Table of Contents

Растущая проблема орбитальных обломков

С начала космической эры на околоземной орбите накопились тысячи спутников, ракетных тел и фрагментов. По данным Европейского космического агентства, в настоящее время отслеживается более 36 500 объектов размером более 10 см, а миллионы мелких кусочков представляют опасность столкновения для активных космических аппаратов. Оставленные без контроля, этот мусор может вызвать каскад столкновений, известный как синдром Кесслера, что делает непригодными целые орбитальные полосы. Поэтому для сохранения доступа в космос необходимы миссии по активному удалению мусора (ADR), и электрическая тяга становится ключевым фактором этих усилий.

Преимущества электрического движения для удаления мусора

Электрические двигательные установки предлагают несколько фундаментальных преимуществ перед традиционными химическими двигателями для миссий по удалению мусора. Наиболее значительным является специфический импульс — электрические двигатели обычно достигают значений Isp 1500-3000 с или выше, по сравнению с 200-450 с для химических двигателей. Это позволяет транспортному средству для удаления мусора нести меньше топлива для того же полного изменения скорости, высвобождая массу для механизмов захвата, датчиков или нескольких целей по мусору в каждой миссии.

Другим ключевым преимуществом является точный контроль тяги . Электрические двигатели могут дроссельной заслонки в широком диапазоне и работать короткими импульсами, что позволяет осуществлять тонкие маневры, необходимые для сближения с и стабилизации падающего мусора. Их длительный срок службы — десятки тысяч часов — также позволяет одному космическому аппарату выполнять несколько деорбитальных ожогов в течение месяцев или лет, а не полагаться на один высокопрочной ожог.

Последствия для торговли и системного уровня

В то время как электрическая двигательная установка может похвастаться высокой эффективностью, ее низкая тяга (обычно в диапазоне от миллиневтона до Ньютона) означает, что маневры занимают больше времени, чем при химическом движении. Это требует тщательного планирования миссии, особенно для чувствительных ко времени столкновений с мусором. Однако уменьшенная масса топлива может снизить затраты на запуск или позволить меньшую, более легкую шину космического корабля. Электрическая двигательная установка также требует надежного кондиционирования мощности и систем управления тепловой энергией, но достижения в технологии солнечных батарей и аккумуляторных батарей делают эти требования все более управляемыми.

Типы технологий электрического движения для ADR

Hall Effect Thrusters (альбом)

Двигатели эффекта Холла (HET) генерируют тягу, захватывая электроны в магнитном поле и ускоряя ионы по электрическому потенциалу. Они обеспечивают хороший баланс между плотностью тяги и эффективностью, как правило, производят 10-500 мН тяги с Isp около 1500-2500 с. Коммерчески доступные HET, такие как SPT-100, имеют летное наследие на многочисленных геостационарных спутниках, и масштабированные версии адаптируются для удаления мусора. Их надежность и умеренные требования к мощности (1-5 кВт) делают их привлекательными для краткосрочных миссий ADR.

Ионные раструбки

Ионные двигатели ускоряют ионы с помощью электростатических сеток, достигая самого высокого удельного импульса любого зрелого электрического типа движения - часто превышающего 3000 с. Хотя тяга ниже, чем у двигателей Холла при аналогичных уровнях мощности (например, 20-100 мН), экономия массы может быть существенной. Эволюционный ксеноновый двигатель НАСА (NEXT) и европейский двигатель T6 продемонстрировали срок службы 50 000 часов или более, что делает их пригодными для длительных кампаний по удалению мусора. Ионные двигатели также производят очень узкий, хорошо коллимированный луч, снижая риски загрязнения шлейфом чувствительных датчиков захвата.

Электрораспылители

Электрораспылительные или ионно-ионные двигатели используют массивы излучателей для извлечения заряженных капель или ионов из ионного жидкого или расплавленного металлического топлива. Они могут быть построены в компактных масштабируемых модулях (электрическая микродвижение), идеально подходящих для небольших спутников удаления мусора или для управления положением во время операций захвата. Их способность пульсировать на уровнях субмиллиневтона обеспечивает исключительную точность позиционирования, необходимую при захвате некооперативного объекта. В то время как все еще возникающие из лаборатории и ранней демонстрации полета (например, на миссии LISA Pathfinder), электрораспылительные двигатели обещают высокую эффективность (до 3000 с) в очень маленьком пакете.

Новые тенденции в электрическом движении для удаления мусора

Гибридные двигательные системы

Ни одна двигательная технология не удовлетворяет всем этапам миссии по удалению мусора. Гибридные архитектуры, которые объединяют электрические и химические двигатели, набирают силу: химический двигатель обеспечивает высокую тягу, необходимую для подъема орбиты и быстрых изменений плоскости, в то время как электрические двигатели обрабатывают длительные, экономичные переносы, рандеву и деорбитальные ожоги. Например, миссия ELSA-d (Astroscale) использует химическую систему для первоначальной установки орбиты и электрическую систему для операций по поддержанию и близости станции. Этот двухрежимный подход максимизирует гибкость без ущерба для экономии топлива.

Расширенные источники энергии и солнечное электрическое движение

Электрическая тяга способна только на то, чтобы обеспечить ее электропитанием. Новые тенденции включают сверхлегкие солнечные батареи (например, развёрнутые гибкие одеяла), которые обеспечивают 10-30 кВт на космическом корабле, позволяя одновременно работать двигателям Холла с более высокой тягой или многократным ионным тягачам. Солнечные элементы следующего поколения с эффективностью выше 35% (многопереходные ячейки III-V) дополнительно улучшают мощность, специфичную для массы. На борту хранение энергии с использованием литий-ионных батарей высокой плотности энергии позволяет проводить энергоемкие операции захвата с оптимальным солнечным освещением, сглаживая переходы мощности. Эти инновации непосредственно расширяют охват электрической тяги в более требовательные траектории удаления мусора.

