МОДЕЛЬ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРОСБОРЩИКА

Полный текст

Всё чаще мы можем слышать о про- С Землёй может случиться то, что назы- блеме сбора мусора на околоземной орбите. вают синдромом Кесслера (Kessler syndrome) - По приблизительным оценкам, в околозем- это явление неконтролируемого роста числа ном пространстве находится около370 тысяч объектов космического мусора, которое приве- различных обломков и частей спутников и ра- дёт к полной непригодности околоземного про- кетоносителей размерами от миллиметра до странства для какой-либо деятельности [3]. Се- нескольких метров. Всё это принято назы- годня космический мусор представляет серьёз- вать - космическим мусором [1]. Уже были ную опасность для всей космической техники, к случаи столкновения работающих аппаратов примеру, известны неоднократные случаи кор- с космическим мусором. В 2009 году амери- ректировки орбиты международных космиче- канский спутник связи Iridium 33 и россий- ских станций (МКС) из-за угрозы столкновения ский военный спутник «Космос-2251» столк- с подобными объектами. нулись со скоростью 11,7 км/с. Оба спутника были полностью разрушены и произвели бо- Модель космического мусоросборщика лее 2-х тысяч отслеживаемых фрагментов. Для удаления крупногабаритного косми- Современные системы слежения (NO- ческого мусора (от 10 см) в научной литературе RAD) позволяют отслеживать объекты от 1 см. предложено много разных концепций увода: ис- При этом обломки менее одного сантиметра, так пользование сетей, гарпунов, лазерных устано- называемый мелкий космический мусор, никак вок, ионных двигателей. Мало исследованным не отслеживаются и представляют опасность является вопрос об уборке мелкого космиче- для космической техники. Статистические мо- ского мусора. Увод такого мусора с использова- дели говорят о том, что примерное число таких нием дорогих аппаратов с двигателями и прочим объектов 670 тысяч на различных орбитах [2]. оборудованием слишком дорог и неэффективен. © Гузева А. С., Пикалов Р. С., 2019. Гузева Арина Сергеевна (tanya@kpxx.ru), ученица V класса ГБОУ СОШ «Образовательный центр “Южный город”», 443076, г. Самара, ул. Партизанская, дом 169а. Пикалов Руслан Сергеевич (pickalovrs@gmail.com), аспирант кафедры теоретической механики Самарского университета 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34. Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 1 (14) 5 Рис. 1. Схема космического мусоросборщика Рис. 2. Схема трехслойной панели мусоросборщика Этот аппарат состоит из 3-х защитных столкновении этой частицы. В данной работе слоев. В одном из вариантов на аппарате не мы будем считать, что удар абсолютно не- предполагается установки каких-либо двига- упругий. телей и систем управления. На таблице 1 представлены результаты Слой 1 - должен состоять из материала расчета кинетической энергии по формуле 2 похожего по свойствам на пену «Foamspace» mV /2, где m - масса частиц. Поскольку ча- или гелеобразного клейкого материала, кото- стицы меньше 1 см невозможно идентифици- рый при попадании в него мелкого космиче- ровать, мы взяли следующие приблизитель- ского мусора будет тормозить или полностью ные значения масс: m1= 0,001 кг, m2 = 0,01 кг, останавливает частицы. рис. 2. m3= 0,1 кг. V скорость частиц. Слой 2 - это железная прослойка из ме- Из рис. 3 видно, что кинетическая энер- талла, которая образует спутанную сеть. Если гия частиц, например, Т1 (m=0,001 гр), увели- мусор проходит через слой 1, то он застревает чивается от 12500 до 112500 Джоулей. Энер- в слое 2. гия зависит от скорости и массы. Слой 3 аналогичен по конструкции и На таблице 2 вы можете видеть расчет составу первому. Данные слои можно комби- ударного импульса для тех же частиц с теми нировать несколько раз подряд, для повыше- же параметрами. Ударный импульс вычис- ния задерживающих свойств аппарата. лен по формуле mV=S. Таким образом частица массой 0,1 г на Металлическая сетка. Слой 2. скорости 5 000 м/c будет обладать кинети- В данной работе мы более подробно ческой энергией равной 11 250000 Джоулей. остановимся на конструкции второго слоя - И ударным импульсом = 1500 Н, рис. 4. металлической сетки. Металлическая сетка, Данные примерные оценки дают нам похожая на кухонную сеточку для мытья по- представление о том, каким запасом проч- суды, используется в самолетных двигателях. ности должна обладать сетка. Он должен Чтобы она смогла погасить скорость