Научные мероприятия 05.604.21.0211

В 2019 году, рамках выполнения обязательств по постановлению № 075-15-2019-1718 от 26.11.2019 г., номер соглашения 05.604.21.0211, уникальный идентификатор соглашения (проекта) RFMEFI60419X0211, «Прикладные научные исследования системы и средств бесконтактного увода объектов космического мусора техногенной природы в целях противодействия угрозе осуществления космической деятельности в области геостационарной орбиты» сотрудники НИИ ПМЭ МАИ, участвующие в проекте, в рамках мероприятий по демонстрации и популяризации проекта в 2019 году принимали участие в научных мероприятиях.

1. 18-я Международная конференция «Авиация и космонавтика»

Конференция проходила в МАИ с 18 по 22 ноября 2019 г. Со стороны НИИ ПМЭ МАИ был представлен доклад авторского коллектива: Могулкин А.И., Нигматзянов В.В., Пейсахович О.Д., Черкасова М.В. «Расчётное и экспериментальное исследование источника слабо расходящегося ионного пучка» а также доклад «Расчёт концентрации заряженных частиц в разрядной камере высокочастотного ионного двигателя» следующих авторов Гордеев С.В., Канев С.В., Хартов С.А.

2. Вузпромэкспо-2019

Ежегодная национальная выставка Вузпромэкспо-2019 проходила в г. Москва с 11 по 12 декабря 2019 г.  Участие в этой выставке принимали сотрудники НИИ ПМЭ МАИ. Номер стенда –  104. Информация на стенде была представлена в виде плакатов и презентации.

Сотрудники НИИ ПМЭ МАИ на выставке ВУЗПРОМЭКСПО-2019

Могулкин Андрей Игоревич, заместитель начальника лаборатории ВЧИД НИИ ПМЭ МАИ на выставке ВУЗПРОМЭКСПО-2019

3. Конкурс «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики»

Конкурс проходил с 18 по 22 ноября 2019 г. в МАИ. Со стороны НИИ ПМЭ принимали участие: Могулкин Андрей Игоревич, Нигматзянов Владислав Вадимович, Пейсахович Олег Дмитриевич и Гордеев Святослав Валерьевич. Название работ: «Расчётное и экспериментальное исследование источника слабо расходящегося ионного пучка» и «Методика численного расчета концентрации ионов в камере высокочастотного ионного двигателя». Аннотации работы была опубликована в изданном сборнике работ участников конкурса.

Сотрудники НИИ ПМЭ Могулкин Андрей Игоревич, Нигматзянов Владислав Вадимович и Пейсахович Олег Дмитриевич стали лауреатами 1-й степени премии им. Люльки.

Могулкин Андрей Игоревич, заместитель начальника лаборатории ВЧИД НИИ ПМЭ МАИ и Пейсахович Олег Дмитриевич, техник лаборатории ВЧИД НИИ ПМЭ МАИ, на конкурсе «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики»

В отчёте, в соответствии требованиями технического задания на выполнение поискового научного исследования (ПНИ) по теме «Прикладные научные исследования системы и средств бесконтактного увода объектов космического мусора техногенной природы в целях противодействия угрозе осуществления космической деятельности в области геостационарной орбиты», приведены результаты работы коллектива исследователей по:

• аналитическому обзору современной научно-технической, нормативной и методической литературы по способам очистки области геостационарной орбиты (ГСО) от объектов космического мусора (ОКМ);
• патентным исследованиям уровня техники и тенденций развития средств очистки области космического пространства (ОКП) от ОКМ;
• обоснованию выбора типа электроракетных двигателей (ЭРД) в качестве инжектора ионов как элемента системы бесконтактного увода ОКМ;
• разработке расчетной физико-математической модели инжектора ионов;
• разработке эскизной конструкторской документации (ЭКД) на экспериментальный образец (ЭО) высокочастотного ионного источника (ВЧИИ);
• разработка технических требований по дооснащению экспериментального стенда для проведения исследовательских испытаний ЭО ВЧИИ;
• участию в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ;
• анализу особенностей эксплуатации сервисного космического аппарата (СКА);
• анализу требований к обеспечивающим системам СКА.

