cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-5-80-92caht-2068Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРазработка модели утилизации космического мусора при сжигании в атмосфереDevelopment of a model for the disposal of space debris during combustion in the atmosphereФеоктистоваО. Г.FeoktistovaO. G.

Феоктистова Оксана Геннадьевна, доктор технических наук, доцент, заведующая кафедрой вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

г. Москва

Oksana G. Feoktistova, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Computing Machinery, Complexes, Systems and Networks Chair

Moscow

oksana-feoktistova@yandex.ruТуркинаИ. И.TurkinaI. I.

Туркина Ирина Игоревна, инженер-конструктор НПО «Молния», студентка аэрокосмического факультета

г. Москва

Irina I. Turkina, Design Engineer of SPA “Molniya”, Student of the Aerospace Faculty

Moscow

iraturkina2000@mail.ruМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет); НПО «Молния»РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); SPA ”Molniya”Russian Federation2022021120222558092Copyright © Феоктистова О.Г., Туркина И.И., 20222022Феоктистова О.Г., Туркина И.И.Feoktistova O.G., Turkina I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2068

В связи с увеличивающимся использованием космического пространства актуальной проблемой становится вопрос утилизации космического мусора (КМ). Из известных способов утилизации (с использованием солнечного паруса, сопротивления атмосферы, электродинамической тросовой системы, лазера, ионного потока, гравитационного уборщика, контактного метода) в статье акцентируется внимание на способе сжигания космического мусора в атмосфере Земли путем его зацепления специальным аппаратом для сбора космического мусора и выдачи импульса мусоросборщиком для схода с орбиты, имеющей определенные параметры. На основе методик расчета траекторий спуска объекта на внеатмосферном и атмосферном участках, а также теплового расчета разработана математическая модель в системе Mathcad для расчета времени, которое требуется для полного уничтожения космического мусора в атмосфере Земли. Проведен сравнительный анализ по накопленному тепловому потоку, а также по продолжительности и высоте, на которой сгорит космический мусор, содержащий алюминий либо такие тугоплавкие металлы, как титан и вольфрам. Определены и оценены высоты, оптимальные для сжигания КМ. Они приемлемы по критерию безопасности населения. В результате проведенного вычислительного эксперимента выявлено, что космический мусор из алюминиевого сплава массой 10 кг сгорает на высоте 94,9 км, из титана 17 кг сгорает на высоте 94,7 км, из вольфрама 73 кг сгорает на высоте 97,7 км. Таким образом, данная модель позволяет разделить существующие объекты космического мусора на те, которые смогут сгореть в атмосфере до достижения заданной высоты (не достигнув поверхности земли), и на те, к которым необходимо применять другие методы для очистки космического пространства от мусора.

Due to the increasing use of outer space, the issue of space debris disposal (SD) is becoming an urgent problem. Of the known disposal methods (using a solar sail, atmospheric resistance, electrodynamic cable system, laser, ion flow, gravitational cleaner, contact method), the article focuses on the method of burning up space debris in the Earth’s atmosphere by engaging it with a special device for collecting SD and impulse emitting by a debris collector to deorbit with certain parameters. Based on the methodologies of computing the trajectories of the object descent via the extra-atmospheric and atmospheric areas, as well as heat calculation, a mathematical model was developed in the Mathcad system to calculate the timespan required for the complete destruction of SD in the Earth's atmosphere. A comparative analysis was carried out on the accumulated heat flux, as well as on the duration and altitude at which SD, containing aluminum or refractory metals such as titanium and tungsten, will burn up. The altitudes optimal for burning up SD were determined and evaluated. They are acceptable according to the criterion of public safety. The conducted computational experiment revealed that SD made of an aluminum alloy weighing 10 kg burns up at an altitude of 94.9 km, a 17 kg titanium piece burns at an altitude of 94.7 km, a 73 kg tungsten piece does at an altitude of 97.7 km. Thus, this model allows us to classify the existing SD objects into those that can burn up in the atmosphere before reaching a given altitude (not reaching the Earth’s surface), and those that require the employment of other methods to clean space from debris.

