Искуственная "луна" на ГСО

[mark2000]

На каникулах от нечего делать сочинил небольшой полуфантастический проектик.


В книге «РКК «Энергия» - первое десятилетие XXI века, 2001 – 2011» на странице 396 описан способ очистки геостационарной орбиты (ГСО)  с помощью ядерных многоразовых межорбитальных буксиров (ММБ).  В книге описаны два сценария, временный и радикальный. По временному сценарию спутники уводятся с ГСО на более высокую орбиту, по радикальному  -сводятся с орбиты.
Радикальный сценарий не реализуем по следующей причине – для очистки ГСО потребуется около 40 ММБ. Следовательно, вместо «кладбища» спутников мы получим «кладбище» буксиров. Ну и самое главное, стоимость всей операции по очистки ГСО просто зашкаливает.  Проще оставить все как есть. По сей причине радикальный способ очистки ГСО не реализуем и далее я его рассматривать не буду.
 
Гораздо интереснее «временный» вариант. Оценочные расчеты показывают,  что для того, чтобы собрать все неработающие спутники на ГСО, достаточно всего одного ММБ и, соответственно, одного «Протона».  Т.е. задача становится экономически реализуемой.
 
ИМХО можно сделать так, что бы сбор спутников стал экономически выгодным и дал толчок к развитию инфраструктуры на ГСО.
Для этого предлагается не выводить спутники на более высокую орбиту, а собрать их вместе на ГСО в один объект. Чтобы они не разлетались их необходимо соединить между собой. С учетом малых возмущающих сил это можно сделать с помощью проволоки  или фалов с карабинами на концах.

[mark2000]

Сбор спутников с помощью ММБ возможно будет начать не ранее 2020 года. К этому времени на ГСО будет находиться примерно 1 000 неработающих спутников, общей массой 2 500  - 3 000 тон. Таким образом, если спутники будут собраны в один объект, масса этого объекта составит примерно 3 000 тон! Это в 7 раз больше массы МКС! Неплохая искусственная «луна».
Труднее оценить размеры  этой «луны». При «плотной» упаковке диаметр «луны» составит примерно 50 метров, но так как спутники имеют солнечные батареи, антенны, размер «луны» зависит от того, как они будут уложены относительно друг друга. Реально если спутники будут укладываться в некоторое подобие сферы, диаметр составит 50 – 100 м. Т.е. при массе в три тысячи тон «луна» будет иметь размеры немного меньшие, чем МКС.
Интересно, что созданный объект будет самоорганизовыватся.  Так на спутник массой три тонны, находящийся на расстоянии 25 м от центра масс, будет действовать сила, притягивающая его  к центру  «луны», 0,96 милиньютона. Сила не велика, но, тем не менее, вполне достаточная для того, что бы удержать спутники и вызвать их движение к центру масс. Под действием этой силы  самоуплотнение «луны» произойдет в течение нескольких суток. Вторая космическая скорость для «луны» на расстоянии 25 м от центра масс составит 4 мм/сек.  Спутники можно будет даже не крепить друг к другу и не укладывать на «поверхность», а доставлять их на расстояние несколько десятков метров от «луны» и гасить их скорость, так, что бы она была меньше круговой для этого расстояние.  Через несколько часов спутник сам упадет на «луну». Можно даже запускать спутники на орбиту вокруг «луны», хотя такая орбита не будет устойчивой.

[mark2000]

В принципе спутники можно организовать по другому, можно например собрать их в длинную цепочку. Такая цепь под действием градиента гравитационного поля  Земли, примет вертикальное положение. Стабилизация цепи будет происходить за счет растягивающих сил.  Если спутники крепить между собой за концы солнечных батарей длина цепи составит 20 – 30 км. Для сравнения,  разрешение человеческого глаза на высоте ГСО составляет 10 км.  Цепь спутников правда видно не будет, т.к. она будет иметь слишком маленькую толщину.  Растягивающие усилие, для длины цепи 20 км, составит 160 Н.  