В отчёте показано, что к настоящему времени в мире окончательно не определены лучшие способы и технические средства для очистки ОКП от ОКМ. Демонстрация возможностей механических средств по захвату ОКМ успешно проведена в космосе. Однако сложности их применения быстро возрастают с увеличением габаритов и массы ОКМ, а также большие трудности обусловлены также неупорядоченным вращением крупных ОКМ. Из-за их больших моментов инерции остановить вращение таких ОКМ после механического захвата сложно, а в ряде случаев (при больших угловых скоростях и массе ОКМ) невозможно, поскольку космический аппарат (КА), снабженный средствами захвата ОКМ, обладает сравнимыми с ОКМ массой и габаритами. При уводе КА в конце срока активного существования (САС) на более высокие орбиты:

• имеет место высокий технический риск (относительная малая надежность выполнения операции увода), так как увод производится в конце САС, а большинство критических отказов основных служебных систем КА, вероятность которых существенно возрастает с приближением окончания срока эксплуатации КА, приводят к невозможности выполнения этой операции;
• затрачивается рабочее тело на увод из точки стояния, количество которого к тому же достаточно трудно прогнозируемо, в связи с достаточно большими САС современных КА доходит до 18 лет;
• уменьшается САС КА, так как на увод тратится часть рабочего тела, достаточная для поддержания точки стояния в течение нескольких месяцев.
  Следует учитывать, что при временных затратах на увод КА c о сроком активного существования около 10 лет с ГСО на уровне 3 месяцев, рентабельность КА сокращается на 1 %. Если это время увеличивается до 1 года, то рентабельность падает уже на 4 %. При этом относительная стоимость КА и оказываемых им услуг возрастает с 5 % до 13 % [i].

Другие способы очистки ГСО могут быть целесообразными для увода уже имеющихся в окрестности ГСО ОКМ и в случае нештатных ситуаций, приводящих к невозможности реализации увода КА на орбиту захоронения с помощью собственной двигательной установки.

Показано, что предлагаемый к реализации способ увода крупных ОКМ ионным пучком не чувствителен к указанным выше негативным факторам других способов очистки ГСО от ОКМ, поскольку механического, в прямом смысле, контакта между ОКМ и СКА не создается. Практическая реализация указанного способа явится новым инструментом для решения задачи обеспечения безопасности осуществления полетов в окрестности ГСО в долговременной перспективе.

В отчете представлены основные результаты патентного поиска в части рассмотрения предлагаемых к реализации методов очистки ОКП от ОКМ, а также способов и особенностей построения высокочастотного ионного двигателя (ВЧИД) или ВЧИИ как прототипов основного элемент системы бесконтактного увода ОКМ – ЭО ВЧИИ, представлено обоснование выбора типа ЭРД в качестве прототипа ЭО ВЧИИ.

В отчете приведены результаты предварительной проектной проработки ЭО ВЧИИ как базового элемента системы бесконтактного увода крупногабаритных ОКМ техногенной природы из защищаемой области ГСО. Представлены результаты физико-математического моделирования процессов в ионно-оптической системе (ИОС) и газоразрядной камере (ГРК) ЭО ВЧИИ, результаты теплового и термомеханического моделирования, расчет выходных параметров системы бесконтактного увода крупногабаритных ОКМ техногенной природы из защищаемой области ГСО. Выпущена эскизная конструкторская документация на ЭО ВЧИИ.

На основе построенной баллистической модели «СКА-ОКМ» показана возможность обеспечения транспортировки крупногабаритных ОКМ массой от 500 кг до 5 тонн из защищаемой области ГСО на орбиты захоронения согласно требованиям ГОСТ Р 52925-2008 «Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства» и стандартной практики по предупреждению засорения космоса, принятой Правительством США, за время от 1.5 суток до 14 суток на одну операцию увода. При этом в зависимости от тяги, создаваемой системой бесконтактного воздействия на ОКМ (в расчетах принято от 30 мН до 200 мН), она должна обеспечить удельный импульс тяги в диапазоне 1000-7000 с, что вполне отвечает принятой концепции использования в качестве элемента системы высокочастотного ионного инжектора с щелевой ИОС.

Результаты расчетов по указанной модели демонстрируют возможности предлагаемой к реализации системы по обеспечению требований как потенциальных отечественных, так и зарубежных заказчиков. Показано, что система бесконтактного увода ОКМ из защищаемой области ГСО может быть конкурентоспособной на мировом рынке космических транспортных услуг, поскольку за адекватное время с небольшими материальными затратами обеспечивает очистку защищаемой области ГСО от ОКМ.

