Оценка основных характеристик космических тральщиков
В статье представлены результаты расчетов основных характеристик космических тральщиков, используемых для очистки низких околоземных орбит от космического мусора. Характеристики данных космических аппаратов рассчитывались при выполнении маневра: выведение тральщика с помощью ракеты-носителя (РН) на...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Техническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88099 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка основных характеристик космических тральщиков / Н.М. Дронь, А.И. Кондратьев, П.Г. Хорольский, Л.Г. Дубовик // Техническая механика. — 2010. — № 2. — С. 87-92. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88099 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Дронь, Н.М. Кондратьев, А.И. Хорольский, П.Г. Дубовик, Л.Г. 2015-11-07T17:02:34Z 2015-11-07T17:02:34Z 2010 Оценка основных характеристик космических тральщиков / Н.М. Дронь, А.И. Кондратьев, П.Г. Хорольский, Л.Г. Дубовик // Техническая механика. — 2010. — № 2. — С. 87-92. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88099 629.78 В статье представлены результаты расчетов основных характеристик космических тральщиков, используемых для очистки низких околоземных орбит от космического мусора. Характеристики данных космических аппаратов рассчитывались при выполнении маневра: выведение тральщика с помощью ракеты-носителя (РН) на промежуточную орбиту, довыведение его на высокую орбиту с помощью разгонного блока с электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), перевод на низкую орбиту посредством использования тормозной ЭРДУ и дальнейшее циклическое движение с помощью ЭРДУс низкой орбиты на высокую и обратно. В качестве основных характеристик тральщика рассмотрены его масса, масса и радиус элемента для улавливания мелких частиц космического мусора, а также время выведения аппарата на требуемую орбиту для РН различной грузоподъемности. У статті наведено результати розрахунків основних характеристик космічних тральщиків, що використовуються для очищення низьких навколоземних орбіт від космічного сміття. Характеристики даних космічних апаратів визначалися при здійсненні маневру: виведення тральщика за допомогою ракети-носія (РН) на проміжну орбіту, довиведення його на високу орбіту за допомогою розгінного блока з електроракетною рушійною установкою (ЕРРУ), переведення на низьку орбіту шляхом використання гальмівної ЕРРУ і подальший циклічний рух за допомогою ЕРРУ з низької орбіти на високу і зворотно. Як основні характеристики тральщика розглянуто його масу, масу та радіус елемента для уловлювання дрібних частинок космічного сміття, а також час виведення апарата на потрібну орбіту для РН різної вантажопідйомності. The article presents the results of calculations of the basic characteristics of space trawlers for clearing low near-earth orbits from space debris. The characteristics of the given space vehicles are calculated in maneuvering: injection of a trawler by a launch vehicle (LV) into an intermediate orbit, its refined injection into a high orbit by a booster with an electric propulsion system (EPS), transfer into a low orbit by the braking EPS and a further cyclic motion with the EPS from a low orbit into a high orbit and back. The trawler weight, a weight and a radius of an element for catching small particles of space debris, and also the time of the vehicle injection into a demanded orbit for a LV with a various load-carrying capacity are considered as the basic characteristics of the trawler. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Оценка основных характеристик космических тральщиков Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка основных характеристик космических тральщиков |
| spellingShingle |
Оценка основных характеристик космических тральщиков Дронь, Н.М. Кондратьев, А.И. Хорольский, П.Г. Дубовик, Л.Г. |
| title_short |
Оценка основных характеристик космических тральщиков |
| title_full |
Оценка основных характеристик космических тральщиков |
| title_fullStr |
Оценка основных характеристик космических тральщиков |
| title_full_unstemmed |
Оценка основных характеристик космических тральщиков |
| title_sort |
оценка основных характеристик космических тральщиков |
| author |
Дронь, Н.М. Кондратьев, А.И. Хорольский, П.Г. Дубовик, Л.Г. |
| author_facet |
Дронь, Н.М. Кондратьев, А.И. Хорольский, П.Г. Дубовик, Л.Г. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Техническая механика |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| format |
Article |
| description |
В статье представлены результаты расчетов основных характеристик космических тральщиков, используемых для очистки низких околоземных орбит от космического мусора. Характеристики данных космических аппаратов рассчитывались при выполнении маневра: выведение тральщика с помощью ракеты-носителя (РН) на промежуточную орбиту, довыведение его на высокую орбиту с помощью разгонного блока с электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), перевод на низкую орбиту посредством использования тормозной ЭРДУ и дальнейшее циклическое движение с помощью ЭРДУс низкой орбиты на высокую и обратно. В качестве основных характеристик тральщика рассмотрены его масса, масса и радиус элемента для улавливания мелких частиц космического мусора, а также время выведения аппарата на требуемую орбиту для РН различной грузоподъемности.
