CC BY
216
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
ного металла близким к составу стали 20Х13 без перерасхода хрома (что наблюдается при использовании электродов ЦЛ-9 и ОЗЛ-6). Электроды ОК 76,36 позволяли получить наплавленный металл с содержанием хрома лишь -5,6 %, в то время как в стали 20Х13 согласно ГОСТ 5632* концентрация хрома составляет 12,0-14,0 %.
Библиографический список
1. Сварка. Резка. Контроль : справ. В 2 т. Т. 1 / Н. П. Алешин, Г. Г. Чернышев, Э. А. Гладков ; ред. Н. П. Алешин, Г. Г. Чернышев. — М. : Машиностроение, 2004. — 620 с.
КУСКОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры транспорта углеводородных ресурсов.
ОБУХОВ Александр Геннадьевич, доктор физикоматематический наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой высшей математики. МАМАДАЛИЕВ Расул Ахмадович, аспирант кафедры транспорта углеводородных ресурсов.
Адрес для переписки: vnkuskov@yandex.rn
Статья поступила в редакцию 15.03.2013 г.
© В. Н. Кусков, А. Г. Обухов, Р. А. Мамадалиев
УДК 629.78 В. И. ТРУШЛЯКОВ
Е. А. ЮТКИН
Омский государственный технический университет
ОБЗОР СРЕДСТВ СТЫКОВКИ И ЗАХВАТА ОБЪЕКТОВ КРУПНОГАБАРИТНОГО КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА_______________________________
В данной статье проведены обзор и анализ разрабатываемых средств и способов стыковки и захвата некооперируемых объектов крупногабаритного космического мусора. На основе проведенного исследования систематизирована информация о разрабатываемых в США и странах Евросоюза устройствах стыковки и захвата, выделены основные типы подходов к решению указанных задач. Сформулированы требования для многоразовых систем, выполнение которых необходимо для организации успешной стыковки с некооперируемыми объектами и их последующей буксировки на орбиты утилизации.
Ключевые слова: засорение околоземного космического пространства, крупногабаритный космический мусор, захват, стыковка с некооперируемыми объектами на орбите.
Интерес к проблеме влияния ракетно-космической деятельности на засорение околоземного космического пространства, которое началось с момента запуска первого искусственного спутника Земли, постоянно возрастает, о чём свидетельствует увеличение семинаров и международных конференций, посвященных этой проблеме. Созданы авторитетные международные организации, деятельность которых направлена на снижение загрязнения околоземного космического пространства от результатов ракетнокосмической деятельности, например, международный межагентский комитет по космическому мусору (1ЛОС) [1], технический комитет ООН по мирному использованию космического пространства (СОРиБ) [2] и т.д.
Наиболее потенциально опасным является крупногабаритный космический мусор (ККМ), т.к. в соответствии с эффектом Кесслера [3], в результате столкновения объектов ККМ между собой происходит нарастание количества опасных объектов на орбите.
К основным источникам ККМ относятся [4 — 6]:
— отработавшие ступени ракет космического назначения (РКН);
— нефункционирующие космические аппараты (КА) и обломки КА;
— разгонные блоки.
Наиболее засорены орбиты, находящиеся в защищаемых областях околоземного космического пространства (ОКП) [7]:
— орбиты от 600 до 1100 км на низкой околоземной орбите;
— геостационарная орбита (около 36 000 км).
Состоянием ОКП интересуются различные организации, занимающиеся ракетно-космической деятельностью, и все каталогизированные данные доступны в открытых интернет-источниках, например [8-11].
На рис. 1 можно увидеть плотность распределения объектов ККМ на низкой околоземной орбите (график сгенерирован в программном пакете МЛ8ТЕЯ-2009 [9]).
На данный момент не существует общепринятой и применяемой концепции очистки ОКП, но существуют рекомендации по снижению загрязнения, например [1]. Практически все страны, занимающиеся ракетно-космической деятельностью, проводят исследования, преимущественно направленные на очистку наиболее загрязненных орбит от объектов ККМ, в том числе на основе использования активных КА (АКА).