[mark2000]

Интересно, что для того, что бы собрать спутники в «луну» не нужен ядерный буксир. ММБ можно сделать на базе современной мощной спутниковой платформы, к примеру, на основе Boeing 702. Вместо блока полезной нагрузки с передатчиками и антеннами, на платформе потребуется установить блок с манипуляторами и дополнительные баки с ксеноном. Потребуется также установка дополнительных двигателей  для точного маневрирования и увеличения ресурса существующих. Работа конечно не маленькая, но значительно меньшая, чем та которую надо будет сделать для создания ядерного ММБ  
Такой буксир будет обладать тягой на порядок меньшей чем ядерный.  Для стационарной орбиты это не критично. Большая тяга нужна для подъема с низкой орбиты, чтобы быстрее преодолеть радиационные пояса. К тому же на низкой орбите велики возмущения от атмосферы и близко расположенной Земли. На стационаре такой проблемы нет.
Значительно ускорит доставку спутников использование двух ММБ. В этом случае один буксир собирает спутники и меняет их орбиту так, что бы они через какое то время пролетали  недалеко от «луны», другой перехватывает их и доставляет к «луне».

[mark2000]

Теперь о том, зачем собирать спутники.

Первая цель очевидна – очистка ГСО от мусора.

Вторая – стимулирование развития космонавтики.


Сейчас очень много разговоров о разработке материалов астероидов. На полном серьезе обсуждаются проекты по доставке 500 тонного астероида к Земле.  Даже если эту задачу удастся решить и к Земле будет доставлен железоникелевый астероид, пока не ясно, как из его материала сделать что-либо полезное.  Про экономику здесь уже и говорить не приходится.
 
В случае, если спутники на ГСО будут собраны вместе, мы будем иметь объект массой три тысячи тон, состоящий из алюминиевых сплавов, углепластика, стали, меди, остатков топлива и ксенона, кремния и германия в виде солнечных батарей и т.д.  Причем все эти материалы присутствуют не в виде сырья, а в виде готовых компонентов, многие из которых пригодны к повторному использованию.

Поэтому следующим шагом может быть создание на ГСО обитаемой орбитальной станции, предназначенной для обслуживания, ремонта и утилизации отслуживших свой срок спутников.


В задачи такой станции может входить:
- ремонт спутников преждевременно вышедших из строя;
- введение в эксплуатацию спутников, у которых не раскрылись антенны или солнечные батареи;
- довыведение (с помощью ММБ) спутников, не попавших на ГСО из за неисправности разгонного блока или апогейного мотора.
- дозаправка спутников рабочим телом и топливом.
- разборка спутников, каталогизация их узлов
- глубокая переработка узлов спутников, возможно с переплавкой, изготовление каких либо элементов и деталей.
- переработка деталей спутников на рабочее тело для электрических двигателей.

[mark2000]

Следующим шагом может стать изменение конструкции спутников.


Так, например, на спутниках станут не нужны механизмы развертывания солнечных батарей и антенн. Это развертывание может быть выполнено манипуляторами станции. Конструкция спутников может  предусматривать возможность замены узлов и их унификацию.  В перспективе возможна будет даже сборка спутников на заказ из готовых узлов (в том числе и уже использовавшихся) непосредственно на станции.

Интересно, что и сама станция может использовать узлы спутников для своих потребностей. Так, например,  наращивание энергетики станции может, осуществляется за счет использования солнечных батарей снятых со спутников. КПД у них ниже, но зато их много и они практически бесплатные.  Общая суммарная мощность  всех солнечных батарей спутников составляет 5 – 10 Мвт. Больше, чем у разрабатываемой сейчас ядерной установки.

[mark2000]

Как может выглядеть система.


