ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ УВОДА КРУПНЫХ ОБЪЕКТОВ С НИЗКИХ ОРБИТ ПРИ ПОМОЩИ ОТДЕЛЯЕМЫХ МОДУЛЕЙ

© А.А.Баранов, Д.А.Гришко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и механика космического полета"
2018 г.

В докладе анализируются массовые и энергетические характеристики активного космического аппарата (КА), предназначенного для увода объектов крупногабаритного космического мусора (ККМ) с низких околоземных орбит (высоты 600–2500 км). Под объектами ККМ здесь понимаются верхние ступени ракет-носителей и разгонные блоки, которые необходимо увести на орбиты захоронения (ОЗ), время баллистического существования которых не должно превышать 25 лет. Увод объектов предполагается выполнять с помощью специальных отделяемых модулей (ОМ, в англоязычной литературе: Thruster de-orbiting kits, TDK), установленных на КА-сборщике.

Ранее в работах авторов на низких орбитах были выделены 5 групп ККМ и предложены схемы облёта объектов этих групп, основанные на управлении скоростью прецессии орбитальной плоскости. В данном докладе будут рассмотрены пять взаимосвязанных вопросов, позволяющих оценить начальную массу КА:

– Какова в первом приближении сухая масса КА-сборщика?

– Какова масса ОМ и уводимых с их помощью объектов ККМ?

– Какими должны быть запасы топлива у ОМ?

– Какими должны быть запасы топлива на борту КА?

– Какое количество ОМ на борту КА-сборщика является рациональным?

Сухую массу КА-сборщика можно оценить, зная массу современных космических кораблей. Все служебные системы корабля «Прогресс», необходимые для маневрирования в космосе и осуществления стыковки, будут в том или ином виде присутствовать и на борту КА-сборщика. Массовым аналогом манипуляторов, необходимых для захвата объектов ККМ и фиксации ОМ на их поверхности, может служить система Canadarm-1. В результате проведённых исследований было получено, что сухая масса КА-сборщика, аналогичного кораблю «Прогресс», составит ~3500 кг.

С учётом состава групп ККМ на низких орбитах оценена необходимая масса топлива (несимметричный диметилгидразин) у одного ОМ, достаточная для увода объекта ККМ этой группы на ОЗ (группа №1 – 356 кг, №2 – 42 кг, №3 – 43 кг, №4 – 67 кг, №5 – 342 кг). Масса одного ОМ без топлива была принята равной 30 кг. Средняя масса уводимых объектов составляет 1500 кг, за исключением группы №1 (ступени РН «Зенит-2»), где это значение составляет 9000 кг.

Рациональное количество ОМ можно получить на основе топливно-энергетических диаграмм, которые описывают параметры КА-сборщика в зависимости от количества ОМ на борту. На этих диаграммах видно, при каком варианте компоновки достигается наибольшая унификация КА по начальной массе и располагаемому запасу суммарной характеристической скорости с учётом ограничений на возможности современной космической техники.

Проведенные исследования показали, что универсальный КА с начальной массой 10000 кг и с 12 ОМ на борту может быть использован для очистки всех пяти групп. Для групп №2 и №3, а также частично №4 и №5, начальная масса КА не превысит 7–8 тонн, что примерно соответствует характеристикам современных «Прогрессов».

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках мероприятия 1.2 федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение от 26 сентября 2017 года № 14.574.21.0146, уникальный идентификатор работ RFMEFI57417X0146).