Рис. 1. Объёмная плотность распределения объектов ККМ на низкой околоземной орбите
Объекты ККМ являются некооперируемыми целями, что затрудняет процесс стыковки и захвата по следующим причинам:
— наличие недостоверно известных кинетических моментов из-за неточности определения моментов инерции и угловых скоростей;
— отсутствие узлов стыковки и фиксации;
— возможно наличие остатков топлива (для ступеней ракет космического назначения с жидкостными ракетными двигателями), что может привести к взрыву при стыковке.
Буксировка объектов ККМ после проведения стыковки и фиксации связана с обеспечением устойчивости и управляемости системы «АКА— объект ККМ» на участке работы маршевого двигателя АКА. Кроме того, при использовании многоразовых АКА возникает необходимость разработки многоразовых устройств стыковки, фиксации и отделения.
Следует отметить, что в истории отечественной и американской космонавтики, имеется огромный опыт стыковки АКА с кооперируемыми объектами на орбите, в том числе и автоматической, с многоразовыми устройствами стыковки, фиксации и отделения.
Первые стыковочные устройства выполнялись по типу «штырь —конус» [12]. При этом на двух КА устанавливались различные по конструкции и устройству агрегаты, что ограничивало применяемость стыковочных агрегатов данного типа (АКА не может стыковаться с другим АКА, а пассивный КА — с другим пассивным).
Универсальные стыковочные агрегаты лишены этого недостатка. В настоящее время такие агрегаты применяются на международной космической станции (системы сближения «Курс» и «Пирс») [12, 13].
Создание механической связи между объектом ККМ и АКА может осуществляться либо стыковкой с последующей фиксации связки, либо без непосредственного контакта и фиксации.
При бесконтактном захвате объекта АКА находится на некотором расстоянии, а создание механической связи осуществляется специальными средствами, например, гарпуном, сетями.
При стыковке (контакте) АКА сближается с объектом ККМ (вплоть до контакта). Механическая связь создаётся с помощью стыковочного узла АКА и каким-либо элементом конструкции объекта ККМ, например, для ступени ракеты это могут быть: рама приборного отсека, на которой располагался вы-
Рис. 2. Сближение маневрирующего АКА с целью и раскрытие сети
водимый полезный груз, камера маршевого ракетного двигателя.
Наиболее простыми по способам и устройствам бесконтактного захвата АКА объекта ККМ являются сети [14—18]. При использовании сетевого захвата АКА сближается с объектом ККМ на заданное расстояние и прицельно выпускает сеть (рис. 2). Сеть обволакивает ККМ и таким образом создаётся механическая связь «АКА —объект ККМ».
Активно изучаются устройства стыковки с помощью роботизированных манипуляторов [16, 19 — 27]. При этом способе АКА совершает сближение с объектом ККМ и, при достижении заданного расстояния, раскрывается роботизированный захват, который одновременно решает задачи стыковки и фиксации (рис. 3). Известен также способ стыковки с помощью гарпунов [19, 28].
Гарпун (рис. 4) выстреливается с АКА и пробивает объект ККМ, создавая тем самым стыковку на больших скоростях и одновременно фиксацию. С другой стороны, использование гарпунов ограничено определённым классом объектов ККМ, например, использование гарпуна опасно для захвата ступеней ракет космического назначения с ЖРД, так как при попадании в топливный бак существует вероятность взрыва остатков топлива в баке, либо возникновение импульса, вызванного истечением газифицированных остатков топлива через образо-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Рис. 3. Схема роботизированного устройства захвата ЛЛХЛ (а) и иллюстрация захвата объекта ККМ за сопло ракетного двигателя (б)
Рис. 4. Схема устройства захвата гарпунного типа
Рис. 5. Схема увода объекта ККМ с помощью самораскрывающихся мембран (а) и вид раскрытой однорядной самораскрывающейся мембраны SAM
б
а
б
а
ванное гарпуном отверстие в корпусе ступени в космическое пространство.
Технология использования самораскрывающихся мембран [29] схожа с использованием сетей: с АКА запускается самораскрывающаяся мембрана, которая по мере приближения к ККМ раскрывается и обволакивает его (рис. 5).
Наиболее перспективными являются устройства стыковки, работающие по принципам, применяемым для стыковки АКА на орбите. Одним из таких принципов является стыковка по схеме «штырь —конус».