На этапе сборки спутников достаточно иметь один ядерный ММБ или два созданных на базе мощной спутниковой платформы. Соответственно,  для их запуска потребуется один или два «Протона». Дозаправка ММБ  не требуется.
 
На втором этапе потребуется создание ОС. За основу базового модуля этой ОС может быть взят СМ или НЭМ, но с существенными изменениями в конструкции.
На стационарной орбите отсутствует сопротивление атмосферы, поэтому двигательная установка на станции не нужна. Ориентацию станции можно будет производить с помощью гиродинов, необходимые коррекции и разгрузку гиродинов с помощью ММБ. Соответственно и топливо на станцию доставлять не нужно. Энергетика при запуске должна быть минимальной, но должны быть предусмотрены технические средства наращивания энергетики за счет солнечных батарей снятых со спутников - какие либо узлы крепления,  фермы, электрические разъемы.  На станции должен быть модуль (площадка) для обслуживания и дозаправки ММБ, баки для ксенона, открытая площадка для ремонта и разборки спутников.  В перспективе в состав станции может войти большой герметичный модуль способны вместить спутник целиком (без солнечных батарей и антенн, конечно).
Доставка станции и грузов на стационар осуществляется с помощью ММБ.  Доставка  ОС на стационар потребует примерно 10 тон ксенона. Следовательно, для вывода ОС на стационар потребуется два «Протона».

[mark2000]

Для доставки грузов лучше разработать специальный контейнер, примерно такой как «Энергия» разрабатывала для системы «Паром». Доставку контейнера к станции будет осуществлять ММБ, поэтому для него не нужны двигатели и солнечные батареи.  В то же время этот контейнер может остаться в составе станции, в качестве дополнительного модуля, поэтому в нем могут быть установлены какие либо системы необходимые для функционирования станции. С учетом минимизации запускаемой массы лучше делать контейнеры как можно больше, но реже их запускать. При использовании для запуска РН «Протон» для снабжения ОС потребуется один запуск раз в два-три года. Еще один «Протон» потребуется для доставки ксенона.

Доставка экипажа будет осуществляться в Лунном варианте ПТК.  При непрерывной работе экипажа из 2-3 человек и полугодовых экспедициях, потребуется два запуска ПТК в год, при переходе на годовые – один запуск ПТК.

Таким образом,  на этапе эксплуатации имеем два запуска «Протона», раз в два-три года, и один или два запуска ПТК раз в год.

[mark2000]

Относительно того, как будет расположена ОС относительно «Луны».
Самый простой вариант расположить ее на «поверхности» «луны».  Прикрепить к одному или нескольким спутникам с помощью фалов. На станцию будет действовать сила притяжения несколько ньютонов, что вполне достаточно для ее стабилизации. Панели с солнечными батареями в таком случае можно будет разместить на освещенной Солнцем стороне «луны». Но в таком случае «луна» должна быть постоянно ориентирована одной стороной к Солнцу.  ИМХО при наличии возмущений со стороны Земли поддерживать такую ориентацию будет не просто.  Коррекции можно будет производить с помощью ММБ. Здесь основной сложностью является не большая масса «лун»,  а ее рыхлая структура. Не понятно как будет распределяться между спутниками, создаваемое ММБ усилие. ИМХО в начале станции проще будет разместить возле «луны», на «поверхность» же переместить после того, как  будет достаточно хорошо изучена динамика этого объекта.

[G.K.]

mark2000 пишет:
 Цепь спутников правда видно не будет, т.к. она будет иметь слишком маленькую толщину.

Длинное и тонкое... Не факт, что не видно. 

mark2000 пишет:
К тому же на низкой орбите велики возмущения от атмосферы и близко расположенной Земли. На стационаре такой проблемы нет.

Зато там есть Луна, Солнце и световое давление. 

mark2000 пишет:
Интересно, что созданный объект будет самоорганизовыватся.

Вы учитывали несферичность Земли, световое давление, гравитацию Луны?

