оборудования СКМ;

фиг. 7 – схема СКМ с сечениями;

фиг. 8 – двухваликовый измельчитель по сечению А-А;

фиг. 9 – барабанно-шаровая мельница по сечению Б-Б;

фиг. 10 – мембранно-электродный блок для получения водорода и кислорода из воды по сечению В-В;

фиг. 11 – резервуар с топливом по сечению Г-Г;

фиг. 12 – трубы системы подачи топлива в двигатели по сечению Д-Д;

фиг. 13 – схема складывания куполообразной и конусообразной сетей;

фиг. 14 – вид развёрнутых куполообразной и конусообразной сетей;

фиг. 15 – вид куполообразной сети;

фиг. 16 – сложенная куполообразная сеть (вид сверху);

фиг. 17а – телескопическая направляющая балка (вид сверху);

фиг. 17б – телескопическая направляющая балка (вид сбоку).

фиг. 18а – отталкивающие пружины в телескопических обручах (вид сверху);

фиг. 18б – отталкивающие пружины в телескопических обручах (вид сбоку).

СКМ состоит из ловушки для космического мусора и системы утилизации космического мусора.

Ловушка для космического мусора (фиг. 1-5) оборудована конусообразной сетью 1 с четырьмя направляющими телескопическими балками 2, корпусом 3 с фотоэлементами и веерообразными солнечными панелями 4, двигателем ориентации 5, тяговыми двигателями 6, а также включает в себя четыре троса 7, втягивающие внутрь куполообразную сеть 8, соединяя её с конусообразной сетью 1 в единую замкнутую полость 9. Складывание (схождение) и развёртывание (расхождение) куполообразной 8 и конусообразной 1 сетей (фиг. 14-17) обеспечивается при помощи телескопических обручей 10 и телескопических балок 2, способных затягивать тросы 7 внутрь телескопических балок 2, и шаровых закрепителей тросов 20. Куполообразная сеть 8 и конусообразная сеть 1 состоят из треугольных звеньев, которые при складывании образуют полотно сжимаемой замкнутой полости 9. Данное строение сетей 8 и 1 обеспечивает создание плотного полотна из треугольных звеньев во избежание запутывания обломков в звеньях сетей.

На фиг. 15 односторонними стрелками показаны направления складывания под натяжениями первого (1) и второго (2) тросов 7 и телескопических обручей 10. Телескопические обручи 10 имеют внутри себя специальные отталкивающие пружины 24 (фиг. 18а и 18б), предназначенные для раскрывания куполообразной сети 8 при ослабевании натяжения тросов 7.

На фиг. 18а и 18б изображен фрагмент куполообразной сети 8 в сложенном и развернутом виде соответственно. Телескопические направляющие балки 2 снабжены электродвигателями 21 с блоками 23 на стойках 22. Электродвигатели 21 обеспечивают наматывание тросов 7 на блок 23 и расположены внутри телескопических балок 2.

Система утилизации космического мусора (фиг. 6-12) содержит двухваликовый измельчитель 11 (сечение А-А, фиг. 8), барабанно-шаровую мельницу 12 (фиг.9), регенератор воды 13, мембранно-электродный блок 14 и трубы системы подачи топлива 16. Трубы регенератора воды 13 интегрированы в корпус 3 СКМ. Барабанно-шаровая мельница 12 (сечение Б-Б) отделена от двухваликого измельчителя 11 решёткой 17 для просеивания мелких обломков. Мембранно-электродный блок 14 для получения водорода и кислорода из воды (сечение В-В, фиг. 10) оснащён трубами с фильтрами для подачи водорода и кислорода 18 в резервуар топлива 15 (фиг. 11) с трубой 19 для поступления обломков.

Непрерывное производство воды осуществляет регенератор воды 13, который выполнен в виде труб, вмонтированных в корпус 3 СКМ, внутри которого для измельчения крупных обломков космического мусора последовательно размещены двухваликовый измельчитель 11, барабанно-шаровая мельница 12, мембранно-электродный блок 14 и резервуар с топливом 15.

Ракета-носитель выводит СКМ на низкую орбиту 600-700 км, в расчетное место скопления обломков, где происходит развёртывание ловушки для сбора космического мусора. Роботизированная система поиска находит местоположение обломков, подлежащих уничтожению. СКМ уничтожает космический мусор, перерабатывая его в топливо, использование которого позволяет космическому аппарату постепенно подниматься на более высокие орбиты, вплоть до орбиты захоронения (>40000 км), очищая космическое пространство от обломков.

В ходе работы СКМ выпускает куполообразную сеть 8 на тросах 7 и, разворачивая тяговые двигатели 6 на 180°, захватывает обломки, продвигаясь сквозь скопление космического мусора. По мере заполнения куполообразной сети 8, происходит втягивание тросов 7 через шаровые закрепители 20
тросов 7 внутрь телескопических балок 2, изображенных на фиг. 1. При этом, сети 8 и 1, образовавшие замкнутую полость 9 (фиг. 4а, фиг. 4б, фиг. 5), стягиваются тросами 7, телескопическими обручами 10 и направляющими телескопическими балками 2 (изображенные на фиг. 17а и 17б), снабжёнными электродвигателем 21 с блоком 23 на стойках 22, способным наматывать тросы 7 на блок 23.

После чего замкнутая полость 9 сжимается, позволяя проталкивать собранный космический мусор в двухваликовый измельчитель 11, где он, охлаждаясь, измельчается (дробится). Охлаждение происходит на случай переработки обломков ступеней ракет-носителей, где еще могли остаться пары топлива, что может спровоцировать взрыв. Данный этап утилизации позволяет разрушить крупные обломки, или цельные спутники для дальнейшей переработки.

Далее, после измельчения, космический мусор просеивается с помощью решётки 17 для просеивания мелких обломков и помещается в барабанно-шаровую мельницу 12 для дробления в мелкодисперсный порошок. В регенераторе воды 13, меньшая часть в газообразном виде поступает в мембранно-электродный блок 14, а оставшаяся часть требуется для продолжения процесса регенерации воды. Из трубы для поступления обломков 19 резервуара с топливом 15 поступает мелкодисперсный порошок, полученный из космического мусора, и одновременно, через трубы 18 из мембранно-электронного блока 14 поступает водород и кислород, образуя смесь, называемую псевдожидким топливом. При этом концентрация мелкодисперсного порошка меньше концентрации газов. По трубам системы подачи топлива 16, в зависимости от поставленной задачи, псевдожидкое топливо поступает в тяговые двигатели 6, в случае сбора мусора или в двигатели ориентации 5, в случае коррекции орбиты КА.

Изначально, СКМ выводится на орбиту с регенератором воды 13, заполненным водой и диоксидом углерода . Регенератор воды 13 использует процесс гидрирования диоксида углерода по реакции Сабатье (см. Голосман Е.З., Ефремов В.Н. Промышленные катализаторы гидрирования оксидов углерода // Катализ в промышленности, С.: 2012, №5, С. 36-55): .

Катализатором данной реакции может служить, например, оксид палладия или оксид платины .

В результате гидрирования по Сабатье, продуктами реакции являются метан и два объема воды . Диоксид углерода получается из побочно-протекающих реакций.

Таким образом, СКМ осуществляет сборку и переработку космического мусора в псевдожидкое топливо, используя при этом электролиз воды, за непрерывное производство которой отвечает процесс гидрирования диоксида углерода по реакции Сабатье. Использование СКМ позволит очистить околоземное пространство от мелких (< 20см) и средних (<1-1.8м) обломов.