Družice, která nacvičí likvidaci kosmického smetí

Na palubě kosmické lodi Dragon, která před pár desítkami hodin dorazila k Mezinárodní vesmírné stanici bylo velké množství zásob pro posádku a vědeckých experimentů. Nemalý prostor v hermetizované kabině pak zabírala družice RemoveDebris, přičemž její název prozrazuje její účel – likvidace kosmického smetí. Ne, že by tato téměř krychlová družice sama aktivně likvidovala vysloužilé družice a jejich úlomky, kterých kolem země krouží tisíce a tisíce, ale má v praxi vyzkoušet některé techniky, které vypracovali odborníci na Zemi.

Projekt vznikl v rámci evropského výzkumného programu European Union Framework 7 ve spolupráci se Surrey NanoSatellite Technology Ltd.. Cílem projektu bylo vyvinout a vypustit nízkonákladový demonstrátor klíčových technologií aktivní likvidace kosmického smetí. Družice o hmotnosti 100 kilogramů bude největším objektem, který kdy byl z paluby ISS vypuštěn. Až bude volná, uvolní ze sebe dva cubesaty DebriSAT, které mají simulovat kosmické smetí. Na nich bude nacvičovat sledovací i zachytávací metody. Vše se bude podrobně zaznamenávat a výsledky se vyhodnotí, aby z poznatků mohly vycházet příští mise.

Platforma SSTL-X50.

Platforma SSTL-X50.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Mateřská družice nese označení RemoveSAT a vznikla na platformě SSTL-X50 a v jejích útrobách se ukrývají dva zmíněné 2U cubesaty DebriSAT – všechny tři prvky dohromady tvoří projekt RemoveDebris. Zatímco DebriSat-1 má být zachycen vystřelenou sítí, DebriSat-2 poslouží jako cíl pro optický navigačně/sledovací systém. RemoveSat pak sám na sobě vyzkouší harpunování kosmického odpadu, když vystřelí projektil na výsuvný terč. Na konci mise by pak měla mateřská družice rozvinout plachtu, která má zvýšit odpor prostředí a urychlit tak zánik družice – i to je samozřejmě součástí zkoušek.

Evropská kosmická agentura hraje ve snahách o omezení kosmického smetí jednu z hlavních rolí a již několik let vyvíjí plány na likvidaci těchto objektů a podporuje demonstrační mise v této oblasti. Snaha se dá rozdělit na dvě základní oblasti:

  • Omezení úlomků díky odstraňování aktivních družic po ukončení jejich základní služby
  • Usměrňování kosmického smetí odstraněním masivních objektů
Evropská družice Envisat už od roku 2012 nefunguje.

Evropská družice Envisat sice už od roku 2012 nefunguje.
Zdroj: http://images.sciencedaily.com/

Jedním z nejviditelnějších bodů těchto snah je likvidace družice Envisat s hmotností přes 8 tun, která obíhá ve výšce 800 kilometrů. Některé simulace totiž této družici přisuzují zvýšenou možnost, že bude iniciátorem tzv. Kesslerova syndromu – kaskádového efektu, při kterém se bude lavinovitě zvyšovat počet úlomků kosmického smetí, až se oběžná dráha stance dočasně nepoužitelnou.

Stáhnout do atmosféry Envisat, nebo jinou podobně velkou družici však není nic jednoduchého. Taková akce musí být dobře promyšlená a musí jí předcházet rozumné přípravné kroky. Mezi ně patří i nízkonákladové zkoušky technologií a technik v reálném prostředí. Právě na nich je možné všechno vyzkoušet a snížit tak riziko selhání větší mise, která bude na těchto technikách závislá. Při aktivní likvidaci kosmického smetí je ve hře mnoho faktorů – od potřeby optické navigace k cílovému (nespolupracujícímu) objektu), přes jeho bezpečné a spolehlivé zachycení až po zánik celé sestavy v atmosféře.