У статті наведено результати розрахунків основних характеристик космічних тральщиків, що використовуються для очищення низьких навколоземних орбіт від космічного сміття. Характеристики даних космічних апаратів визначалися при здійсненні маневру: виведення тральщика за допомогою ракети-носія (РН) на проміжну орбіту, довиведення його на високу орбіту за допомогою розгінного блока з електроракетною рушійною установкою (ЕРРУ), переведення на низьку орбіту шляхом використання гальмівної ЕРРУ і подальший циклічний рух за допомогою ЕРРУ з низької орбіти на високу і зворотно. Як основні характеристики тральщика розглянуто його масу, масу та радіус елемента для уловлювання дрібних частинок космічного сміття, а також час виведення апарата на потрібну орбіту для РН різної вантажопідйомності.
The article presents the results of calculations of the basic characteristics of space trawlers for clearing low near-earth orbits from space debris. The characteristics of the given space vehicles are calculated in maneuvering: injection of a trawler by a launch vehicle (LV) into an intermediate orbit, its refined injection into a high orbit by a booster with an electric propulsion system (EPS), transfer into a low orbit by the braking EPS and a further cyclic motion with the EPS from a low orbit into a high orbit and back. The trawler weight, a weight and a radius of an element for catching small particles of space debris, and also the time of the vehicle injection into a demanded orbit for a LV with a various load-carrying capacity are considered as the basic characteristics of the trawler.
|
| issn |
1561-9184 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88099 |
| citation_txt |
Оценка основных характеристик космических тральщиков / Н.М. Дронь, А.И. Кондратьев, П.Г. Хорольский, Л.Г. Дубовик // Техническая механика. — 2010. — № 2. — С. 87-92. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dronʹnm ocenkaosnovnyhharakteristikkosmičeskihtralʹŝikov AT kondratʹevai ocenkaosnovnyhharakteristikkosmičeskihtralʹŝikov AT horolʹskiipg ocenkaosnovnyhharakteristikkosmičeskihtralʹŝikov AT duboviklg ocenkaosnovnyhharakteristikkosmičeskihtralʹŝikov |
| first_indexed |
2025-11-25T04:01:49Z |
| last_indexed |
2025-11-25T04:01:49Z |
| _version_ |
1850505868084248576 |
| fulltext |
УДК 629.78
Н.М. ДРОНЬ, А.И. КОНДРАТЬЕВ, П.Г. ХОРОЛЬСКИЙ, Л.Г. ДУБОВИК
ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОСМИЧЕСКИХ
ТРАЛЬЩИКОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
В статье представлены результаты расчетов основных характеристик космических тральщиков, ис-
пользуемых для очистки низких околоземных орбит от космического мусора. Характеристики данных
космических аппаратов рассчитывались при выполнении маневра: выведение тральщика с помощью раке-
ты-носителя (РН) на промежуточную орбиту, довыведение его на высокую орбиту с помощью разгонного
блока с электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), перевод на низкую орбиту посредством ис-
пользования тормозной ЭРДУ и дальнейшее циклическое движение с помощью ЭРДУс низкой орбиты на
высокую и обратно. В качестве основных характеристик тральщика рассмотрены его масса, масса и радиус
элемента для улавливания мелких частиц космического мусора, а также время выведения аппарата на тре-
буемую орбиту для РН различной грузоподъемности.
У статті наведено результати розрахунків основних характеристик космічних тральщиків, що вико-
ристовуються для очищення низьких навколоземних орбіт від космічного сміття. Характеристики даних
космічних апаратів визначалися при здійсненні маневру: виведення тральщика за допомогою ракети-носія
(РН) на проміжну орбіту, довиведення його на високу орбіту за допомогою розгінного блока з електрора-
кетною рушійною установкою (ЕРРУ), переведення на низьку орбіту шляхом використання гальмівної
ЕРРУ і подальший циклічний рух за допомогою ЕРРУ з низької орбіти на високу і зворотно. Як основні
характеристики тральщика розглянуто його масу, масу та радіус елемента для уловлювання дрібних части-
нок космічного сміття, а також час виведення апарата на потрібну орбіту для РН різної вантажопідйомнос-
ті.
