О возможности рациональной утилизации фрагментов околоземного космического мусора и метеороидного вещества с использованием кинетических ракетных двигателей

В настоящее время накопление космического мусора (КМ) на околоземных орбитах, в первую очередь на наиболее активно используемых, начинает представлять значительную проблему. В качестве рационального варианта экономически целесообразной утилизации фрагментов КМ предлагается рассмотреть возможность...

3 980

Выбор редакции

В настоящее время накопление космического мусора (КМ) на околоземных орбитах, в первую очередь на наиболее активно используемых, начинает представлять значительную проблему. При сохранении существующей тенденции его накопления и увеличения общего количества эксплуатируемых космических аппаратов (КА), в ближайшее время КМ может представлять угрозу повреждения КА, многократно превосходящую угрозу столкновения от фрагментов естественных метеороидных тел, и способен значительно осложнить космическую деятельность.

Пассивные методы защиты КА от КМ за счет различных вариантов их бронирования в большинстве случаев неэффективны и значительно ухудшают их массовые характеристики.

Активные методы защиты от КМ при всем их разнообразии преимущественно направлены на торможение достаточно крупных фрагментов мусора, снижение их орбиты и последующее уничтожение в атмосфере. Подобный подход нельзя признать ни достаточно эффективным, ни рациональным. При характерной на сегодняшний день эффективности массовой эффективности средств выведения КА – полезная нагрузка составляет около 2% стартовой массы носителя – для придания орбитальной скорости каждому 1 кг КМ было использовано около 50 кг стартовой массы носителя, преимущественно топлива, с соответствующей экологической нагрузкой на среду. Для уничтожения этого фрагмента мусора также необходимы разработка и изготовление специализированного аппарата, его выведение на соответствующую орбиту, также включая экологические издержки.

Еще менее эффективны известные предложения по сбору и переработке КМ – в силу относительно небольшой массы его отдельных фрагментов, движущихся по различным траекториям, подобная деятельность значительно усложнена по сравнению с рассматриваемой в последнее время гипотетической добычей полезных ископаемых на астероидах и других достаточно крупных небесных телах.

Проблема осложняется тем, что снижение угроз столкновения КМ с КА известными способами в настоящее время не может быть коммерциализировано, и в этой связи представляет интерес только для государств или крупных компаний, осуществляющих космическую деятельность, для ограниченной защиты наиболее ценных КА.

В качестве рационального варианта экономически целесообразной утилизации фрагментов КМ предлагается рассмотреть возможность его использования как внешнего источника энергии и рабочего тела для маневров космического аппарата с использованием кинетического ракетного двигателя (КРД). Концепция КРД изложена в ряде работ [1, 2] и окончательно сформулирована в виде кинетического паруса Подвысоцкого-Панова [3]. Предложенная конструкция принципиально подобна концепции импульсного ядерного ракетного двигателя с парусом, разработанной в США в рамках проекта «Медуза» [4], основанной на осуществлении взрыва в фокусе паруса с последующей передачей импульса расширяющихся продуктов взрыва внутренней рабочей поверхности паруса. При достаточно большой площади паруса при этом динамическая и тепловая нагрузка на его конструкцию не превышает допустимых значений для применяемых конструкционных материалов.

Кинетический парус предполагает использование энергии не ядерного, а кинетического взрыва, в классической модели В.В. Подвысоцкого – при управляемом столкновении специализированных космических аппаратов – «зондов» с располагаемыми в фокусе паруса «мишенями» [3]. В случае утилизации КМ в КРД функцию «зондов» выполняют фрагменты КМ, а «мишень» расположена на борту КА. При этом наиболее вероятным вариантом применения КРД являются одноимпульсные межорбитальные перелеты, хотя с использованием дополнительных двигательных установок КА с КРД и гравитационных маневров возможны их дальнейшие перелеты в Солнечной системе и за ее пределы.

При лобовом столкновении фрагмента КМ с мишенью при их встречном движении с орбитальными скоростями удельная кинетическая энергия столкновения составит порядка 1,3х108 Дж. При удельной теплоте сгорания традиционных химических ракетных топлив порядка 107 Дж/кг использование 1 кг КМ и 1 кг мишени на борту КА энергетически эквивалентно использованию для аналогичного маневра 10-15 кг топлива на борту КА, а с учетом эффективности средств выведения – более 500 кг стартовой массы носителя. В этом случае утилизация КМ в КРД является экономически целесообразной, и может быть коммерциализирована при осуществлении космической деятельности, в т.ч. относительно небольшими частными компаниями.

Использование неуправляемых фрагментов КМ или естественных метеороидных тел в КРД вместо управляемых «зондов» требует исключительно точных данных об их массе и координатах. Но решение данной задачи для всего массива КМ в околоземном пространстве в любом случае является актуальным для ближайшего времени – как минимум для обеспечения заблаговременных маневров уклонения особо ценных КА.

Преимуществами КРД по сравнению с импульсными ядерными ракетными двигателями типа «Медуза», помимо отсутствия формальных юридических запретов на их практическую реализацию, является исключение радиационного воздействия взрыва на конструкцию и полезную нагрузку, а также отсутствие ограничений на минимальную мощность кинетического взрыва (в отличие от ядерного). Последнее не только значительно упрощает экспериментальную летную отработку КРД, но и позволяет использовать мелкие фрагменты КМ для межорбитальных перелетов популярных в настоящее время КА нано- и фемтоклассов, а также нового типа StarChip [5].

В дальнейшем при освоении Солнечной системы возможно более широкое использование в КРД тел с большими массами и орбитальными скоростями. Так, может быть целесообразным использование объектов, составляющих внешние кольца Сатурна, для запуска с помощью КРД массивных полезных нагрузок во внешнюю область Солнечной системы и за ее пределы.

 

  1. Valentin Podvisotsky. Kinetic jet engine mode of application. Space Colonization Journal, Issue 2, 2015, pp. 1-16. http://jour.space/issues/issue-2-2015.
  2. Alexander Panov. On the possibility of using the Podvysotsky kinetic engine for flights within the Solar system and to create an interstellar probe. Space Colonization Journal, Issue 5, 2014. https://jour.space/issues/issue-5-2014/.
  3. В.В. Подвысоцкий. Некоторые способы использования космического паруса. 22 с. http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/articles/86.pdf.
  4. Johndale C. Solem. Some New Ideas for Nuclear Explosive Spacecraft Propulsion. LA-12189-MS, October 1991. https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00189777.pdf.
  5. http://breakthroughinitiatives.org/news/12.

Naked Science Facebook VK Twitter
1/1
Схема рабочего процесса двигателя типа "Медуза"Medusa: Nuclear Pulse Propulsion and the Sail by PAUL GILSTER on JULY 20, 2012
Организация машиностроения.
3 980
Комментарии
Аватар пользователя Михаил Лещ
2 ч
Первый закон термодинамики, как и закон сохранения...
Аватар пользователя Михаил Лещ
3 ч
Как только из уст ученого вы услышите, что при расчете...
Аватар пользователя Владимир Лобанов
3 ч
Ну из ещё более простого, и так сколько хочешь.

Колумнисты

Физтех
112Статей
Сколтех
42Статьи
Discovery Channel
32Статьи
СО РАН
7Статей
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку