Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора

Теоретическая механика


Авторы

Пикалов Р. С. *, Юдинцев В. В. **

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: pickalovrs@gmail.com
**e-mail: yudintsev@gmail.com

Аннотация

В работе рассматриваются способы активной очистки околоземных орбит от крупногабаритного космического мусора. Представлена классификация способов увода объектов космического мусора, проведено сравнение этих способов и описаны проблемы, которые могут возникнуть при их реализации.

Ключевые слова

космический мусор, активная уборка космического мусора, методы захвата, космический буксир, тросовые системы

Библиографический список

  1. Bolonkin A. New methods of removing space debris, 2014, available at: http://www.rxiv.org/pdf/1403.0670v1.pdf

  2. Shan M., Guo J., Gill E. Review and comparison of active space debris capturing and removal methods // Progress in Aerospace Sciences, 2015, vol. 80, pp. 18 – 32.

  3. Трушляков В.И., Юткин Е.А. Обзор средств стыковки и захвата объектов крупногабаритного космического мусора // Омский научный вестник. 2013. № 2. C. 56 – 61.

  4. Pelton J.N. New solutions for the space debris problem, Springer, 2015, 94 p.

  5. Kessler D.J., Cour-Palais B.G. Collision frequency of artificial satellites: the creation of a debris belt // Journal of geophysical research, 1978, vol. 83, pp. 2637 – 2646.

  6. Wood A. Gravity by Alfonso Cuarón // Science Fiction Film and Television, 2014, vol. 7, no. 3, pp. 441 – 444.

  7. Liou J.C. An active debris removal parametric study for LEO environment remediation // Advances in Space Research, 2011, vol. 47. no. 11, pp. 1865 – 1876.

  8. Bonnal C., Ruault J.-M., Desjean M.-C. Active debris removal: Recent progress and current trends // Acta Astronautica, 2013, vol. 85, pp. 51 – 60.

  9. Emanuelli M., Federico G., Loughman J., Prasad D., Chow T. Conceptualizing an economically, legally, and politically viable active debris removal option // Acta Astronautica, 2014, vol. 1, pp. 197 – 205.

  10. Anselmo L., Pardini C. Analysis of the consequences in low earth orbit of the collision between cosmos 2251 and iridium, 2009, available at: https://www.researchgate.net/publication/228975104

  11. 2009 satellite collision, available at: https://en.wikipedia.org/wiki/2009_satellite_collision

  12. Schildknecht T. Optical surveys for space debris // The Astronomy and Astrophysics Review, 2007, vol. 14, no. 1, pp. 41 – 111.

  13. Палий А.С. Методы и средства увода космических аппаратов с рабочих орбит (состояние проблемы) // Техническая механика. 2012. №. 1. C. 94 – 102.

  14. Данилова Л.В. Ответственность за засорение околоземного космического пространства // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2014. Т. 2. № 10. С. 267 – 268.

  15. Forward R.L., Hoyt R.P., Uphoff C.W. Terminator tether: a spacecraft deorbit device // Journal Spacecraft and Rockets, 2000, vol. 37, no. 2, pp. 187 – 196.

  16. Hoyt R.P. The Terminator Tape: A cost-effective de-orbit module for end-of-life disposal of LEO satellites // In: AIAA SPACE 2009 Conference & Exposition, Pasadena, California, USA, 14 – 17 September, 2009, pp. 67–33.

  17. Pardini C., Hanada T., Krisko P.H. Benefits and risks of using electrodynamic tethers to de-orbit spacecraft // Acta Astronautica, 2009, vol. 64, no. 5, pp. 571 – 588.

  18. Зайцева О.Н., Лукьянчиков А.В., Пичхадзе К.М. Аспекты технической реализации автоматического космического комплекса для захвата и свода с орбиты объектов, прекративших активное существование // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2012. Т. 5. № 16. С. 12 – 18.

  19. Nock K.T., McRonald A.D., Aaron K.M. Balloon device for lowering space object orbits, Patent US no. 6830222, 14.12.2004.

  20. Andrenucci M., Pergola P., Ruggiero A. Active Removal of Space Debris. Expanding foam application for active debris removal. Final Report. ESA, 2011, 132 p. available at: http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/ARI/ARI%20Study%20Report/ACT-RPT-MAD-ARI-10- 6411-Pisa-Active_Removal_of_Space_Debris-Foam.pdf

  21. Pergola P., Ruggiero A., Andrenucci M., Summerer L. Low-thrust missions for expanding foam space debris removal // In: Proceedings of the 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11-15 September, 2011, pp. 13.

  22. McInnes C.R. Solar sailing: technology, dynamics and mission applications, Springer Science & Business Media, 2013, 296 p.

  23. Visagie L., Lappas V. Hybrid solar sails for active debris removal // ESA Ariadna study AO, 2011, vol. 6411, no. 10, pp. 1 – 59.

  24. Трофимов С.П. Увод малых космических аппаратов с верхнего сегмента низких орбит с помощью паруса для увеличения силы светового давления. – М.: ИПМ РАН, 2015. – 32.

  25. Schmitz M., Fasoulas S., Utzmann J. Performance model for space-based laser debris sweepers // Acta Astronautica, 2015, vol. 115, pp. 376 – 383.

  26. Phipps C.R., Bonnal C. A spaceborne, pulsed UV laser system for re-entering or nudging LEO debris, and re-orbiting GEO debris // Acta Astronautica, 2016, vol. 118, pp. 224 – 236.

  27. Авдеев А.В., Метельников А.А. Бортовая лазерная установка для борьбы с космическим мусором // Труды МАИ. 2016. № 89. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=72840

  28. Ашурбейли И.Р., Лаговиер А.И., Игнатьев А.Б., Назаренко А.В. Возможности использования авиационной лазерной системы для борьбы с космическим мусором и поддержания орбит космического аппарата // Труды МАИ. 2011. № 43. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=24856

  29. Авдеев А.В. К вопросу борьбы с космическим мусором с помощью лазерной космической установки на основе HF-НХЛ // Труды МАИ. 2012. № 61. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=35496

  30. Phipps C.R. A laser-optical system to re-enter or lower low Earth orbit space debris // Acta Astronautica, 2014, vol. 93, pp. 418 – 429.

  31. Soulard R. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal // Acta Astronautica, 2014, vol. 105, no. 1, pp. 192 – 200.

  32. Liedahl D.A., Libby S.B., Rubenchik A. Momentum transfer by laser ablation of irregularly shaped space debris // AIP Conference Proceedings, 2010, vol. 1278, no. 1, pp. 772 – 779.

  33. Merino M. Ion beam shepherd satellite for space debris removal // Progress in Propulsion Physics, 2013, vol. 4, pp. 789 – 802.

  34. Kitamura S., Hayakawa Y., Kawamoto S. A reorbiter for large GEO debris objects using ion beam irradiation // Acta Astronautica, 2014, vol. 94, no. 2, pp. 725 – 735.

  35. Bombardelli C. Dynamics of ion-beam-propelled space debris // In: International Symposium on Space Flight Dynamics, Sao Jose dos Campos, Brasil, February 28 – March 4, 2011, available at: http://sdg.aero.upm.es/publications/pdf/2011/s8_p5_issfd22_pf_047.pdf

  36. Schaub H., Sternovsky Z. Active space debris charging for contactless electrostatic disposal maneuvers // Advances in Space Research, 2014, vol. 53, no.1, pp. 110 – 118.

  37. Gómez N.O. et al. Control analysis for a contactless de-tumbling method based on eddy currents: problem definition and approximate proposed solutions // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, San Diego, California, USA, 7-11 January 2016, pp. 642.

  38. Kumar K. Agora: Mission to demonstrate technologies to actively remove Ariane rocket bodies // Proceedings of the International Astronautical Congress, Jerusalem, Israel, 12-16 October 2015, vol. 6, pp. 6.

  39. Schaub H., Moorer D.F. Geosynchronous large debris reorbiter: Challenges and prospects // The Journal of the Astronautical Sciences, 2012, vol. 59, no. 1-2, pp. 161 – 176.

  40. Hiltz M., Rice C., Boyle K., & Allison R. Canadarm: 20 years of mission success through adaptation // Int. Symp. Artif. Intell. Robotics Autom. Space, 2001, vol. 1, pp. 1 – 8.

  41. Aikenhead B.A., Daniell R.G., Davis F.M. Canadarm and the space shuttle // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1983, vol. 1, no. 2, pp. 126 – 132.

  42. Sachdev S.S. Canadarm – a review of its flights // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1986, vol. 4, no. 3, pp. 268 – 272.

