PL B1. Satelita do niszczenia mikro i małych obiektów kosmicznych oraz sposób ich niszczenia

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. B64G 1/68 ( ) B64G 1/56 ( ) B64G 1/22 ( ) (54) Satelita do niszczenia mikro i małych obiektów kosmicznych oraz sposób ich niszczenia (73) Uprawniony z patentu: NOWICKI KRZYSZTOF BIURO USŁUG TECHNICZNYCH, Łężany, PL WRONKA KRZYSZTOF, Płock, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 12/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/17 (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF WRONKA, Płock, PL MACIEJ NOWICKI, Lublin, PL ROBERT LAWERA, Krosno, PL JERZY PESZ, Krosno, PL KRZYSZTOF WARCHOŁ, Krosno, PL KRZYSZTOF NOWICKI, Łężany, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Maciej Nowicki PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest satelita do niszczenia mikro lub małych obiektów kosmicznych w postaci śmieci kosmicznych o rozmiarach mikro lub mało gabarytowych (< 10 cm 3 ) krążących po orbicie planet, księżyców oraz mikrometeoryty znajdujący się w orbicie wokołosłonecznej oraz chroniąca przed promieniowaniem powstałym w wyniku rozbłysku słonecznego. Dodatkowo przedmiotem wynalazku jest sposób niszczenia ww. obiektów. Z opisu patentowego nr GB znane jest urządzenie do ochrony satelitów kosmicznych przed szczątkami zawierające tarczę osłonową. Urządzenie zawiera środki do mocowania urządzenia do konstrukcji osłony sondy, oraz urządzenie napędowe do pozycjonowania jednostki tarczy w odniesieniu do korpusu sondy. Urządzenie napędowe umożliwia przemieszczenie osłony między pierwszym położeniem złożonym i drugim położeniem rozłożonym, w którym osłona leży w płaszczyźnie, pod kątem do korpusu sondy. Z opisu zgłoszenia patentowego nr US znane jest urządzenie do wyławiania kosmicznego śmiecia zawierające korpus oraz co najmniej jedną linę, jako środek do wychwytywania bardzo dużych obiektów (satelity, puste zbiorniki ostatnich członów rakiet itp.) tworzących zanieczyszczenia przestrzeni kosmicznej, która jest połączona z korpusem. Co najmniej jedna lina posiada zaczep do zawijania się wokół śmiecia kosmicznego. Zaczep jest zbudowany tak, aby po zawinięciu się wokół śmiecia kosmicznego wytwarzał siłę tarcia, która jest wystarczająca do holowania śmiecia. Z opisu patentowego nr US znany jest system zarządzania usuwaniem śmieci kosmicznych i sposób jego działania. System składa się z ramy z wieloma kształtownikami oraz wielu mikro napędów połączonych z kształtownikami sieci skonfigurowanych tak aby kształtowniki mogły zostać wysunięte w stosunku do ramy w taki sposób aby rozłożone zostały części sieci. Wymienione części sieci współpracują w celu utworzenia sieci skonfigurowanej do przechwytywania przestrzeń zanieczyszczenia. W opisie patentowym nr US przedstawiono specjalną osłonę statków kosmicznych. Przy zetknięciu z tą tarczą meteoryt eksplodował, nie powodując zniszczeń, w statku kosmicznym. Ulepszona wersja tej osłony została przedstawiona w opisie patentowym nr US Radar Space Fence stanowi zespół trzech radarów bardzo wysokiej częstotliwości, rozmieszczonych w Teksasie, Alabamie i Arizonie używających fal o długości 1 10 cm, czyli pracują w tak zwanym paśmie S spektrum elektromagnetycznego. Nie jest to proste, bowiem im mniejszy obiekt ma być wykrywany, przy pomocy takiego radaru, tym większe są zakłócenia ze strony szumów radiowych generowanych przez zakłócenia atmosferyczne. Sygnały te zaburzają odbicia zwrotne od obiektów tworząc fałszywe echa na ekranie. Mehrholz D. L, Leushacke, W. Flury, R. Jehn, H. Klinkrad, M. Landgraf w artykule "Detecting, Tracking and Imaging Space Debris", esa bulletin 109, February 2002 opisali system monitorujący (Space Command/NORAD), który wykrywa duże obiekty kosmiczne. Zazwyczaj pozwala to załodze międzynarodowej stacji kosmicznej na podjęcie manewru ominięcia