В отчёте проведена проработка технических требований по дооснащению экспериментального стенда для проведения исследовательских испытаний ЭО ВЧИИ. По результатам которой показано, что незначительной доработке подлежит система охлаждения экспериментального стенда У–2В. Выпущен документ «Технические требования по дооснащению экспериментального стенда для проведения исследовательских испытаний экспериментального образца инжектора ионов».

Поскольку при рассмотрении способа бесконтактного увода ОКМ ионным пучком необходимо рассматривать применяемые технические решения с учетом интеграции бортового инжектора ионов с системами СКА. Проработку этих вопросов взял на себя Индустриальный Партнер - АО «ИСС», исходя из характеристик уже прошедших конструктивную проработку или изготавливаемых спутниковых платформ. За основу принята унифицированная спутниковая платформа «Экспресс-1000НМ». Проведена предварительная проектная проработка облика платформы СКА на базе проведенного анализа бортовых служебных систем и необходимости из модернизации в целях обеспечения работоспособности ПН – системы бесконтактного увода крупногабаритных ОКМ техногенной природы из защищаемой области ГСО.

По предварительным оценкам увод 5-6 крупногабаритных ОКМ из защищаемой области ГСО, как один из возможных способов обеспечения экологической безопасности в окрестности ГСО, приведет к снижению прогнозируемых катастрофических столкновений КА с 40 до 26 в течение последующих 100 лет. Актуальность задачи, решаемой в ПНИ, обусловлена ее значимостью и уникальностью с точки зрения преодоления технических ограничений на реализуемость одного из наиболее перспективных способов очистки области ГСО от ОКМ. Использование инжектора ионов, формирующего ионный пучок с заданными свойствами, позволит создать СКА орбитального обслуживания для увода крупногабаритных ОКМ. Кроме того, проработка концепции СКА в части бортовых систем, позволит в дальнейшем провести работы по изменению целевого назначения, разработанного СКА для решения других актуальных задач, используя уже разработанные системы как опережающий научно-технический задел. Внедрение такой системы обеспечит соответствие уровня, темпов развития и качества российских космических комплексов и систем потребностям социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества, принципам, приоритетам и задачам политики Российской Федерации в области исследования, освоения и использования космического пространства.

Предлагаемое направление исследований по применимости их результатов можно отнести к двум приоритетам научно-технологического развития Российской Федерации, определенных Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации, обеспечивающих:

• переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, к новым материалам и способам конструирования;
• связанность территории Российской Федерации за счет создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики.

Тема проекта включена в Стратегическую программу исследований технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» (ТП «НИСС»), Программу инновационного развития АО «ИСС» на период до 2025 года и проект Комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Глобальные информационные спутниковые системы» (ответственный исполнитель - координатор Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»).

Программа инновационного развития АО «ИСС» на период до 2025 года, в рамках которой будет выполняться проект, имеет целью создание комплексной инновационной системы, обеспечивающей стабильное расширение присутствия предприятия на мировом рынке автоматических космических аппаратов, систем и услуг, путем:

• разработки совокупности «прорывных» технологий, новых продуктов и услуг;
• радикального повышения показателей пользовательских свойств КА новых поколений, включая новый класс СКА орбитального обслуживания.

Практическая реализация предлагаемого в настоящем ПНИ способа очистки защищаемой области ГСО позволит снизить риски для предстоящих запусков КА, создаст условия для выполнения государственной политики в области космической деятельности, в части обеспечения бесперебойного представления услуг в интересах социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества, в том числе в целях защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также обеспечит безопасность осуществления космической деятельности в долговременной перспективе.

В отчёте отражено представление популяризации результатов ПНИ научному сообществу на IV ежегодной национальной выставке «ВУЗПРОМЭСКПО-2019» и 11 Всероссийском межотраслевом молодежном конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики». Выпущен отчет о популяризации результатов ПНИ. Выпущен документ «Аннотационный отчёт об участии в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ».

В выполнении работ по ПНИ приняли участие 40 научно-технических специалистов, средний возраст которых составил 41.3 года. Доля участников проекта в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей-участников проекта составила 60.5.

Трёхмерная модель экспериментального образца инжектора ионов

Схема воздействия ионного пучка на объект космического мусора