The article presents the results of calculations of the basic characteristics of space trawlers for clearing low
near-earth orbits from space debris. The characteristics of the given space vehicles are calculated in maneuvering:
injection of a trawler by a launch vehicle (LV) into an intermediate orbit, its refined injection into a high orbit by a
booster with an electric propulsion system (EPS), transfer into a low orbit by the braking EPS and a further cyclic
motion with the EPS from a low orbit into a high orbit and back. The trawler weight, a weight and a radius of an
element for catching small particles of space debris, and also the time of the vehicle injection into a demanded
orbit for a LV with a various load-carrying capacity are considered as the basic characteristics of the trawler.
Одной из проблем околоземного космоса является вопрос об его загряз-
ненности объектами космического мусора (КМ), вызывающей вероятность
столкновений с космическими аппаратами (КА) и вероятность падения ос-
колков на Землю. Наибольшая опасность столкновений для низкоорбиталь-
ных КА существует в диапазоне высот орбит от 1200 до 850 км [1]. Чтобы
уменьшить угрозу, действующие космические аппараты совершают вынуж-
денные маневры отклонения от траекторий орбит, а это – дополнительный
расход топлива и ряд других сложностей. В таких условиях задача обеспече-
ния безопасности космических полетов, а также снижения опасности для
объектов на Земле является весьма актуальной.
Существует ряд идей по борьбе с космическим мусором [2]. В частности,
защита от мелких частиц КМ (размером до 10 см) может осуществляться за
счет применения экранных конструкций, от крупных – за счет принятия спе-
циальных мер при разработке КА. Для сбора и удаления мелкого космическо-
го мусора с низких околоземных орбит может быть рассмотрен специальный
мусорособирающий космический аппарат (тральщик) с использованием элек-
троракетных двигателей (ЭРД). В работах [3, 4] приведены принцип работы и
оценка энергомасовых характеристик такого космического мусоросборщика,
выводимого на требуемую орбиту с помощью ракеты-носителя (РН) посред-
ством разгонного блока с жидкостной ракетной двигательной установкой
большой тяги. Представляет интерес рассмотрение и других вариантов ма-
невров.
Н.М. Дронь, А.И. Кондратьев, П.Г. Хорольский, Л.Г. Дубовик, 2010
Техн. механика. – 2010. – № 2.
87
Целью данной статьи является оценка основных характеристик космиче-
ского тральщика, при выведении и эксплуатации которого выполняется сле-
дующий маневр. С помощью РН тральщик вначале выводится на промежу-
точную орбиту, затем с помощью разгонного блока (РБ) с электроракетной
двигательной установкой (ЭРДУ) довыводится на рабочую (высокую) орби-
ту, где разворачивается входящий в его состав сферообразный пассивный
элемент (ПЭ) для улавливания мелкого космического мусора. Включается
тормозная ЭРДУ, высота орбиты начинает уменьшаться, и по мере ее умень-
шения ПЭ захватывает мелкие частицы космического мусора или снижает их
скорость. Позже после достижения конечной (низкой) орбиты потерявшие
скорость частицы космического мусора сгорают в атмосфере Земли. Опустив
тральщик на низкую орбиту, тормозная ЭРДУ отключается, включается раз-
гонная ЭРДУ, и аппарат постепенно возвращается на рабочую орбиту. Раз-
гонная ЭРДУ отключается, и снова включается тормозная. Цикл спуск –
подъем повторяется до выработки рабочего тела ЭРДУ. При этом для разгон-
ной и тормозной ЭРДУ используются одинаковые двигатели типа СПД-140
со следующими параметрами: тяга – 0,25 Н, потребляемая мощность – 5 кВт,
удельный импульс тяги – 20000 м/с. Высота рабочей орбиты принимается
равной 1200 км, промежуточной – 200 км, низкой – 500 км. Время спуска с
рабочей орбиты на низкую на первом цикле составляет 0,5 года.
Для осуществления данного маневра были рассмотрены известные раке-
ты-носители грузоподъемностью на орбите высотой 200 км от 4,0 (РН «Ци-
клон-3», Украина) до 28,8 т (РН «Space Shuttle», США).
В качестве основных характеристик космического тральщика на этапе
выведения были рассчитаны его масса, масса и радиус пассивного элемента
для улавливания мелких частиц космического мусора [3], а также время вы-
ведения тральщика на требуемую рабочую орбиту.
