КРД-КМ - космический двигатель на мелком космическом мусоре

В последнее время весьма актуальной становится проблема накопления в околоземном пространстве космического мусора (КМ), особенно мелкого, значительно осложняющего дальнейшую космическую деятельность.

Данная проблема рассматривалась, в частности, в рамках Всероссийской научной конференции с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы» 17-19 апреля 2019 г. в Институте космических исследований РАН, г. Москва.

На конференции автором была представлена концепция рациональной утилизации мелкого космического мусора для организации межорбитальных маневров космических аппаратов (КА) с использованием кинетического реактивного двигателя (КРД) на космическом мусоре - КРД-КМ [1].

Концепция КРД ранее изложена в ряде работ и окончательно сформулирована в виде кинетического паруса Подвысоцкого-Панова [2].

Предложенная конструкция принципиально подобна концепции импульсного ядерного ракетного двигателя с парусом, разработанной в США в рамках проекта «Медуза» [3], основанной на осуществлении взрыва в фокусе паруса, с последующей передачей импульса расширяющихся продуктов взрыва внутренней рабочей поверхности паруса. При достаточно большой площади паруса при этом динамическая и тепловая нагрузка на его конструкцию не превышает допустимых значений для применяемых конструкционных материалов.

Кинетический парус предполагает использование энергии не ядерного, а кинетического взрыва, в классической модели В.В. Подвысоцкого – при управляемом столкновении специализированных космических аппаратов – «зондов» с располагаемыми в фокусе паруса «мишенями» [2]. В случае утилизации КМ в КРД функцию «зондов» выполняют фрагменты КМ, а мишень расположена на борту КА. При этом наиболее вероятным вариантом применения КРД являются одноимпульсные межорбитальные перелеты, хотя с использованием дополнительных двигательных установок КА с КРД и гравитационных маневров возможны их дальнейшие перелеты в Солнечной системе и за ее пределы.

При лобовом столкновении фрагмента КМ с мишенью при их встречном движении с орбитальными скоростями удельная кинетическая энергия столкновения составит порядка 1,3х10^8 Дж. При удельной теплоте сгорания традиционных химических ракетных топлив порядка 10^7 Дж/кг использование 1 кг КМ и 1 кг мишени на борту КА энергетически эквивалентно использованию для аналогичного маневра 10-15 кг топлива на борту КА, а с учетом эффективности средств выведения – более 500 кг стартовой массы носителя. В этом случае утилизация КМ в КРД, в отличие от большинства известных методов, является экономически целесообразной, и может быть коммерциализирована при осуществлении космической деятельности, в т.ч. относительно небольшими частными компаниями.

Использование неуправляемых фрагментов КМ в КРД вместо управляемых «зондов» требует исключительно точных данных об их массе и координатах. Но решение данной задачи для всего массива КМ в околоземном пространстве в любом случае является актуальным для ближайшего времени – как минимум для обеспечения заблаговременных маневров уклонения особо ценных КА.

Преимуществами КРД по сравнению с импульсными ядерными ракетными двигателями типа «Медуза», помимо отсутствия формальных юридических запретов на их практическую реализацию, является исключение радиационного воздействия взрыва на конструкцию и полезную нагрузку, а также отсутствие ограничений на минимальную мощность кинетического взрыва (в отличие от ядерного взрыва). Последнее не только значительно упрощает экспериментальную летную отработку КРД, но и позволяет использовать мелкие фрагменты КМ для межорбитальных перелетов сверхлегких КА, в т.ч. нового типа StarChip единичной массой порядка 5-10 г [4]. К данному классу, в частности, относятся современные прототипы KickSat Sprite и AmbaSat (последний проект также реализуется за счет краудфандинга, сбор средств был успешно завершен в середине половине 2019 г.). Помимо техногенного КМ, возможно использование подобным образом и фрагментов естественного КМ – мелких метеороидных тел.

Основной технической проблемой при этом является выбор материала мишени с достаточно высокой скоростью детонационного горения и полнотой газификации, обеспечивающего полную безосколочную газификацию мишени при контакте с фрагментом КМ в пределах рабочего объема отражателя КРД, а также высокую степень передачи кинетической энергии фрагмента КМ продуктам газификации мишени.

В качестве современных прототипов материала мишени КРД могут рассматриваться такие взрывчатые вещества, как тринитротолуол, со скоростью детонационного горения более 7 км/с.

В ближайшие годы возможен лавинообразный рост численности КА формата StarChip в качестве общедоступных устройств - "гаджетов", принадлежащих как государственным и коммерческим организациям, так и широкому кругу частных лиц – по аналогии с ростом рынка персональных компьютеров или мобильных телефонов. Для обеспечения их межорбитальных маневров с помощью КРД может потребоваться не только целенаправленное дробление крупных фрагментов КМ на более мелкие, но и доставка дополнительного материала – например, мелких фрагментов лунного грунта с помощью направленных взрывов.

1. Д.А. Новосельцев О возможности рациональной утилизации фрагментов околоземного космического мусора с использованием кинетических ракетных двигателей. Всероссийская научная конференция с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы». 17-19 апреля 2019. Сб. тез. С. 82. http://www.inasan.ru/wp-content/uploads/2019/04/Abstract-book.pdf .

2. В.В. Подвысоцкий. Некоторые способы использования космического паруса. http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/articles/86.pdf.

3. Johndale C. Solem. “Some New Ideas for Nuclear Explosive Spacecraft Propulsion,” LA-12189-MS, October 1991. https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00189777.pdf.

4. http://breakthroughinitiatives.org/news/12

Первый этап проекта, для которого осуществляется сбор средств, предусматиривает подтверждение работоспособности концепции и выбор материалов и конструкции мишени - основного элемента КРД.

После этого станет возможным привлечение институтов развития к созданию экспериментального прототипа.

Концепция проекта была впервые представлена 19 апреля 2019 г. на Всероссийской научной конференции с международным участием "Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы" в ИКИ РАН, г. Москва, и в целом получила поддержку.

Тезисы доклада доступны по ссылке:http://www.inasan.ru/wp-content/uploads/2019/04/Abstract-book.pdf (с. 82).
Презентация с описанием проекта доступна по ссылке: https://cloud.mail.ru/public/4bL1/5f3obQtCU