[mark2000]

Переработка спутников на ГСО, конечно не самоцель.

Цель создание инфраструктуры по обслуживанию и ремонту спутников, способной продлить их срок работы.

Большие первоначальные затраты на создание такой инфраструктуры и сравнительно небольшой экономический эффект от ремонта одиночных спутников, приводят к тому, что такая инфраструктура становится экономически невыгодной. Сбор спутников в одно место и возможность ремонта и обслуживания одновременно десятков спутников может изменить ситуацию.
 

[Вал]

Грандиозно! Браво, Марк!
Только зачем собирать неработающие спутники? Нужно как раз наборот
Проект немедленно засекретить и передать в компетентные органы

[G.K.]

Вал пишет:
Проект немедленно засекретить и передать в компетентные органы

Космические мины тихо рыдают в сторонке, размышляя, какие сложные технологии нужны для уничтожения спутников... А вёдра с болтами так вообще умиляются и машут...

[Вал]

G.K. пишет:

Вал пишет:
Проект немедленно засекретить и передать в компетентные органы

Космические мины тихо рыдают в сторонке, размышляя, какие сложные технологии нужны для уничтожения спутников... А вёдра с болтами так вообще умиляются и машут...

А "не ведра" ? Вынуждены будут ощетиниться средствами обороны?

[G.K.]

Вал пишет:
А "не ведра" ?

Я не о спутниках в стиле "ведро с болтами", а буквально ведра с болтами, гайками и прочими мелкими металлическими предметами для поражения всего живого.

Вал пишет:
Вынуждены будут ощетиниться средствами обороны?

А что спасёт спутник от потока гаек, болтов и прочих мелких крепёжных элементов?

[Вал]

Шутки шутками, но Марк, в принципе, показал, что достаточно несложными на сегодня способами возможно воздействие на об'екты, находящиеся на ГСО. Вот интересно, действует ли на работающий космический об'ект принцип экстерриториальности, как, наример, на морские суда? А на суда без экипажа?

[Alex_II]

Вал пишет:
Только зачем собирать неработающие спутники? Нужно как раз наборот

Если хватать те, что еще живые - от обиженных владельцев может и прилететь чего...

[Вал]

Alex_II пишет:

Вал пишет:
Только зачем собирать неработающие спутники? Нужно как раз наборот

Если хватать те, что еще живые - от обиженных владельцев может и прилететь чего...

Тут дело вот в чем - для владельцев спутников появляются соответствующие риски. Одно дело, если спутник вне досягаемости, пусть вероятного, но противника, а другое, когда у этого противника появляется средство потенциального воздействия. Как будет реагировать владелец? Он будет либо вооружать спутник средствами обнаружения и противодействия, либо об'являет, что данный конкретный спутник является его территорией и любое вздействие на него является, как минимум, не дружественным актом.
Есть сейчас какие то действующие международные соглашения на эту тему?

[mihalchuk]

Вал пишет:
Шутки шутками, но Марк, в принципе, показал, что достаточно несложными на сегодня способами возможно воздействие на об'екты, находящиеся на ГСО.

Идея здравая, но не новая.

[ZOOR]

Задача очистки ГСО скоро станет актуальной, ИМХО. У сейчас проводятся маневры по уклонению от того, что когда-то запулили и сейчас сопровождается. А сколько еще не сопровождается - вопрос. Но
1. Крепление КА друг к другу фалами - не самая хорошая идея - СБ будут биться друг об друга, ломаться, и получится большое кол-во мелкого трудноубираемого мусора
2. Надо внимательно посмотреть (В.Воропаев когда-то ссылка давал), где кучкуется этот самооргонизовавшийся мусор и его эволюцию.
3. И, главное решить, что делать с мусором - может, якорь для космического лифта собирать пора.

А так - большой толчок кибернетике, техническому зрению и т.д. Можно начинать, только кто финансировать будет - МАКСМ?