  43. Burns S., Razvi S. Evolution of the space station robotic manipulator // In: 58th International Astronautical Congress, Hyderabad, India, 24-25 September 2007, available at: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070010589.pdf

  44. Matsumoto S. Reconfigurable space manipulator for in-orbit servicing // In: Fourth International Conference and Exposition on Robotics for Challenging Situations and Environments, Albuquerque, New Mexico, USA, 27 February – 2 March, 2000, pp. 88 – 94.

  45. Ma Z., Ma O., Shashikanth B.N. Optimal control for spacecraft to rendezvous with a tumbling satellite in a close range // In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Daejeon, South Korea, 9-14 October 2016, pp. 4109 – 4114.

  46. Xin M., Pan H. Nonlinear optimal control of spacecraft approaching a tumbling target // Aerospace Science and Technology, 2011, vol. 15, no. 2, pp. 79 – 89.

  47. Dimitrov D.N., Yoshida K. Utilization of the bias momentum approach for capturing a tumbling satellite // Proceedings IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japan, September 28 – October 2, 2004, vol. 4, pp. 3333 – 3338.

  48. Nagamatsu H., Kubota T., Nakatani I. Capture strategy for retrieval of a tumbling satellite by a space robotic manipulator // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Osaka, Japan, 4-8 November, 1996, vol. 1, pp. 70 – 75.

  49. Nenchev D.N., Yoshida K. Impact analysis and post-impact motion control issues of a free-floating space robot contacting a tumbling object // Proceedings 1998 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Innovations in Theory, Practice and Applications, Victoria, BC, Canada, 13-17 October, 1998, vol. 1, pp. 913 – 919.

  50. Oki T., Nakanishi H., Yoshida K. Time-optimal manipulator control for management of angular momentum distribution during the capture of a tumbling target // Advanced Robotics, 2010, vol. 24, no. 3, pp. 441 – 466.

  51. Yoshida K., Nakanishi H., Ueno H., Inaba N., Nishimaki T., Oda M. Dynamics, control and impedance matching for robotic capture of a non-cooperative satellite // Advanced Robotics, 2004, vol. 18, no. 2, pp. 175 – 198.

  52. Concept for ADR of Kosmos 3M R/Bs: clamp configuration, available at: https://www.stardust2013.eu/Home/OurTeam/MarkoJankovic/MarkosProjects/tabid/5018/Default.aspx

  53. Zhang X., Huang Y., Han W., Chen X. Research of docking characteristic of flexible beam based on probe-cone docking mechanism // Procedia Engineering, 2012, vol. 31, pp. 857 – 862.

  54. Han W., Huang Y., Chen X. Research of impact dynamic modeling of flexible probe-cone docking mechanism based on Kane method // Archive of Applied Mechanics, 2015, vol. 85, no. 2, pp. 205 – 221.

  55. Moody C.K., Probe A.B., Masher A., Woodbury T., Saman M., Davis J., Hurtado J.E. Laboratory Experiments for Orbital Debris Removal // In: AAS Guidance, Navigation and Control Conference, Breckenridge, Colorado, USA, 5-10 February, 2016, pp. 1 – 12.

  56. Wormnes K., Le Letty, R., Summerer L., Schonenborg R., Dubois-Matra O., Luraschi E., Delaval J. ESA technologies for space debris remediation // In: 6th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, on Monday, 22 April, 2013, vol. 1, pp. 1 – 8.

  57. Benvenuto R., Salvi S., Lavagna M. Dynamics analysis and GNC design of flexible systems for space debris active removal // Acta Astronautica, 2015, vol. 110, pp. 247 – 265.

  58. Aslanov V.S., Ledkov A.S. Dynamics of the tethered satellite system. Cambridge, Woodhead Publishing Limited, 2012, 331 p.

  59. Sharf I., Thomsen B., Botta E.M., Misra A.K. Experiments and simulation of a net closing mechanism for tether-net capture of space debris // Acta Astronautica, 2017, vol. 139, pp. 332 – 343.

  60. Shan M., Guo J., Gill E. Deployment dynamics of tethered-net for space debris removal // Acta Astronautica, 2017, vol. 132, pp. 293 – 302.

  61. Forshaw J.L., Aglietti G.S., Salmon T., Retat I., Roe M., Burgess C., Chaumette F. Final payload test results for the Remove Debris active debris removal mission // Acta Astronautica, 2017, vol. 138, pp. 326 – 342.