Масса тральщика М для данного маневра выведения определялась из
выражения:
сухЭРД РБРТ MММM 0 ,
где – грузоподъемность РН на круговой орбите высотой 200 км;
– масса рабочего тела ЭРД для перевода космического тральщика с
промежуточной орбиты на требуемую; – сухая масса разгонного бло-
ка, включающая массу конструкции разгонной ЭРДУ.
0М
ЭРДTРМ
сухРБМ
Масса и радиус ПЭ, принятого в качестве полезной нагрузки, определя-
лись из уравнения баланса массы космического тральщика [4].
Время выведения тральщика на рабочую орбиту T рассчитывалось по
формуле
N
МJ
T
Т
РТудЭРД
ЭРД
2
2
,
где – удельный импульс тяги ЭРД; удЭРДJ T – тяговый КПД; – потреб-
ляемая мощность.
N
На этапе очистки для разных радиусов ПЭ вычислялось число циклов
«спуск – подъем» , которое может совершить космический тральщик при n
88
соответствующем запасе рабочего тела ЭРДУ и суммарном времени работы
на этом этапе. В каждом цикле движения запас рабочего тела
ЭРДУ , расходуемый на переход как с высокой орбиты на низкую,
так и с низкой на высокую, определялся по формуле:
сумT
пРTЭРД
М
удЭРДЭРД JWпРT
e
MМ
/
1
1 ,
где М – масса космического тральщика (включая сухую массу РБ) при спус-
ке с высокой на низкую орбиту или при подъеме с низкой на высокую; W –
характеристическая скорость перехода с высокой орбиты на низкую и обрат-
но.
кr
VW
1
10 ,
где V – круговая скорость тральщика на рабочей орбите [4]; 0 кr – отношение
радиусов высокой и низкой орбиты.
В первом цикле движения при спуске на низкую орбитуМ – начальная
масса космического тральщика. При подъеме и в каждом последующем цикле
она уменьшалась за счет выработки рабочего тела ЭРДУ. Остающийся запас
рабочего тела ЭРДУ для следующих циклов движения определялся из урав-
нения баланса массы тральщика при задании конкретного значения массы
полезной нагрузки [4]. Число циклов движения космического тральщи-
ка определялось по достижению количества оставшегося топлива, недоста-
точного для совершения следующего цикла.
ПНM
Полученное число циклов использовалось для вычисления суммарной
поверхности ПЭ , пересекающей пространство между высокой и низкой
орбитами и определяющей эффективность работы тральщика.
сумF
, nRF ПЭсум
24
где – радиус ПЭ. ПЭR
На рис. 1 представлены масса тральщика M и масса пассивного элемен-
та для улавливания мелких частиц космического мусора , а на рис. 2 –
радиус этого элемента для РН, приведенных в табл. 1 [5].
ПЭM
ПЭR
Таблица 1
Название РН Страна-разработчик
Грузоподъемность на орби-
те высотой ~200 км, кг
«Циклон-3» Украина 4000
«Arian-42L» Франция 7300
«Зенит-2» Украина 13000
«Протон-М» Россия 21000
«Delta-4H» США 24000
«Space Shuttle» США 28800
89
0
5
10
15
2 0
2 5
3 0
"
Ц
и
к
ло
н
-
3
"
"
A
r
i
a
n
-
4
2
L
"
"
З
ен
и
т
-
2
"
"
П
р
от
он
-
М
"
"
D
e
lt
a
-
4
H
"
"
S
p
a
c
e
S
h
u
tt
le
"
М,МПЭ , т
M Мпэ
Рис. 1
8 8
10 3
9 4
6 9
5 1
3 7
0
2 0
4 0
6 0
8 0
10 0
12 0
"
Ц
и
кл
он
-
3
"
"
A
r
ia
n
-
4
2
L
"
"
Зе
н
и
т
-
2
"
"
П
р
от
он
-
М
"
"
D
e
lt
a
-
4
H
"
"
S
p
a
c
e
S
h
u
tt
le
"
R ПЭ, м
Рис. 2
90
Как видно из табл. 1 и рис. 1, масса тральщика и полезной нагрузки уве-
личивается с ростом грузоподъемности РН и для данного маневра выведения
может составить от 3,9 и 3,5 до 28 и 27 т соответственно. При этом, как пока-
зывает рис. 2, предельный радиус улавливающего космический мусор эле-
мента находится в диапазоне от 37 до 103 м.