ча- позволять ей, при ударе, не разрушаться, а стиц, нам нужно рассчитать ее прочность. задерживать объект в себе. Вычислим кинетическую энергию аб- Например, для хромированной стали страктной частицы космического мусора и предел прочности при растяжении = ударный импульс возникающие при 1837 МПа. 6 Авиация и ракетно-космическая техника Таблица 1 Расчёт кинетической энергии м/с 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 T1 12500 18000 24500 32000 40500 50000 60500 72000 84500 98000 112500 T2 125000 180000 245000 320000 405000 500000 605000 720000 845000 980000 1125000 T3 1250000 1800000 2450000 3200000 4050000 5000000 6050000 7200000 8450000 9800000 11250000 Рис. 3. Увеличение кинетической энергии частиц в зависимости от массы и скорости Таблица 2 Расчёт ударного импульса, гр*м/с S1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 S2 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 S3 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Рис. 4. Увеличение ударного импульса Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 1 (14) 7 Прочность металла - это свойство ма- зависимости от их массы. На основе этого териала сопротивляться разрушению под сделан вывод, что предлагаемая нами мо- действием внутренних напряжений, возни- дель мусоросборщика будет работать, кающих под воздействием внешних сил. только если скорость сборщика и частиц бу- Предел прочности - это максималь- дет небольшой. Чтобы аппарат мог «пой- ное механическое напряжение, выше кото- мать» объект и при этом не разрушиться. рого происходит разрушение материала, Если аппарат и мусор будут двигаться подвергаемого деформации; измеряется в навстречу друг другу, в большинстве случаев килограммах силы на квадратный санти- не представляется возможным даже затормо- 2 метр (кг/см ) [6]. зить движение частиц. Так как скорости объ- В развитии данной работы, мы плани- екта и сборщика суммируются, и мы получим руем изучить возможности существующих запредельные значения, при которых наша материалов. Подобрать подходящие по ха- модель просто разрушится или будет необхо- рактеристикам материалы, из которых бу- димо очень сильно его увеличить. дет состоять аппарат. Таким образом, чтобы диапазон «рабочих скоростей» был наибо- Литература лее широким (конечно исходя из возможно- 1. Вениаминов С. С., Червонов А. М. стей существующих и проектирующихся Космический мусор - угроза человечеству // материалов). «Рабочих скоростей» - макси- Механика, управление и информатика. 2012. мальная дельта (разница) скоростей при ко- Т. 1. №. 10. С. 2-191. торых аппарат при попадании в него ча- 2. Крупнейшему научному проекту в : стицы космического мусора не будет разру- мире исполняется 20 лет. 2018. URL шаться, а будет задерживать его в себе. https://habr.com/ru/post/430334/ (дата обраще- Нашу модель мусоросборщика можно ния: 20.11.2018). применять не только, как отдельно летаю- 3. Пикалов Р. С., Юдинцев В. В. Обзор щий шар (или мяч). Панели можно соби- и выбор средств увода крупногабаритного рать в виде щита для защиты действующих космического мусора // Труды МАИ. 2018. КА или МКС. Их можно запускать, опере- № 100. С. 1-37. жая МКС или спутники. Несколько таких 4. Space debris hazards spotlighted at con- щитов, или мячиков, запустить вращаться ference. 2012. URL: http://www.esa.int/ вокруг спутника или станции. Они будут Our_Activities/Operations/Space_debris_haz- «собирать» на себя мелкие частицы. Ко- ards_spotlighted_at_conference (дата обраще- нечно, тут нужны детальные расчеты, ния: 10.12.2012). чтобы такой сборщик сам не стал причиной 5. Гаврилов В. Космический мусор: об- аварии. ломки недавнего прошлого // Популярная ме- : :// . ханика. 2006. URL https www pop- Заключение mech.ru/technologies/5527-kosmicheskiy-mu- В работе была рассмотрена модель му- sor-oblomki-nedavnego-proshlogo/ (дата обра- соросборщика для сбора мелкого космиче- щения: 10.12.2012). ского мусора. Произведены расчеты кине- 6. Арзамасов Б. Н., Брострем В. А., тической энергии и ударного импульса аб- Буше Н. А. Конструкционные материалы. страктных частиц. На графиках показаны Справочник. М.: Машиностроение, 1990. изменения скорости и удара частиц в 688 с.

Об авторах

Арина Сергеевна Гузева

ГБОУ СОШ «Образовательный центр “Южный город”»

Email: tanya@kpxx.ru
Самара, Россия

Руслан Сергеевич Пикалов

Самарский университет

Email: pickalovrs@gmail.com
Самара, Россия

Список литературы

Дополнительные файлы