космический мусорвычислительная модельтраектория спускатепловой расчетпродолжительность сжиганияspace debriscomputational modeldescent trajectoryheat calculationduration of combustionReferencesКузнецов С. Мусорный пояс. Сколько обломков космических аппаратов находится на орбите и как их оттуда убрать [Электронный ресурс] // nplus1.ru. 2018. URL: https://nplus1.ru/material/2018/04/03/spacedebris (дата обращения: 20.04.2022).Kuznetsov, S. (2018). [Garbage belt. How many pieces of spacecraft are in the orbit and how to remove them from there]. nplus1.ru. Available at: https://nplus1.ru/material/2018/04/03/space-debris (accessed: 20.04.2022). (in Russian)Клюшников В.Ю. Синдром Кесслера: будет ли закрыта дорога в космос? // Воздушно-космическая сфера. 2021. № 4. С. 32–43. DOI:10.30981/2587-7992-2021-1094-32-43Klyushnikov, V.Yu. (2021). Kessler's syndrome: will the road to space be closed? Aerospace Sphere Journal, no. 4, pp. 32–43. (in Russian)Проектирование самолетов / Под ред. М.А. Погосяна. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Инновационное машиностроение, 2018. 864 с.Poghosyan, M.A. (Ed.). (2018). [Aircraft design]. 5th ed., reprint and add. Moscow: Innovatsionnoye mashinostroyeniye, 864 p. (in Russian)Yasuhiro A., Ryuta N., MakotoT. Development of bumper shield using low density materials // International Journal of Impact Engineering. 2001. Vol. 26, iss. 1-10. Pp. 13–19. DOI:10.1016/S0734743X(01)00069-0Yasuhiro, A., Ryuta, N. & Makoto, T. (2001). Development of bumper shield using low density materials. International Journal of Impact Engineering, vol. 26, issue 1-10, pp. 13–19. DOI:10.1016/S0734743X(01)00069-0Белоконов И.В. Расчет баллистических характеристик движения космических аппаратов: учеб. пособие. Самара: Самар. аэрокосм. ун-т, 1994. 76 с.Belokonov, I.V. (1994). [Ballistic characteristics calculation of spacecraft motion: Textbook]. Samara: Samarskiy aerokosmicheskiy universitet, 76 p. (in Russian)Дугин Д.А. Перелетный модуль и спускаемый на Венеру аппарат // Политехнический молодежный журнал. 2017. № 8. С. 3. DOI:10.18698/2541-8009-2017-8-154Dugin, D.A. (2017). Flight module and Venus entry vehicle. Politechnical Student Journal, no. 8, p. 3. DOI:10.18698/2541-8009-2017-8-154 (in Russian)Гарбузов В.М. Аэромеханика: учебник для вузов / В.М. Гарбузов, А.Л. Ермаков, М.С. Кубланов, В.Г. Ципенко. М.: Транспорт, 2000. 286 с.Garbuzov, V.M., Ermakov, A.L., Kublanov, M.S. & Tsipenko, V.G. (2000). [Aeromechanics: Studies for university students]. Moscow: Transport, 286 p. (in Russian)Константинов М.С. Механика космического полета: учебник для втузов / М.С. Константинов, Е.Ф. Каменков, Б.П. Перелыгин, В.К. Безвербый, под ред. В.П. Мишина. М.: Машиностроение, 1989. 406 с.Konstantinov, M.S., Kamenkov, Ye.F., Perelygin, B.P. & Bezverbyy, V.P. (1989). [Mechanics of space flight: Studies for higher education institutions], in Mishin V.P. (Ed.). Moscow: Mashinostroyeniye, 406 p. (in Russian)Ярошевский В.А. Вход в атмосферу космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1988. 336 с.Yaroshevskiy, V.A. (1988). [Entry into the atmosphere of space aircraft]. Moscow: Nauka, 336 p. (in Russian)Балк М.Б. Элементы динамики космического полета. М.: Наука, 1965. 340 с.Balk, M.B. (1965). [Elements of space flight dynamics]. Moscow: Nauka, 340 p. (in Russian)Мирер С.А. Механика космического полета. Орбитальное движение: учеб. пособие. М.: Резолит, 2007. 108 с.Mirer, S.A. (2007). [Mechanics of space flight. Orbital motion: Textbook]. Moscow: Rezolit, 108 p. (in Russian)Краснов Н.Ф. Аэродинамика. В 2-х тт. Т. 1: Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. 496 с.Krasnov, N.F. (1980). [Aerodynamics. In 2 vols. Vol. 1: Fundamentals of theory. Airfoil and wing aerodynamics]. 3 rd ed., pererab. i dop. Moscow: Vyshaya shkola, 496 p. (in Russian)Бочкарев А.Ф., Андреевский В.В., Белоконов В.М. и др. Аэромеханика самолета: Динамика полета: учебник для авиационных вузов / Под ред. А.Ф. Бочкарева, В.В. Андреевского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 360 с.Bochkarev, A.F., Andreevskiy, V.V., Belokonov, V.M. et al. (1985). [Aircraft aeromechanics: flight dynamics: a textbook for aviation universities], in Bochkarev A.F., Andreevskiy V.V. (Ed.). 