2. Проект «Космический тральщик» (кт).

Рассматривается возможность создания специального мусорособирающего КА – космического тральщика (КТ), снабженного электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), и пассивным улавливающим элементом (ПУЭ) в виде шара для улавливания мелких частиц космического мусора с низких околоземных орбит. Такой КТ с помощью ракеты-носителя (РН) и разгонного блока (РБ) выводится на круговую орбиту высотой 800 – 1200 км, наиболее засорённую КМ. РБ после окончания своей работы остаётся в составе КТ, чтобы не увеличивать засорённость космоса крупногабаритным КМ. ПУЭ из сложенного состояния разворачивается, включается ЭРД, которая в данном случае выполняет торможение. Вследствие этого, КТ опускается до конечной орбиты (500 – 700) км. В это же время ПУЭ захватывает КМ или снижает его скорость. На более низкой орбите заметно действие аэродинамического эффекта, вследствие которого аппарат постепенно тормозится об атмосферу Земли и сгорает в ней.

Для выбранной ракеты-носителя, способной вывести на определённую высоту околоземной орбиты груз массой М_0, выбирается прототип по топливу ЖРД известных разгонных блоков, для которых известны удельный импульс и зависящее от типа топлива отношение α сухой массы разгонного блока к массе топлива. Для РБ с ЖРД на топливе АТ+НДМГ принимается α = 0.12, а для ЖРД на топливе кислород + керосин – α = 0.28. Задаются высоты круговых орбит для РБ и для работы КТ с ЭРД.

• Расчёт характеристик РБ.

С целью предварительной оценки массовых характеристик КТ для заданных высот рассчитывается характеристическая скорость W_ЖРД:

W_ЖРД = (3.4.3.1);

где:

A = + (3.4.3.2);

r_k = H_k + R_З (3.4.3.3);

r₀ = H₀ + R_з (3.4.3.4) ;

r₀ – радиус начальной орбиты,

Н₀ – нижняя высота орбиты,

R_З – радиус Земли,

r_k – радиус конечной орбиты,

H_k – высота конечной орбиты,

- гравитационная постоянная Земли, = 3.986* 10¹⁴ м³/с³;

Полученные значения W_ЖРД используются для определения запаса топлива (М_т):

М_т= М₀ (1 – 1/e^{W жрд / Jуд жрд}) (3.4.3.5);

где

М₀ – масса груза, выводимая на околоземную орбиту данным РН,

J_{уд жрд} - удельный импульс ЖРД.

Далее вычисляется суммарный импульс тяги ЖРД I_∑:

I_∑ = М_т * J_{уд жрд} (3.4.3.6) ;

Зная тягу РБ, определяем время его работы _рб:

_рб = (3.4.3.7) ;

С учётом известного отношения α сухой массы РБ к массе топлива определяется величина сухой массы РБ – РБ_сух:

РБ_сух = α ^. М_т. (3.4.3.8);

Так как предполагается, что РБ без выработанного топлива остаётся в составе КТ, то масса последнего определяется из выражения:

М_КТ = М₀ - М_т. (3.4.3.9).

• Расчёт характеристик ЭРДУ

Для заданных высот Н₀ и Н_к рассчитываются r₀^*, _k^* и определяется характеристическая скорость ЭРД:

W_ЭРД = (3.4.3.10) ; где (r*0 = r^*₀; = ^*_k);

где ^*_k = (3.4.3.11); где (r0 = r₀, rk = r_k),

r₀^* - радиус орбиты, на которой заканчивается работа ЭРДУ.

Выбирается прототип ЭРД, для которого задаётся время активной работы _ЭРД и рассчитываются потребляемая мощность N и тяга Р:

N = (J²_{уд ЭРД} * М_РТ ) / (2η_{T ЭРД}) (3.4.3.12);

Р = (3.4.3.13) ;

где

J_{уд ЭРД} – удельный импульс,

η_T – тяговый КПД,

– цена тяги [41]

М_рт – масса рабочего тела;

М_РТ = М_КТ (1 – 1/e^{W хар ЭРД / Jуд жрд}) (3.4.3.14) .

Далее определяются массовые характеристики транспортной системы в целом, целевой и служебной аппаратуры.

Для КТ с ЭРДУ можно записать:

М^*_кт = М_пн + М_cэп + М_констр + М_спу + М_са + М _д + М_рт + М_схпрт (3.4.3.15) ;

где

М^*_кт – масса КТ за вычетом М_{РБ сух},

М_пн – масса полезной нагрузки (масса улавливающего элемента КТ с элементами крепления и развёртывания в рабочее положение),

М_пн = М^*_кт – (М_cэп + М_констр + М_спу + М_са + М _д + М_рт + М_схпрт) (3.4.3.16);

М_cэп – масса системы электропитания,

М_cэп=β^.N (3.4.3.17); Значение β может быть принятым, например, 50 кг/кВт

М_констр – масса конструкции КТ,

М_констр – 0.7 ÷ 0.8 ^. (М_спу+М_cэп+М _д+М_схпрт) (3.4.3.18);

М_спу – масса системы преобразования и управления ЭРДУ, М_спу – прибл. 10 кг,

М_са – масса служебной аппаратуры КТ, М_са- прибл. 264 кг,

М _д – масса двигателя,

М_рт – масса рабочего тела,

М_схпрт – масса системы хранения и подачи рабочего тела,

М_схпрт = γ_Б ^. М_рт (3.4.3.19) , где γ_Б=0.15

Масса полезной нагрузки М_пн мусорособирающего КА для шарообразного ПУЭ с элементами крепления и развёртки определяется из соотношения:

М_пн = 4πR²δ (3.4.3.20),

откуда радиус ПУЭ R:

R = (3.4.3.21) ;

Где δ – плотность оболочки ПУЭ.

• Полученные результаты.

Для выведения КТ на конечную орбиту были рассмотрены РН разработки США, Франции, Китая, а также Украины и России. Начальная высота орбиты Н₀ для работы ПУЭ принималась равной 1200 км, конечная Н_к – 500 км. Удельный импульс ЖРД J_ЖРД = 20000 м/с. Время активной работы КТ от начальной до конечной орбиты Т_ЭРД = 0.5 года. Плотность оболочки ПУЭ δ=0.2 кг/м².

Естественно, что РН большей грузоподъёмности способны вывести на околоземную орбиту КТ большей массы с большим радиусом ПУЭ. При этом для существующих РН США радиус ПУЭ с плотностью оболочки 0.2 кг/м² может составить от 25м («Titan-2-SL-V») до 84м («Delta-4H»); для РН Франции – от 37м («Arian-40») до77м («Arian-5G»); для РН Китая – от 27м («CZ-2C») до 58м («CZ-3B»); для РН России и Украины – от 32м («Молния») до 80м. [39]