Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Мебельный салон предлагает Вам приобрести продукцию фирмы KLER , которая считается эталоном стиля и качества. Кожаные диваны, мягкие пуфики, стильные реклайнеры, удобные кровати — вот лишь малая толика того, что Вы сможете приобрести, если прямо сейчас посетите сайт www.klermoscow.ru.


062512 0909 1 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Пока столкновения в космосе не выводили из строя дорогостоящие, выполняющие важные государственные, социальные, экономические и даже стратегические функции КА, они оставались незамеченными в прямом и переносном смысле. Но после гибели французского КА CERISE и американского «Иридиума-33» проблема опасности столкновений и их предотвращения стала выходить на передний план.

 

Столкновения, как и взрывы, особенно неприятны своими последствиями — образованием множества осколков и расширением занимаемой ими орбитальной области вследствие разброса векторов начальных скоростей фрагментов. Но этим дело не ограничивается. Дональд Кесслер из Джонсоновского космического Центра НАСАНациональное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (англ. National Aeronautics and Space Administration) — агентство, принадлежащее федеральному правительству США, подчиняющееся непосредственно вице-президенту США и финансируемое на 100 % из государственного бюджета, ответственное за гражданскую космическую программу страны. Все изображения и видеоматериалы, получаемые НАСА и подразделениями, в том числе с помощью многочисленных телескопов и интерферометров, публикуются как общественное достояние и могут свободно копироваться. первым обратил внимание на то, что при достижении определенной критической плотности мусора в той или иной орбитальной области в результате все возрастающего числа столкновений может начаться процесс образования вторичных осколков, т. е. так называемый «каскадный эффект», или «синдром Кесслера». По сути, космический мусор приобретает некий агрессивный характер, которому уже мало что можно противопоставить. Это как пожар, который легче предотвратить, чем тушить.

 

Впервые свою гипотезу Дональд Кесслер опубликовал в 1978 г. [Kessler, Cour-Palais, 1978]. Первые исследования каскадного эффекта были проведены в [Eichler, Rex, 1992; Kessler, 1991; Kessler, Cour-Palais, 1978; Potter, 1993], а одни из последних в [Назаренко, 2010; Kessler et al., 2010].

 

Вероятность столкновений в любой орбитальной области растет приблизительно пропорционально квадрату количества КО. При этом каждая орбитальная область имеет свою «критическую плотность» КО. Другими словами, там должно присутствовать достаточное количество объектов с большой массой для обеспечения в результате столкновений прироста фрагментов, превышающего убыль КО в результате схода с орбиты (например, под действием атмосферного торможения или принудительного снятия КО с орбит). Когда эта критическая плотность будет достигнута, фрагменты мусора становятся главной причиной все возрастающей частоты новых столкновений, хотя их временной масштаб может быть растянут здесь на десятки и сотни лет.

 

062512 0909 2 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Рис. 1. Критическая плотность в низкоорбитальной области

 

В 1990-х гг. уже существовали отдельные орбитальные области, в которых пространственная плотность КМ превышала критический уровень. На рис. 1 показано, как изменяется с высотой критическая плотность КМ в низкоорбитальной области, зависящая от таких факторов, как сопротивление атмосферы, размеров КО, распределения наклонений орбит и др. [Kesler, 1991]. Районы, в которых реальная плотность км превышает критическую, заштрихованы (от 900 до 1000 км и около 1500 км). Популяция КМ там будет увеличиваться количественно, даже если не будет притока новых КО извне, а количество фрагментов от столкновений в соответствии с синдромом Кесслера — расти экспоненциально. Это видно из сравнения распределений каталогизированных КО по высоте по состоянию на 1999 и 2010 гг. (см. рис. 2 и 3). Для среднеразмерного и мелкого КМ эта разница была бы еще более впечатляющей, так как в результате столкновений КО мелких осколков образуется значительно больше, чем крупных, и еще больше, чем при взрыве (см. рис. 4).

 

062512 0909 3 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Рис. 2. Сравнение распределений каталогизированных КО в диапазоне высот 100…3000 км по высоте апогея орбиты

 

062512 0909 4 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Рис. 3. Сравнение распределений каталогизированных КО в диапазоне высот 3000…40 000 км по высоте апогея орбиты

 

062512 0909 5 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Рис. 4. Сравнение выхода фрагментов различных размеров в результате взрыва и сверхзвукового столкновения

 

Конечно, запуски новых КА (вместе с их РН и сопутствующим КМ) и взрывные разрушения также вносят вклад в рост популяции КМ в этих районах, тем более, что они наиболее привлекательны для функционирования многих типов КА и поэтому пользуются повышенным спросом. Соответственно «оптимизация» условий возникновения каскадного процесса столкновений КО там будет поддерживаться постоянно.

 

в низкоорбитальных районах ОКП, в которых еще не достигнута критическая плотность КО, она может возрасти за счет фрагментов от столкновений в соседних. Ранее уже говорилось о том, что многие фрагменты, особенно при взрывах, отделяются с очень высокими скоростями, и их орбиты распределяются довольно широко в пространстве. За счет этого, а также постепенного снижения КМ в нижележащие районы из-за сопротивления атмосферы, реальная плотность там будет повышаться. Кроме того, фрагменты от столкновений ВЭКО с НОКО будут пересекать низкоорбитальные районы на очень высоких скоростях, вызывать дополнительную угрозу столкновений и соответственно провоцировать каскадный эффект.

 

062512 0909 6 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Рис. 5. Приращение скорости, необходимое для вывода ИСЗ на орбиту захоронения (для трех классов орбит)

 

Высокие орбитальные районы обычно менее засорены, чем низкие и скорости столкновений там ниже, что обусловливает образование меньшего числа фрагментов при столкновении. При этом осколки распространяются там шире, чем на низких орбитах (см. рис. 5), что снижает вероятность новых столкновений. Все это препятствует развитию каскадного эффекта на высоких орбитах.

 

На ГСО, в окрестности которой скорость столкновений еще меньше и векторы скоростей КО при их сближении в своем большинстве близки к коллинеарным, даже если столкновение случится, осколки распространятся в гораздо большем объеме, чем на низких орбитах, и каскадного эффекта придется ждать, возможно, тысячи и десятки тысяч лет [Kessler, 1993]. Следовательно, в отличие от низкоорбитальных областей на ГСО популяция КМ будет расти в основном за счет взрывов и запусков новых КА, а не столкновений.

 

062512 0909 7 Космический мусор: каскадный эффект. Часть I

Процесс протекания синдрома Кесслера. Крупные обломки космического мусора, соударяясь, порождают большое количество более мелких, которые сталкиваются и образуют еще больше космического мусора более малого размера

 

Начало цепной ядерной реакции не заметить трудно, хоть и развивается она очень стремительно. С синдромом Кесслера дело обстоит иначе из-за масштаба времени. Оказывается не так просто понять, начался цепной процесс или нет. Ввиду растянутого масштаба времени судить приходится и по косвенным признакам. именно поэтому нет единодушного мнения ученых на этот счет. трудность осмысления этого явления двойная: нельзя точно предсказать начало процесса и нужно уяснить временной масштаб его развития. и то, и другое сильно зависят от многочисленных исходных неопределенностей.


Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».


Найти на unnatural: Космический мусор каскадный эффект Часть
Автор: admin | 25 Июнь 2012 | 1 136 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100