2nd ed., pererab. i dop. Moscow: Mashinostroyeniye, 360 p. (in Russian)Макаров В. Марсианский вертолет Ingenuity возвращается в точку своего первого вылета [Электронный ресурс] // Techinsider.ru. 2021. URL: https://www.techinsider.ru/technologies/772493marsianskiy-vertolet-ingenuityvozvrashchaetsyav-tochku-svoego-pervogovyleta/ (дата обращения: 04.04.2022).Makarov, V. (2021). [Martian helicopter ingenuity returns to the point of its first flight]. Techinsider.ru. Available at: https://www.popmech.ru/technologies/772493-marsianskay-vertolet-ingenuityvozvrashchaetsya-v-tochku-svoego-pervogovyleta/ (accessed: 04.04.2022). (in Russian)Федорченко Е.А., Никитин П.В. Теплои массообмен на проницаемой поверхности системы тепловой защиты спускаемого космического аппарата малой формы [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2012. № 50. 21 с. URL: chromeextension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/ https://trudymai.ru/upload/iblock/ce8/teplo-_-imassoobmenna-pronitsaemoy-poverkhnostisistemyteplovoy-zashchity-spuskaemogokosmicheskogoapparata-maloyformy.pdf?lang=ru&issue=50 (дата обращения: 04.04.2022).Fedorchenko, E.A. & Nikitin, P.V. (2012). Heat and mass exchange on a permeable surface of the system of the thermal protection of the descent vehicle of the spacecraft small form. Trudy MAI, no. 50, 21 p. Available at: chromeextension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/ https://trudymai.ru/upload/iblock/ce8/teplo-_-imassoobmen-na-pronitsaemoy-poverkhnostisistemy-teplovoy-zashchity-spuskaemogokosmicheskogo-apparata-maloyformy.pdf?lang=ru&issue=50 (accessed: 04.04.2022). (in Russian)Сотник Е.В., Никитин П.В. Катализ и излучение в системах тепловой защиты космических аппаратов. М.: Янус-К, 2013. 336 с.Sotnik, Ye.V. & Nikitin, P.V. (2013). [Catalysis and radiation in the systems of thermal protection of spacecraft]. Moscow: Yanus-K, 336 p. (in Russian)Полежаев Ю.В., Фролов Г.А. Тепловое разрушение материалов: монография / Под ред. академика НАН Украины В.В. Скороходова. Киев: Из-во ИМП НАНУ, 2005. 288 с.Polezhaev, Yu.V. & Frolov, G.A. (2005). [Thermal destruction of materials: Monography], in Academician of the NAN of Ukraine Skorokhodov V.V. (Ed.). Kiev: Izdatestvo IMP NANU, 288 p. (in Russian)Reznik S.V. Thermal-vacuum tests of hollow composite rods intended for structures in space / S.V. Reznik, O.V. Denisov, P.V. Prosuntsov, V.P. Timoshenko, A.V. Shulyakovskii // Polymer Science. Series D. 2013. Vol. 6, no. 3. Pp. 242–245. DOI:10.1134/S1995421213030192Reznik, S.V., Denisov, O.V., Prosuntsov, P.V., Timoshenko, V.P. & Shulyakovskii, A.V. (2013). Thermal-vacuum tests of hollow composite rods intended for structures in space. Polymer Science. Series D, vol. 6, no. 3, pp. 242–245. DOI:10.1134/S1995421213030192Бодня И.С., Тимошенко В.П. Численное моделирование тепловых режимов передней кромки крыла возвращаемого космического аппарата // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2018. Т. 19, № 1. С. 7–21. DOI:10.22363/2312-8143-2018-19-17-21Bodnya, I.S. & Timoshenko, V.P. (2018). Numerical modeling of a wing leadingedge thermal regimes for a reusable space vehicle. RUDN Journal of Engineering Research, vol. 19, no. 1, pp. 7–21. DOI:10.22363/2312-8143-2018-19-1-7-21 (in Russian)Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 390 с.Polezhaev, Yu.V. & Yurevich, F.B. (1976). [Thermal protection]. Moscow: Energiya, 390 p. (in Russian)Денисов О.В., Калинин Д.Ю., Резник С.В. Моделирование температурного состояния элементов композитных стержневых космических конструкций // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2008. № S. С. 183–192.Denisov, O.V., Kalinin, D.Yu. & Reznik, S.V. (2008). [Modeling of the temperature state of composite rod space structures elements]. Vestnik MGTU im. N.Ye. Baumana. Seriya Mashinostroyeniye, no. S, pp. 183–192. (in Russian)Резник С.В., Калинин Д.Ю. Моделирование тепловых режимов крупногабаритных космических конструкций: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 52 с.Reznik, S.V. & Kalinin, D.Yu. (2003). [Thermal regimes simulation of large space structures: Tutorial]. Moscow: Izdatelstvo MGTU im. N.Ye. Baumana, 52 p. (in Russian)Lyndon B. Handbook for designing MMOD Protection. Texas: NASA, 2009. 135 p.Lyndon, B. (2009). Handbook for designing MMOD Protection. Texas: NASA, 135 p.Кушнер В.С. Материаловедение: учебник для вузов / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртлаздзе, Д.А. Негров, О.Ю. Бургонова, под ред. В.С. Кушнера. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. 232 с.Kushner, V.S., Vereshchaka, A.S., Skhirtlazdze, A.G., Negrov, D.A. & Burgonova, O.Y. (2008). [Materials Science: studies. For university students], in Kushner V.S. (Ed.). Omsk: Izdatelstvo OmGTU, 232 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.