В [30] предложено следующее устройство стыковки: на АКА установлено устройство стыковки — штырь, при подлёте к объекту ККМ на заданное
а б
Рис. 6. Устройство АКА с системой стыковки по схеме «штырь-конус» (а) и начало этапа стыковки (б)
"пенный" элемент гибкие электроды
Рис. 7. Концептуальная схема устройства захвата [31]
Рис. 8. Одиночный роботизированный захват (слева) и захват, состоящий из нескольких манипуляторов
Рис. 9. Раздвижной кольцевой элемент в открытом состоянии (слева) и после захвата ККМ (справа)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
%
расстояние АКА выдвигается штырь и вводится в сопловую часть ракетного двигателя объекта ККМ. Далее осуществляется фиксация штыря в приёмной части (рис. 6).
В [31] рассматривается устройство стыковки, близкое по принципу, однако имеющее другую конструкторско-технологическую реализацию (рис. 7) и, соответственно, другие условия использования, надёжности и т.д.
Интересны и многочисленны разработки АзЫит, предложивших различные вариации организации стыковки с ККМ [16]:
— одиночная роботизированная рука и захват, состоящий из нескольких роботизированных манипуляторов (рис. 8);
— раздвижной кольцевой элемент, состоящих из нескольких модулей и соединённых между собой тросом; при попадании ККМ внутрь кольцевого элемента, трос постепенно стягивается до момента захвата объекта ККМ (рис. 9);
— «щупальца», захватывающие ККМ и плотно сжимающие его (рис. 10). Рассматривается вариант
использования клея (либо других аналогичных средств) для создания прочной связки.
Также рассмотрены варианты захвата с помощью сетей и «мешков» (рис. 11).
После осуществления стыковки АКА и объекта ККМ и образования прочной механической связи необходимо осуществить сход образовавшейся связки «АКА—объект ККМ» с орбиты, что предъявляет к конструкции средств захвата дополнительные требования.
Выводы.
Рассмотренные выше способы стыковки и захвата объектов ККМ не позволяют в полной мере решить все проблемы, возникающие при стыковке АКА с некооперируемыми объектами ККМ.
К способам и устройствам захвата (стыковки, фиксации) объектов ККМ можно выдвинуть ряд следующих требований:
— работоспособность при наличии заданной области начальных относительных параметров движения по угловым скоростям и центрам масс АКА и объекта ККМ;
— ограниченное время на захват (стыковку и фиксацию) объекта ККМ;
— обеспечение надёжной фиксации и отделения АКА с объектом ККМ;
— компенсация рассогласования относительных скоростей АКА и ККМ после стыковки и фиксации (требование к энерговооружённости АКА);
— дополнительные требования по уводу образовавшейся связки «АКА—объект ККМ» с орбиты, в том числе по устойчивости и управляемости движения при работе маршевого двигателя АКА.
Библиографический список
1. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC): Homepage [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// www.iadc-online.org/ (дата обращения: 10.03.2013).
2. United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www. oosa.unvienna.org/oosa/COPUOS/copuos.html (дата обращения:
10.03.2013).
3. Donald J. Kessler, Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt // Journal of Geophysical Research. — 1978. № 83. — C. 2637 — 2646.
4. J.-C. Liou, N.L.Johnsona, N.M.Hill. Controlling the growth of future LEO debris populations with active debris removal // Acta Astronautica. — 2010. — № 66. — С. 648 — 653.
5. Heiner Klinkrad. Space Debris: Models and Risk Analysis. Springer Praxis Books / Astronautical Engineering. 2006. — 440 p.
6. Joseph N. Pelton, Ram S. Jakhu. Space safety regulations and standarts. Elsevier. 2010. — 494 p.
7. Liou J.-C., Hall D. T., Krisko P. H., Opiela J. N. LEGEND -a three-dimensional LEO-to-GEO debris evolutionary model // Advances in Space Research. — 2004. № 34. Issue 5. С. 981 -986.
8. Orbital Debris Evolutionary Model [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/model/ evolmodel.html (дата обращения: 10.03.2013).
9. MASTER — Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference Model [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.master-model.de/ (дата обращения:
10.03.2013).
10. Space-Track.org: The Source For Space Surveillance Data [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.space-track.org/auth/login (дата обращения: 10.03.2013).
11. Gunter's Space Page — Information on Launch vehicles, Satellites, Space Shuttle and Astronautics [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://space.skyrocket.de/ (дата обращения:
10.03.2013).