śmieci kosmicznych o nazwie PDAM (ang. Pre-Determined Debris Avoidance Maneuver), poprzez dokonanie odpowiedniej korekty orbity. Projekt NEOSTED realizowany jest w ramach prowadzonego przez ESA programu SSA (Space Situation Awerness). Program SSA dzieli się na segmenty: monitorowania pogody kosmicznej (Space Weather SWE), 30 śledzenia obiektów naturalnych, takich jak asteroidy i komety (Near-Earth Objects NEO) oraz śledzenia aktywnych i nieaktywnych satelitów, stacji kosmicznych i śmieci kosmicznych (Space Surveillance and Tracking SST). Amerykańska sieć obserwacyjna Space Surveillance Network wykorzystuje zarówno technikę radarową, jak i teleskopy optyczne na całym świecie do nadzorowania ruchów obiektów większych niż 10 cm i co jakiś czas aktualizuje ich orbity. W artykule Ben Greene pt "Laser Tracking of Space Debris" Electro Optic Systems Pty Limited opisano system laserowy do monitorowania w przestrzeni kosmicznej położenia gruzu o małej wielkości (ok. 1 cm). Celem wynalazku jest oczyszczenie przestrzeni orbitalnej z mikro i małych obiektów, krążących po orbitach stanowiących zagrożenie dla statków kosmiczne, stacje orbitalne, satelity oraz stanowiących zagrożenie dla kosmonautów podczas spaceru kosmicznego.

3 PL B1 3 Kolejnym celem jest ochrona stacji orbitalnych, satelitów oraz teleskopów kosmicznych przed uszkodzeniami spowodowanymi mikro i małymi śmieciami kosmicznymi oraz mikrometeorami a także ochrona ich przed promieniowaniem w wyniku rozbłysków słonecznych (wiatrem słonecznym). Istotą satelity do usuwania obiektów kosmicznych i ochrony przed promieniowaniem, według wynalazku posiadający kadłub, główny silnik rakietowy, manewrowe silniki rakietowe i tarczę jest to, że w tylnej części kadłuba znajduje się główny silnik rakietowy, zaś w bocznych częściach kadłuba znajdują się silniki manewrowe, natomiast do przedniej części kadłuba zamocowana jest ruchomo, pancerna płyta w sposób umożliwiający jej ułożenie pod kątem w stosunku do kadłuba. Korzystnie pancerna tarcza zamontowana jest do kadłuba za pomocą elementów ruchomych, siłowników i elementów łączących. Tarcza może składać się z kilku części. Satelita może posiadać radar. Tarcza może mieć postać płaskiej płyty. Tarcza wykonana jest z materiału pochłaniającym promieniowanie rozbłysków słonecznych, wiatru słonecznego. Tarcza posiada powierzchnie z materiału o dużej wytrzymałości, pochłaniającym duże energię kinetyczną oraz cieplną. Istotą sposobu niszczenia, mikro i małych śmieci kosmicznych oraz mikrometeorytów według wynalazku jest to, że za pomocą radaru lub sieci radarów do wykrywania obiektów kosmicznych wykrywa się obiekt kosmiczny w postaci śmiecia kosmicznego albo mikrometeorytu znajdującego się w orbicie wokołosłonecznej lub orbicie ziemskiej i ustala się jego rozmiar oraz trajektorie lotu i prędkość V przemieszczania się. Następnie za pomocą programu komputerowego określa się sposób postępowania i jeśli obiekt kosmiczny posiada objętość mniejszą od objętości granicznej i porusza się z prędkością większą od prędkości granicznej to przemieszcza się satelitę, i ustawia się tarczę tak aby kąt pomiędzy wektorem prędkości V a powierzchnią czołową tarczy był równy 90 ± 5. Doprowadza się do zderzania, natomiast jeśli obiekt posiada objętość mniejszą od objętości, granicznej i porusza się z prędkością większą od prędkości granicznej to przemieszcza się satelitę i ustawia się tarczę tak aby kąt pomiędzy wektorem prędkości V a powierzchnią czołową tarczy wynosił od 5 do 85 i doprowadza się do zderzania. Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest ochrona życia astronautów przebywających na stacjach kosmicznych poprzez odpowiednie ustawienie satelita do usuwania śmieci kosmicznych przy stacjach orbitalnych i chronić je przed skutkami uderzeń mikro i średnich śmieci kosmicznych. Korzystna jest także ochrona cennych obiekty przed uszkodzeniem lub zniszczeniem, które są umieszczone na orbitach takich jak satelity telekomunikacyjne, obserwacyjne, kosmiczne teleskopy itp. Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest uwidoczniony na schematycznym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia satelitę w widoku z boku w pierwszym przykładzie działania odbijania obiektów, fig. 2 satelitę w widoku z boku w drugim przykładzie działania niszczenie obiektu, fig. 3 satelitę w przykładzie zastosowania. P r z y k ł a d 1 Satelita do niszczenia mikro i małych obiektów kosmicznych 7 znajdował się, w sąsiedztwie telekomunikacyjnego satelity geostacjonarnego. Za pomocą radaru 5 znajdującego się na satelicie do niszczenia mikro i małych obiektów kosmicznych 7 wykryto mikro obiekt kosmiczny 7 w postaci mikrometeorytu, którego tor lotu, przecinał się z telekomunikacyjnym satelitą geostacjonarnym. Obiekt kosmiczny 7 posiadał objętości 0,5 mm 3 i poruszał się z prędkością zależną od orbity 6 12 km/s. Za pomocą programu komputerowego obliczono, że zderzenie tego obiektu 7 z tarczą 4 pod kątem pomiędzy wektorem prędkości V obiektu kosmicznego 7 a powierzchnią czołową tarczy 4 równym 90, doprowadzi do zniszczenia obiektu 7, w skutek zjawiska sublimacji. Następnie za pomocą głównego silnika rakietowego 2 oraz silników manewrowych 3 ustawiono satelitę tak, aby tor ruchu obiektu 7 przecięło się z czołową powierzchnią tarczy 4 i ustawiono ją pod kątem pomiędzy tarczą 4 a torem ruchu obiektu kosmicznego 7 równym 90, doprowadzając do zderzenia. Obiekt 7 w skutek zjawiska sublimacji i jonizacji zamienił się w całości w plazmę 8 rozproszoną w przestrzeni. P r z y k ł a d 2 Za pomocą systemu radarowego wykryto mikro obiekt kosmiczny 7 na wysokości 800 km o objętości 6 cm 3 poruszającego się z prędkością 400 m/s. Za pomocą programu komputerowego obliczono, że zderzenie tego obiektu 7 z tarczą 4 pod kątem pomiędzy wektorem prędkości V obiektu kosmicznego 7 a powierzchnią czołową tarczy 4 równym 90, doprowadzi do rozbicia go na drobne elementy. W związku z tym obliczono, że doprowadzenie do zderzenia obiektu kosmicznego 7 z tarczą 4 ułożoną pod kątem pomiędzy wektorem prędkości V obiektu kosmicznego 7 a powierzchnią czołową tarczy 4 równym 60, doprowadzi do odbicia obiektu kosmicznego 7 w stronę atmosfery Ziemskiej, Obliczono również, że nowy tor lotu obiektu 7 po odbiciu od tarczy 4, nie przetnie się z żadnym innym

4 4 PL B1 obiektem kosmicznym, krążącym po orbicie Ziemskiej. Następnie za pomocą głównego silnika rakietowego 2 oraz silników manewrowych 3 dostosował prędkość oraz ustawiono satelitę tak, aby tor ruchu obiektu 7 przecięło się z czołową powierzchnią tarczy 4 i ustawiono ją pod kątem pomiędzy tarczą 4 a torem ruchu obiektu kosmicznego 7 równym 60, doprowadzając do zderzenia. Obiekt 8 został odbity od tarczy 4 i spalił się w atmosferze Ziemskiej, Satelity do usuwania obiektów w postaci mikro i małych śmieci kosmicznych oraz mikrometeorytów są również umieszczane na orbicie planet i ich księżycu w grupach, które tworzą z góry zaprogramowaną formację: do usuwania obiektów w postaci mikro i małych śmieci kosmicznych oraz mikrometeorytów, niemożliwych do wykrycia. Kolejne zastosowanie satelity do usuwania obiektów kosmicznych i ochrony polega na, umieszczaniu go w sąsiedztwie obiektów takich jak wszelkiego typu satelity, załogowe stacje orbitalne, orbitalne hotele itp., w celu ich ochrony przed śmieciami kosmicznymi. Likwidują takie zagrożenia jak uszkodzenie lub zniszczenia obiektów a także ochrona życia astronautów przebywających na stacjach orbitalnych. Satelity do usuwania obiektów kosmicznych w postaci mikro i małych śmieci kosmicznych oraz mikrometeorytów ma również zastosowanie do ochrony przed negatywnymi skutkami rozbłysków słonecznych, które emitują ogromne ilości energii