В табл. 2 для рассмотренных РН приведены расчетные значения времени
выведения T космических тральщиков на рабочую орбиту и необходимой
для осуществления данного маневра массы рабочего тела ЭРД .
ЭРДРТM
Таблица 2
Название РН T , год ЭРДРТM , кг
«Циклон-3» 0,25 101,2
«Arian-42L» 0,46 242,9
«Зенит-2» 0,82 329,0
«Протон-М» 1,32 531.4
«Delta-4H» 1,50 607,4
«Space Shuttle» 1,82 728,8
Как и ожидалось, время выведения тральщиков на рабочую орбиту уве-
личивается с ростом грузоподъемности РН, поскольку растет масса рабочего
тела на осуществление данного маневра.
На рис. 3 – 4 для радиусов ПЭ в диапазоне 20…80 м представлены зави-
симости суммарной поверхности ПЭ при совершении циклического
движения «спуск – подъем» и обратно и суммарного времени работы ЭРДУ
на этом этапе движения от грузоподъемности РН .
сумF
сумT 0М
Из рис. 3 видно, что в диапазоне 20…40 м величина почти не
зависит от грузоподъемности РН, а в диапазоне 50…80 м резко возрастает.
ПЭR сумF
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 2 0 2 5 3 0
М 0 , т
F сум* 10
5 ,м2
R= 2 0 м R= 3 0 м R= 4 0 м
R= 5 0 м R= 6 0 м R= 7 0 м
R= 8 0 м
Рис. 3
91
1
3
5
7
9
11
0 5 10 15 2 0 2 5 3 0
М 0 , т
T сум , год
R= 2 0 м R= 3 0 м R= 4 0 м
R= 5 0 м R= 6 0 м R= 7 0 м
R= 8 0 м
Рис. 4
Время работы ЭРДУ на этом этапе (рис. 4) увеличивается с ростом гру-
зоподъемности для всех радиусов ПЭ, при этом кривые зависимостей для
больших радиусов смещены в сторону меньших времен работы.
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы.
1. Для рассмотренного ряда РН определены массовые характеристики
тральщика и полезной нагрузки, входящей в его состав. Масса тральщика со-
ставляет 97 %, а масса ПЭ колеблется в узком диапазоне 0,90 – 0,92 от грузо-
подъемности РН на орбите высотой 200 км.
2. По абсолютной величине для самой мощной РН радиус ПЭ может дос-
тигать 103 м.
3. При использовании космических тральщиков с небольшими радиуса-
ми ПЭ (20…40 м) целесообразнее применять для их выведения на требуемую
орбиту РН меньшей грузоподъемности (5…15 т), но при большем времени
работы тральщика на этапе очистки. Для получения большей эффективности
тральщиков с радиусами ПЭ свыше 40 м необходимо выбирать РН с большей
грузоподъемностью и меньшим временем работы тральщика (см. рис. 3, 4).
1.Микиша А. Н. Загрязнение космоса / А. Н. Микиша, Л. В. Рыхлова, М. А. Смирнов // Вестник РАН. – 2001.
– Т. 71, № 1. – С. 26 – 31.
2. Шевцов А. В. Мелкий космический мусор. Анализ развития и способы борьбы / А. В. Шевцов,
А. С. Макарова // Космічна наука і технологія. Додаток до журналу. – Д. : ДНУ, 2002. – Т. 8, № 1. –
С. 176–179.
3. Кондратьев А. И. Оценка характеристик мусорособирающих космических аппаратов с ЭРДУ для улав-
ливания космического мусора / А. И. Кондратьев, П. Г. Хорольский, Л. Г. Дубовик // Авиационно-
космическая техника и технология. – Х. : "ХАИ", 2009. – № 9 (66). – С. 45 – 47.
4. Кондратьев А. И. Методика расчета тяговых и энергомассовых характеристик мусорособирающего
космического аппарата с ЭРДУ / А. И. Кондратьев, П. Г. Хорольский, Л. Г. Дубовик // Авиационно-
космическая техника и технология. – Х. : "ХАИ", 2009. – № 10 (67). – С. 82 – 84.
5. Isakowitz S. J. International Reference Guide to Space Launch Systems. Second Edition / S. J. Isakowitz.–
Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1991. – 341 p.
Днепропетровский национальный Получено 23.03.10,
университет им. Олеся Гончара, в окончательном варианте 15.04.10
Днепропетровск
92
|