Pokud se podíváme na účely projektu RemoveDebris očima odborníků, pak můžeme říct, že jejím úkolem je zvýšit úroveň technické připravenosti TRL (Technology Readiness Level) čtyř samostatných systémů:

  • Záchytového mechanismu založeného na vystřelení sítě na cílový objekt
  • Záchytového mechanismu založeného na vystřelení harpuny na cílový objekt
  • Vizuálního navigačního systému, který použije optické a infračervené pásmo společně s LIDARem
  • Rozložitelné plachty, která má urychlit stažení družice z oběžné dráhy
Útroby družice RemoveSAT.

Útroby družice RemoveSAT.
Zdroj: http://spaceflight101.com/

Původně měla mít družice rozměry 62 × 62 × 78 cm a vážila by 150 kg. Když se ale ukázalo, že družice bude vypuštěna z ISS, bylo jasné, že se musí projekt přepracovat, aby mohla projít skrz přechodovou komoru. Musel se tedy škrtnout systém trysek na stlačený plyn a změny potkaly i oddělovací panel v zadní části družice. RemoveSAT tak má rozměry 55 × 55 × 76 centimetrů a do volného prostoru se dostane díky přechodové komoře na japonském modulu Kibó. Vně ISS se jej ujme malý manipulátor, který jej následně uvolní na dráhu, kde nebude hrozit jeho srážka se stanicí.

DebriSAT-1

DebriSAT-1
Zdroj: http://spaceflight101.com

Zkušební vystřelení sítě.

Zkušební vystřelení sítě.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Ke zkoušce dojde poté, co se pozemní středisko ujistí, že DebriSAT-1 má nabité baterie. Nejprve se z mateřské družice uvolní DebriSAT-1, přičemž k oddělení dojde při vzájemné rychlosti 0,05 m/s. Následně dojde k rozložení osmistěnné struktury, která se stane cílem sítě. Účely tohoto kroku jsou dva – balón může urychlit zánik v atmosféře a jeho větší objem lépe odpovídá reálným rozměrům vysloužilých družic.

Ve vzdálenosti zhruba sedmi metrů, což přijde 140 sekund po vypuštění, vystřelí mateřská družice síť. Ta se díky závažím na konci ovine kolem cílového objektu a s pomocí motorových navijáků zabrání jejímu opětovnému rozpletení. K vystřelení dojde ze stejné stěny, ze které byl vypuštěn cubesat, takže RemoveSAT nemusí provádět žádné manévry.

Systém pro vystřelení sítě.

Systém pro vystřelení sítě.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Samotný mechanismus vypouštění sítě vyvinutý v  Airbus Defence and Space, má průměr 27,5 cm, na výšku měří 22 cm a váží 6,5 kg. Při ostré misi by byla síť lankem spojena s družicí, která by ji vystřelila, aby mohla být celá sestava stažena z oběžné dráhy. Lanko ale u tohoto experimentu chybí, aby nedošlo k dynamickému impaktu obou objektů. Vystřelená síť má při plném rozložení průměr 5 metrů a její vlákna jsou z kevlaru. Váží 600 gramů a průměr otvorů je 8 centimetrů. Cubesat bude následně ponechám svému osudu, přičemž se bude sledovat, zda má balón nějaký vliv na rychlost zániku.

Vizualizace stavu po vystřelení harpuny.

Vizualizace stavu po vystřelení harpuny.
Zdroj: http://spaceflight101.com/

Experiment s harpunou byl původně koncipován tak, že terčem bude jeden z cubesatů. Později se však návrh změnil a projektil bude vystřelen na terč s rozměry 10 × 10 centimetrů, který bude výsuvným mechanismem přesunut do vzdálenosti metr a půl od RemoveSATu. Test harpuny je tvořen dvěma základními systémy –  Harpoon Capture System, tedy zařízení, které vystřelí harpunu a Harpoon Target Assembly, což je zjednodušeně řečeno terč, který se vysune před družici. Tento terč vyvinula Surrey Satellite Center a návrh Harpoon Capture System zase vznikl v Airbus Defence and Space.

Průřez vypouštěcím zařízením harpuny.

Průřez vypouštěcím zařízením harpuny.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Systém pro vystřelení harpuny má zajistit, aby projektil zasáhl terč a pevně se k němu připojil. Právě tato metoda se do budoucna ukazuje jako velmi slibná, protože aktivní družice se nebude muset přiblížit k nefunkčnímu kusu kosmického smetí, čímž klesne riziko takového manévru. Cílový terč je tvořen polymerním monostabilním ramenem vyztuženým uhlíkovými vlákny.