w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumienie cząstek. Ochrona ta polega na, umieszczeniu jednego lub kilku tego typu satelitów w odpowiedniej odległości od chronionego obiektu zwróconych tarczą w kierunku rozbłysku. Materiał z którego zbudowana, lub którym jest pokryta tarcza (kompozyty na bazie materiałów o dużej gęstości takich jak ołów, stal, wolfram iryd oraz temu pochodne) pochłania promieniowanie powstałe w wyniku rozbłysku słonecznego tworząc, cień, za którym może bezpiecznie skryć się każdy obiekt taki jak satelita, załogowa stacja kosmiczna, orbitalne hotele itp. Należy również wspomnieć, że zjawisko powstawania plazmy zachodzi na skutek wzrostu temperatury. Pod wpływem wzrostu temperatury -cząsteczki uzyskują coraz większą energię, więc dochodzi między nimi do coraz większej ilości, zderzeń nieelastycznych. Do powstania plazmy potrzebne jest odpowiednie ciśnienie przez co powstaje właściwa temperatura a więc i warunki do powstania, plazmy. Takie warunki spełnia również energia kinetyczna powstająca podczas zderzeń z dużymi prędkościami np. uderzenie małego kosmicznego śmiecia czy mikrometeorytu w inny obiekt kosmiczny na orbitach km z prędkościami 7,8 km/s 11 km/s w zależności od orbity. Ze względu na temperaturę w wyniku zderzeń w warunkach próżni kosmicznej wytwarzana będzie plazma zimna. Prędkość meteoroidów mieści się w przedziale od 10 do 70 km/s. Zastrzeżenia patentowe 1. Satelita do usuwania obiektów kosmicznych i ochrony przed promieniowaniem, posiadający kadłub (1), główny silnik rakietowy (2), manewrowe silniki rakietowe (3) i tarczę (4), znamienna tym, że w tylnej części kadłuba (1) znajduje się główny silnik rakietowy (2), zaś w bocznych częściach kadłuba (1) znajdują się silniki manewrowe (3), natomiast do przedniej części kadłuba zamocowana jest ruchomo, pancerna płyta (4) w sposób umożliwiający jej ułożenie pod kątem w stosunku do kadłuba (1). 2. Satelita według zastrz. 1, znamienna tym, że pancerna tarcza (4) zamontowana jest do kadłuba (1) za pomocą elementów ruchomych, siłowników (6) i elementów łączących. 3. Satelita według zastrz. 1 2, znamienna tym, że tarcza (4) składa się z kilku części. 4. Satelita według zastrz. 1 3, znamienna tym, że posiada radar (5). 5. Satelita według zastrz. 1 4, znamienna tym, że tarcza (4) ma postać płaskiej płyty. 6. Satelita według zastrz. 1 5, znamienna tym, że tarcza (4) wykonana jest z materiału pochłaniającym promieniowanie rozbłysków słonecznych wiatru słonecznego. 7. Satelita według zastrz. 1 8 znamienna tym, że tarcza (4) posiada powierzchnie z materiału o dużej wytrzymałości, pochłaniającym duże energię kinetyczną oraz cieplną. 8. Sposób niszczenia mikro i małych śmieci kosmicznych oraz mikrometeorytów, znamienny tym, że za pomocą radaru (5) lub sieci radarów do wykrywania, obiektów kosmicznych wykrywa się obiekt kosmiczny (7) w postaci śmiecia kosmicznego albo mikrometeorytu znajdującego się w orbicie wokołosłonecznej lub orbicie ziemskiej i ustala się jego rozmiar oraz trajektorie lotu i prędkość V przemieszczania się, a następnie za pomocą programu kompute-

5 PL B1 5 rowego określa się sposób postępowania i jeśli obiekt kosmiczny (7) posiada objętość mniejszą od objętości granicznej i porusza się z prędkością większą od prędkości granicznej to przemieszcza się satelitę i ustawia się tarczę (4), tak aby kąt pomiędzy wektorem prędkości V obiektu kosmicznego (7) a powierzchnią czołową tarczy (4) był równy 90±5 i doprowadza się do zderzania, natomiast jeśli obiekt (7) posiada objętość mniejszą od objętości granicznej i porusza się z prędkością większą od prędkości granicznej to przemieszcza się satelitę i ustawia się tarczę (4), tak aby kąt pomiędzy wektorem prędkości V a powierzchnią czołową tarczy (4) wynosił od 5 do 85 i doprowadza się do zderzania. Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)