Новый способ борьбы с космическим мусором: система захвата на основе гибкой мембраны

Космический мусор — это одна из самых актуальных и сложных проблем современной космонавтики. Под этим термином понимаются различные объекты, оставшиеся в космосе после запусков ракет, спутников, космических станций и других аппаратов. По оценкам экспертов, на низких околоземных орбитах находится более 500 тысяч фрагментов мусора, размером от 1 см до 10 метров, а общая масса мусора составляет около 8 тысяч тонн.

Космический мусор представляет серьезную угрозу для безопасности космической деятельности, так как при столкновении с работающими спутниками или космическими кораблями может повредить их или даже уничтожить. Кроме того, космический мусор загрязняет околоземное пространство и затрудняет наблюдение за звездным небом. Поэтому необходимо разработать эффективные методы снижения и устранения космического мусора.

Одним из таких методов является активный вывод мусора из орбиты с помощью специальных систем захвата. Существующие модели систем захвата, такие как сетки, тросы или манипуляторы, имеют ряд недостатков, таких как сложность поддержания формы, склонность к запутыванию, потери энергии и уменьшение площади захвата. Поэтому исследователи ищут новые решения, которые были бы более гибкими, надежными и эффективными.

Одним из таких решений является система захвата тонкой пленкой, разработанная командой профессора Вэй Чэна из Харбинского технологического института, совместно с исследователями из Пекинского института управления и Бенхского университета. Эта система состоит из большой гибкой мембранной структуры, поддерживаемой пневматическими стержнями, которая может складываться и разворачиваться по регулярным формам. Верхняя часть структуры имеет форму восьмигранника, образуя большой объем для захвата цели, а нижняя часть имеет форму цилиндра, обеспечивая устойчивость и маневренность.

Принцип работы системы заключается в том, что сервисный космический аппарат с системой захвата приближается к цели, затем надувает гибкие сочленения, чтобы охватить цель, и, наконец, выводит захваченную цель на кладбищенскую орбиту, где она будет безопасно сгорать в атмосфере. Таким образом, система захвата тонкой пленкой позволяет удалять космический мусор без риска повреждения или разрушения цели.

Однако система захвата тонкой пленкой также имеет свои сложности, связанные с динамикой и управлением ее движения. Гибкая структура системы подвержена значительным деформациям и вибрациям во время движения, что приводит к существенным помехам в работе космического аппарата. Поэтому необходимо количественно анализировать эти нарушения и разработать эффективный контроллер, который бы обеспечивал точность, стабилизацию и сходимость ориентации космического аппарата.

Для того, чтобы управлять движением и ориентацией системы захвата тонкой пленкой, исследователи сначала построили математическую модель, которая описывает, как меняется форма и положение пленки и стержней в космосе. Для этого они использовали специальный метод, который позволяет разбить пленку на маленькие части и определить координаты каждой части в пространстве.

Затем они придумали способ управления, который помогает космическому аппарату держать нужную ориентацию и избегать проблем, связанных с тем, что пленка может скручиваться или сбиваться с курса. Для этого они использовали другой метод, который позволяет быстро и точно реагировать на изменения в движении пленки и корректировать ориентацию космического аппарата. Этот метод также помогает оценить, насколько сильно пленка подвержена воздействию других сил, таких как солнечный ветер или магнитное поле Земли.

После того, как они разработали способ управления, исследователи проверили его работу с помощью компьютерного моделирования. Они создали виртуальную модель системы захвата тонкой пленкой и провели ряд экспериментов, в которых имитировали разные ситуации в космосе. Они изучали, как меняется форма и положение пленки и космического аппарата во время движения, как влияют разные силы и возмущения, и как работает контроллер.

Результаты экспериментов показали, что способ управления, который они придумали, очень хорошо справляется со своей задачей. Он позволяет космическому аппарату быстро и точно довести систему захвата тонкой пленкой к нужной ориентации и удерживать ее в этом положении. Он также помогает сгладить вибрации и деформации пленки, которые могут мешать захвату цели. Он работает лучше, чем другие способы управления, который они сравнивали с ним.

Таким образом, исследователи доказали, что их система захвата тонкой пленкой и способ управления ею являются эффективными и надежными для снижения количества или даже полного устранения космического мусора. Однако они признают, что их работа имеет некоторые недостатки и требует дальнейшего развития. Например, они не учитывали влияние атмосферного сопротивления, температурных изменений и солнечного излучения на систему захвата тонкой пленкой. В любом случае, рано что-то утверждать до реальных испытаний на орбите, для проверки работоспособности системы в условиях настоящего космоса.