Harpoon Capture System tvoří tři základní prvky – vypouštěcí zařízení, projektil a lanko. Vypouštěcí zařízení udělí projektilu dostatečnou rychlost pro proražení struktury terče. Výpočty ukazují, že pro spolehlivý průraz tradičních struktur tvořených hliníkovými stěnami ve tvaru včelích pláství, které se dnes používají na družicích, musí být rychlost při dopadu nejméně 20 m/s.

Vizualizace harpunového systému ve složeném stavu.

Vizualizace harpunového systému ve složeném stavu.
Zdroj: http://spaceflight101.com/

Po aktivaci se rameno vysune do vzdálenosti 1,5 metru a vezme s sebou i terč s rozměry 10× 10 centimetrů. Terč se tak dostane do zorného pole dvou dohledových kamer. Energii pro výstřel dodá jednorázový plynový generátor, který uvolní vysokotlaký plyn do komory, kde začne působit na píst. Tento píst bude zajištěný pojistku a jakmile síla překoná určitou hranici, pojistka praskne a píst se vydá vpřed, čímž uvede do pohybu i projektil. Ten po zásahu terče vyklopí na opačné straně čtyři hroty, což zajistí dostatečnou stabilizaci i pro odtahování masivních objektů.

Během samotného průrazu budou tyto čtyři hroty chráněny konstrukcí projektilu a celý systém by měl být schopen úspěšného záchytu i při zásahu pod úhlem až 45°. Po vystřelení bude cílový panel i se zaseklou harpunou zatažen, aby nedocházelo k rušivým kontaktům s brzdící plachtou.

Sledovací systém VBN.

Sledovací systém VBN.
Zdroj: http://spaceflight101.com

DebriSAT-2, který měl být původně harpunován, dostane nový úkol – po oddělení od mateřské družice přejde do fáze volného letu a RemoveSAT jej využije jako cíl pro své sledovací senzory. Navigační systém vizuálního typu VBN (Vision Based Navigation System) je tvořen sadou senzorů a také programovým vybavením s algoritmy pro vyhodnocování údajů. Výsledný systém má umožnit setkávací manévry s nespolupracujícím tělesem. Podobné senzory letěly už na několika dřívějších misích a fungovaly v tzv. stínovém režimu, kdy pouze sbíraly údaje z reálného provozu na oběžné dráze během setkávacích manévrů. Tyto údaje byly následně převedeny do systémů, které jsou schopné vyhodnocovat obrazové snímky a poskytovat navigaci k cílům, které nejsou schopné asistovat při setkávání.

Hardware je tvořen konvenční 2D kamerou a LIDAREM, který vyvinulo Švýcarské centrum pro elektroniku a mikrosystémy CSEM. Tento systém by tak měl být aktivní již při vypuštění cubesatu DebriSAT-1, na kterém nasbírá validační snímky. Hlavním cílem se však stane DebriSAT-2, který bude dlouhodobě sledován, aby bylo možné nasbírat data z různých vzdáleností, vzájemných poloh světelných podmínek a také různých pozadí. Zjednodušeně řečeno cílem je sledovat malý cubesat, dokud to bude možné.

Vizualizace brzdící plachty.

Vizualizace brzdící plachty.
Zdroj: http://spaceflight101.com/

Celý experiment bude zakončen vytažením plachty z RemoveSATu. Její plocha deset metrů čtverečních urychlí sestup družice a ověří tuto technologii pro příští mise. Tato technologie vznikla v Surrey Satellite Center a vychází z návrhu čtyř trojúhelníkových sekcí, které do výsledného čtvercového tvaru vysune čtveřice ramen. Ty jsou tvořeny dvěma základními díly – nafukovacím výsuvníkem, který posune plachtu dál od stany družice a samotným výsuvným mechanismem, který rozvine plachtu připojenou ke čtyřem ramenům.