12. Сыромятников, В. С. Стыковочные устройства космических аппаратов / В. С. Сыромятников. — М. : Машиностроение, 1984. — 216 с.
13. International Docking System Standart (IDSS). Interface Definition Document [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.internationaldockingstandard.com/download/IDSS_ IDD_RevA_Final_051311.pdf (дата обращения: 10.03.2013).
14. Maarten Adriaensen. Isu team project: space debris mitigation and removal [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
15. Juergen Starke, Bernd Bischof, W.-O. Foth, J.-J. Gunter. ROGER a potential orbital space debris removal system [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://adsabs.harvard.edu/abs/ 2010cosp...38.3935S (дата обращения: 10.03.2013).
16. Xavier Clerc, Ingo Retat. Astrium Vision on Space Debris Removal [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
17. Guang Zhai, Yue Qiu, Bin Liang, Cheng Li. On-orbit capture with flexible tether-net system // Acta Astronautica. — 2009. — № 69. — С. 613 — 623.
18. John Schumacher. Entering a changing world: the perspectives of commercial bus providers on servicing [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ssco.gsfc.nasa.gov/work-shop_2012/Schumacher_final_presentation_2012_ workshop.pdf (дата обращения: 10.03.2012).
19. Steve Cook, Bill Hughes, Mike Graves. Fast, affordable, science and technology satellite (fastsat) — orbital debris removal demonstration concept [ Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
20. A. Migliaccio, T. V Mathew. Preliminary design of a free-floating manipulator system for space debris mitigation [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
21. Satomi Kawamoto, Yasushi Ohkawa, Hiroki Nakanishi, Yasuhiro Katayama, Heihachiro Kamimura, Shoji Kitamura, Seishiro Kibe. Active debris removal by a small satellite [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
22. L. Puig, A. Barton, N. Rando. A review on large deployable structures for astrophysics missions // Acta Astronautica. — 2010. — № 67. — С. 12 — 26.
23. Shin-Ichiro Nishida, Satomi Kawamoto, Yasushi Ohkawa, Fuyuto Terui, Shoji Kitamura. Space debris removal system using a small satellite // Acta Astronautica. — 2009. — № 65. — С. 95 —102.
24. Wenfu Xu, Chang Li, Bin Liang, Yangsheng Xu, Yu Liu, Wenyi Qiang. Target berthing and base reorientation of free-floating space robotic system after capturing // Acta Astronautica. — 2009. — С. 109—126.
25. Shin-Ichiro Nishida, Satomi Kawamoto. Strategy capturing of a tumbling space debris // Acta Astronautica. — 2011. — № 68. — С. 113—120.
26. P. Piersigilli, I. Sharf, A.K. Misra. Reactionless capture of a satellite by a two degree-of-freedom manipulator // Acta Astro-nautica. — 2010. — № 66. — С. 183—192.
27. Wenfu Xu, Bin Liang, Yangsheng Xu. Practical approaches to handle the singularities of a wrist-partitioned space manipulator // Acta Astronautica. — 2011. — № 66. — С. 269—300.
28. Gerber Bernard. The debritor: an «off the shelf» based multimission vehicle for large space debris removal [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
29. Thomas Sinn, Tejal Thakore, Philipp Maier. Space debris removal using self-inflating adaptive membrane [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
30. Clemens Kaiser, Eduardo Bellido, Peter Hofmann. Space debris mitigation using on-orbit servicing solutions [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
31. L.T. De Luca, F. Bernelli, F. Maggi, P. Tadini, C. Pardini, L An-selmo, M. Grassi, D. Pavarin, A. Francesconi, F. Branz, S. Chiesa, N. Viola, C. Bonnal, V. Trushlyakov, I. Belokonov. Active space debris removal by hybrid engine module [Электронный ресурс]: 63rd International Astronautical Congress: Interactive Congress Guide DVD. — Неаполь, 2012. — 1 эл. опт. диск (DVD-ROM).
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры авиа- и ракетостроения.
ЮТКИН Евгений Алексеевич, аспирант кафедры авиа- и ракетостроения.
Адрес для переписки: fuzzion55@gmail.com
Статья поступила в редакцию 27.03.2013 г.
© В. И. Трушляков, Е. А. Юткин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