  62. Mori H., Izumiyama T., Hashimoto K., Kawamoto S., Hirako K. U.S. Patent Application, no. 15397348, 2017.

  63. Трушляков В. И., Макаров Ю. Н., Олейников И. И., Шатров Я. Т. Способ очистки орбиты от космического мусора. Патент № 2531679 РФ, МПК B64G 1/64. 27.10.2014.

  64. Cercós L., Stefanescu R., Medina A., Benvenuto R., Lavagna M., González I., Wormnes K. Validation of a Net Active Debris Removal simulator within parabolic flight experiment // In: 12th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, Montreal, Canada, 17-19 June, 2014, available at: https://core.ac.uk/download/pdf/55248523.pdf

  65. Асланов В.С., Алексеев А.В., Ледков А.С. Определение параметров оснащенной гарпуном тросовой системы для буксировки космического мусора // Труды МАИ. 2016. № 90. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=74644

  66. Dudziak R., Tuttle S., Barraclough S. Harpoon technology development for the active removal of space debris // Advances in Space Research, 2015, vol. 56, no. 3, pp. 509 – 527.

  67. Асланов В.С., Юдинцев В.В. Тросовая буксировка объекта космического мусора с полостью, заполненной жидкостью // Труды МАИ. 2017. №. 97. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=83566

  68. Aslanov V.S. Oscillations of a spacecraft with a vertical elastic tether // AIP Conference Proceeding, 2010, vol. 1220, pp. 1 – 16.

  69. Асланов В.С., Юдинцев В.В. Выбор параметров системы увода космического мусора с упругими элементами посредством тросовой буксировки // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. №. 1. С. 7 – 17.

  70. Aslanov V.S., Yudintsev V.V. Dynamics, analytical solutions and choice of parameters for towed space debris with flexible appendages // Advances in Space Research, 2015, vol. 55, no. 2, pp. 660 – 667.

  71. Troger H., Alpatov A.P., Beletsky V.V., Dranovskii V.I., Khoroshilov V.S., Pirozhenko A.V., Zakrzhevskii A.E. Dynamics of tethered space systems, CRC Press, 2010, 223 p.

  72. Асланов В.С., Пикалов Р.С. Безударное сближение космического мусора с буксиром при использовании тросовой системы // Труды МАИ. 2017. № 92. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=76750

  73. Купреев С.А. Метод формирования оптимальных режимов управляемого движения тросовых систем при решении практических задач // Труды МАИ. 2015. № 84. URL: https://www.mai.ru/publications/index.php?ID=63053

  74. Купреев С.А. Условия существования предельных циклов у динамической системы движения связанных объектов на эллиптической орбите // Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=69696

  75. Jasper L., Schaub H. Input shaped large thrust maneuver with a tethered debris object // Acta Astronautica, 2014, vol. 96, pp. 128 – 137.

  76. Aslanov V.S., Yudintsev V.V. Dynamics of large debris connected to space tug by a tether // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2013, vol. 36, no. 6, pp. 1654 – 1660.

  77. Aslanov V.S., Yudintsev V.V. Dynamics of large space debris removal using tethered space tug // Acta Astronautica, 2013, vol. 91, pp. 149 – 156.

  78. Aslanov V.S. Chaos Behavior of Space Debris During Tethered Tow // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2015, vol. 39, no. 10, pp. 2399 – 2405.

  79. Hovell K., Ulrich S. Attitude stabilization of an unknown and spinning target spacecraft using a visco-elastic tether // In: 13th Symposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation, Noordwijk, Netherlands, 11-13 May, 2015, pp. 1 – 8.

  80. O’Connor M.J., Clearly S., Hayden D. Debris de-tumbling and de-orbiting by elastic tether and wave-based control // In: 6th International Conference on Astrodynamics Tools and Techniques. Darmstadt, Germany, 14-17 March, 2016, available at: https://indico.esa.int/indico/event/111/session/14/contribution/183/material/paper/0.pdf

  81. Cleary S., O’Connor W.J. Control of space debris using an elastic tether and wave-based control // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2016, vol. 39, no. 6, pp. 1392 – 1406.

  82. Jasper L., Schaub H. Tethered towing using open-loop input-shaping and discrete thrust levels // Acta Astronautica, 2014, vol. 105, no. 1, pp. 373 – 384.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2021

Вход