Výsuvník bude aktivován dvojicí plynových generátorů, které vytvoří dostatečnou sílu pro jeho nafouknutí. Po dokončení se tak ještě složená plachta dostane zhruba metr od těla družice. Pak se aktivují rozkládací motory, které vysunou ramena z uhlíkových vláken a s nimi i samotnou plachtu. I tento proces budou hlídat dohledové kamery. Ze záznamu bude možné vyhodnotit nejen chování rozkládacího systému, ale i případné nečekané dynamické chování plachty. Vzhledem k rozměrům plachty bude po jejím rozložení omezena možnost komunikace s družicí i výroba elektrické energie. To, jak si plachta povede, bude vyhodnoceno na základě GPS dat, ale i z pozemních sledování a z nich vycházejících změn oběžné dráhy.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/dragon-spx14/removedebris/

Zdroje obrázků:
http://spaceflight101.com/…in-build-Nov-2017-Credit-SSTL-Max-Alexander-med-res.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/removedebris-3.jpg
http://images.sciencedaily.com/2012/05/120509123740-large.jpg
http://spaceflight101.com/…payloads-Nov-2017-Credit-SSTL-Max-Alexander-med-res.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/removedebris-8.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/removedebris-10.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/160753__medium.png
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/removedebris-11.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/removedebris-12.jpg
http://spaceflight101.com/…/uploads/sites/217/2018/03/160752_hta_figure_ssc_medium.png
http://spaceflight101.com/…/sites/217/2018/03/160761_vbn_hardware_ssc_medium.jpg
http://spaceflight101.com/…/wp-content/uploads/sites/217/2018/03/160747__medium.png

Družice, která nacvičí likvidaci kosmického smetí, 5.0 out of 5 based on 19 ratings
Pin It
(Visited 2 841 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (19 votes cast)
(Visited 2 841 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


17 komentářů ke článku “Družice, která nacvičí likvidaci kosmického smetí”

  1. Jirka Hadač napsal:

    Moc hezké a zajímavé, a pokud se tím něco naučíme. Tím líp, samozřejmě ve výšce ISS je to skoro jedno, z té výšky vše rychle shoří, pokud to nebude pravidelně nadzvedávané, jako je ISS.Ale rozhodně záslužné a zajímavé.
    Dumal jsem nad dvěma věcmi. Chtějí zkoušet, co udělá „balón“, supr, jen sem dumal, že možná stálo za to vypustit referenční objekt bez balónu, pak by byli přesně vidět rozdíly. Ikdyž, možná, z iss už bylo vypuštěno tolik cubesatů různých rozměrů, že reference netřeba.
    Zároveň jsem přemýšlel, už během startu CRS-14 a během videa, které Dušan pouštěl, co přinese střelba do upevněného nemanévrujícího terčíku, který bude mít vůči střelci rychlost 0km/m. A ještě ke všemu bude cíl sestřelcem spojen ramenem. Přičemž v žádném případě nezpochybňuju záměr tvůrců, a rozhodně si myslím, že to mají promyšleno lépe, než já, který o tom experimentu ví málo. Jen jsem prostě chtěl přihodit pár myšlenek.
    Ještě jednou na závěr, fajn nápad, který se do budoucna pro vyšší oběžné dráhy bude jistě hodit.

  2. tonda napsal:

    Článek fajn,díky.Na videu je to krásně polopatisticky vidět.Mě jen napadlo,jaké je riziko,že po vystřelení harpuny nedojde na cílovém objektu(myslím už konkrétní družici,mrtvou)k zásahu do něčeho (nádrže),co může explodovat a vyrobit mračno malých trosek.
    A gratulace Dušanovi k dnešnímu svátku!Všechno nej,ať se Ti daří a seš v pohodě!

    • AKA the A napsal:

      Vzhledem k ceně „ostré“ harpunovací mise by se asi dala očekávat velmi pečlivá příprava, takže by měli detailní informace o tom, co je pod plášťem družice a kam by tím pádem nebylo vhodné dloubat harpunou 😉

  3. android napsal:

    Jednou budou piráti takhle družice krást a chtít výkupný anebo to rozebírat na díly. 😉

  4. Josef Nežerka napsal:

    , musí být rychlost při dopadu by měla nejméně 20 m/s

    Tahle věta by zasloužila opravu.