Автономная навигация и планирование маневров с использованием ИИ

Удаление мусора требует встречи с объектами, которые часто падают непредсказуемо и не имеют совместных маяков. Длительные длительности горения электрического двигателя были бы непрактичными, если бы каждый ожог приходилось предварительно вычислять с земли. Вместо этого, недавние миссии внедряют автономные системы наведения, навигации и управления (GNC) , которые используют камеры, LiDAR и AI для оценки движения мусора и планирования передачи низкой тяги в реальном времени. Космический корабль ADRAS-J (JAXA / Astroscale) продемонстрировал автономный подход и облет вокруг сцены ракеты, используя электрическую тягу для ведения станции. Будущие системы будут сочетать модель предиктивного управления с обучением усилению для оптимизации последовательностей захвата мусора при учете ограничений тяги и давления солнечного излучения.

Смягчение взаимодействия Plume-Debris

Постоянное беспокойство по поводу электрического движения в операциях близости заключается в том, что высокоскоростные ионы от двигателя могут поражать целевой мусор, изменяя его отношение или отталкивая его. Исследования в области low-energy ion beams и divergence-reducing магнитного экранирования показывают перспективность. Например, сетчатый ионный двигатель с конструкцией с высокой проницаемостью может производить пучок с расхождением <5°, минимизируя передачу импульса на близлежащие поверхности. Кроме того, разрабатываются многорежимные двигатели, которые могут переключаться между высокоэффективными (широкий шлейф) и режимами с низкой помехой (сжатый шлейф), гарантируя, что тяга не подрывает цель захвата.

Заправка на орбите и продление жизни

Возможность заправки электрического космического буксира может значительно снизить стоимость удаленного объекта. Идея состоит в том, чтобы запустить единую сервисную платформу, которая собирает мусор, заправляется танкером и продолжает работу. OSAM-1 НАСА (ранее Restore-L) и SpaceLogistics Mission Extension Pod (MEP) являются ранними шагами к орбитальной заправке. Для электрической тяги передача топлива (обычно ксенона или криптона) создает проблемы в герметичных соединениях и давлении, но пассивные и низкоутечки конструкции клапанов созревают. Если реализовано, заправка может позволить постоянные парки удаления мусора, которые работают в течение десятилетий.

Будущий прогноз по крупномасштабному удалению мусора

Регулирующие и политические драйверы

Международные руководящие принципы, такие как Руководящие принципы ООН по смягчению космического мусора, рекомендуют утилизировать спутники в течение 25 лет после окончания срока службы. Однако соблюдение требований остается добровольным, и накопление унаследованного мусора продолжается. Новые национальные правила - например, пятилетнее правило Федеральной комиссии по связи США для деорбита - создают рынок для активных служб удаления. Агентства, такие как ЕКА, взяли на себя обязательство по миссии ClearSpace-1, которая будет использовать двигатель эффекта Холла для захвата и деорбитирования 100-килограммового адаптера полезной нагрузки. По мере увеличения нормативного давления спрос на надежные электрические двигательные системы ADR будет расти.

Масштабирование через распределенные архитектуры

Вместо того, чтобы отправлять один большой космический корабль для удаления многих крупных объектов, непреодолимой тенденцией является использование распределенных малых спутников . Созвездия малых спутников для удаления мусора, каждый из которых оснащен компактным электрораспылителем, могут нацеливаться на несколько объектов среднего размера. Концепция iBOSS (интеллектуальные строительные блоки для обслуживания на орбите) и миссия DEOS (Германия) изучают модульные подходы, где электрическая тяга обеспечивает тонкий контроль, необходимый для стыковки со стандартизированными интерфейсами. Эта масштабируемость может снизить стоимость за одну миссию и ускорить сроки очистки.

Синергия с производством и сборкой в космосе

Длительное электрическое движение предназначено не только для удаления мусора - оно также позволяет орбитальную сборку более крупных конструкций. Поскольку многоразовые ракеты снижают затраты на запуск, способность перемещать строительные блоки на место с эффективной солнечной электрической силовой установкой становится привлекательной. Та же технология двигателя, которая собирает и деорбитирует мусор, может быть позже перепрофилирована для строительства больших телескопов или заправочных складов. Эта заслуга двойного использования может ускорить инвестиции в мощные электрические двигательные установки, принося пользу непосредственному удалению мусора.

Таким образом, электрическая двигательная установка переходит от нишевой технологии к краеугольному краю активного удаления мусора. С дальнейшими достижениями в двигателях Холла, ионных и электрораспылительных двигателях; автономных ГНК и энергетических системах в ближайшее десятилетие, вероятно, будет наблюдаться первая волна оперативных миссий, которые активно удаляют опасный мусор. Эти системы не только защитят существующие космические активы, но и создадут основу для устойчивой орбитальной среды - той, где электрическая двигательная установка обеспечивает точность и эффективность, необходимые для обеспечения безопасности космоса для будущих поколений.

Внешние связи:
] ESA — О космических мусорах
NASA — OSAM-1 Mission Overview
Астромасштаб — ELSA-d Mission

SpaceNews — ADRAS-J Debris Inspection