  5. zargos napsal:

    Harpunování družic, tak to bychom se mohli dočkat i astronauta – harpunáře 🙂 V praxi by asi bylo lepší něco ve stylu canada arm a aby každá družice od určité dráhy byla k takovému odchytu uzpůsobena.

    Plachta je velmi zajímavá,ať jim to vyjde.

    • AKA the A napsal:

      rameno je plné dalších součástek, které mohou selhat…harpuna i síť jsou jednodušší a především levnější 😉

    • vj napsal:

      Je určitá šance, že nefunkční družice může rotovat nebo že nebude kompletní např. kvůli výbuchu nebo srážce. Pak by bylo zachycení ramenem možná problematické.

  6. entes napsal:

    Uz vidim ze soucasti ceny kazde druzice bude brzo i predplatne jejiho odchytnuti.

  7. RN napsal:

    Jen takový dotaz. Výše uvedené techniky si dokáži představit jak fungují na nerotující objekty, ale neovladatelné objekty budou nejspíš rotovat a navíc v rotaci může být uložena nemalá energie. Jak se budou řešit takové případy ?

    • Dušan Majer napsal:

      Domnívám se, že tam může pomoci to, že by se lanko na aktivní družici odvíjelo jen pomalu, aby postupně zpomalovalo rotaci zachyceného objektu. Sama družice by svou pozici udržovala pomocí trysek.

  8. Jiný Honza napsal:

    Díky za podrobný článek.

    Už to tady nepřímo zaznělo, ale tahle družice opravdu nic nenacvičí.

    Plachta a balón jsou pro vyšší oběžné dráhy (kde nám to smetí hlavně vadí) celkem k ničemu.

    Zachycení sítí bez poutacího lanka mohli klidně zkoušet i v „blicí kometě“. Zajímavé bude hlavně to, co se stane po napnutí poutacího lanka. Jak zařídí stabilizaci dvou rotujících těles spojených lankem.

    Harpunování terče pevně připojeného k samotné družici můžou klidně zkoušet doma v kuchyni. A když budou chtít věrnější podmínky, mohou si na kuchyňskou linku dát vakuovou komoru. Ale co to má společného s harpunování na oběžné dráze volně letící a pravděpodobně roztočené družice a její následné stabilizace, to opravdu netuším.

    Kdyby někdo chtěl opravdu vážně likvidovat kosmické smetí, začne vývojem satelitu s efektivním pohonem, pořádným radarem a softwarem na řízení stabilizace dvou objektů spojených lankem.
    Harpuna, síť nebo mechanický drapák jsou už pak pro inženýry „třešničky na dortu“.

    • Jirka Hadač napsal:

      Tu část o harpunování fixně k družici přichyceného terče podepisuju, psal jsem totéž.
      A to s tím balónem a plachtou na vyšších drahách, to mě nenapadlo. No jasně, tam je atmosféra ještě řidší. A družice z nich klidně mohou sestupovat desítky, stovky let.

  9. Petr napsal:

    Vzhledem k ceně vynesení materiálu na oběžnou dráhu (srovnává se s vyvážením zlatem), nebylo by lepší pokoušet se nefunkční družice a jejich úlomky transportovat na vesmírnou stanici (prozatím koncentrovat na nějaké místo) na vysoké oběžné dráze a tam materiál zaparkovat do doby, než technologie pokročí a bude možné staré díly zrecyklovat a vyrábět z nich nové družice a jejich součásti?
    Předpokládám, že většina družic obíhá po docela podobných drahách ve směru rotace země a jen málá část po dráze podobné polární. Energeticky by se to tedy pro minimálně část smetí mohlo vyplatit.
    Například pokud by družice lovci měly energeticky/materiálově úsporný iontový motor.

    • Dušan Majer napsal:

      Myšlenka je to sice hezká, ale při hlubším zamyšlení se ukáží její slabiny. Kosmický odpad je skutečně odpad. Jakmile družice přestane pracovat, jedná se o technologii, která byla postavena před zhruba 15 lety a navržena ještě dříve. I kdybyste takovou družici nějak zachránil, tak její díly jsou už zastaralé a dnes jsou k dispozici mnohem lepší.

Zanechte komentář