Нет сомнений, что при конструировании КА и разработке программы миссии игнорирование угрозы со стороны КМ по меньшей мере безответственно. В современном проектировании КА необходимо получить количественную оценку этой угрозы. Для этого конструктор должен проанализировать конкретную среду на пути будущего КА и четко представить себе уязвимость КА в этой среде.
Уже создано много аналитических, экспериментальных методов и инструментов для решения этой задачи. Но, пользуясь ими, мы не должны забывать о связанных с ними допущениях, ограничениях и неопределенностях.
Проектирование КА и его миссии состоит из целого ряда этапов. Каждый из которых в определенной, иногда весьма значительной степени, связан ограничениями, следующими из решений, принятых на предыдущих этапах. Чтобы избавиться от некоторых ограничений, если в этом возникает необходимость, приходится возвращаться к более ранним этапам и выполнять перепроектирование, что увеличивает стоимость проекта. Чем раньше КМ вводится как фактор в процессе проектирования, тем дешевле обойдется проект и более органично будет учтена реальность космического мусора в окончательной версии проекта.
Для каждого КА решение индивидуально, отлично от решений, принятых для других, так как количественная мера угрозы со стороны КМ, допустимого риска, конструкции и стоимости защиты напрямую зависит от массы, размеров, конфигурации аппарата, его рабочей орбиты, решаемых им задач.
Проектирование КА военного назначения должно подчиняться требованиям, подчас радикально отличным от принятых при создании наземного вооружения. Например, при проектировании космического кинетического оружия поражения необходимо учитывать, что наземных условиях выстрел снарядом (или пулей) имеет результатом попадание или промах. Сразу после этого снаряд или пуля, как правило, перестают существовать как таковые, т. е. уже не представляют опасности. В космосе при промахе кинетический снаряд продолжает полет с огромной космической скоростью и, следовательно, продолжает сохранять опасность, в том числе и для стороны, осуществившей выстрел.
Общий поток км, который встретит на своем пути проектируемый КА, зависит от высоты и наклонения орбиты, его размеров и формы, ориентации по отношению к вектору скорости потока КМ, продолжительности миссии, текущего уровня солнечной активности. К настоящему времени создано множество моделей засоренности ОКП (и ее прогнозирования), которые могут быть использованы для оценки потока и они постоянно совершенствуются [Kessler et al., 1989, 1994; Krisko, 2009, 2010, 2011a; Sdunnus, Klinkrad, 1993; Xu et al., 2011].
Проект космической станции «Freedom» был разработан в 1980-х гг., как ответ на запуск советской станции МИР, но так и не был завершен ввиду своей дороговизны и распада СССР – как главной первопричины необходимости создания «Freedom’а».
В 1998 году модернизированный модуль «Freedom» был включен в состав МКС, и составил американский сегмент станции.
Как только поток КМ определен и построено распределение углов атаки его элементов, можно оценить ожидаемое количество ударов по каждой компоненте КА за заданный период времени. В расчете учитывается и взаимное расположение компонент, экранирование каждой другими. Для этого существуют методики, которые использовались еще для анализа проектов ОС «Фридом», МКК «Шаттл», КА LDEF, ОК «Мир», МКС [Christiansen, 1993; Orbital…, 1995].
Количество ударов и их характеристики — это лишь исходная информация для определения ожидаемых последствий и влияния на выполнение КА своей миссии, т. е. оценка вероятности отказов и сбоев компонент и аппарата в целом. При этом нужно рассматривать следующие виды последствий ударов:
- выход из строя критических компонент (часто приводящие к отказу всего КА);
- повреждения после ударов высокоскоростных фрагментов; воздействие импульсных нагрузок от удара; влияние плазмы;
- изменение влияния данного повреждения во времени;
- поверхностная деградация от ударов.
Уязвимость КА в потоке км может быть определена как комбинация вероятностей отказов его различных компонент вследствие ударов КМ с учетом важности (критичности) каждой компоненты и их дублирования (избыточности).
Оценка уязвимости КА считается основанием для определения степени и вида защиты КА. В настоящее время применяются три вида защиты — пассивная, активная и операционная («стандарт» IADC). Пассивная защита — это не что иное как бронирование КА или его компонент. Активная — предполагает использование средств наблюдения для обеспечения заблаговременного предупреждения о грозящем столкновении и последующее применение мер защиты критических компонент КА или совершение маневра уклонения от потенциального столкновения. Операционная защита предусматривает изменение дизайна КА с допущением возможности умеренной деградации КА или изменения его функций с целью снижения общего риска для миссии. Задача конструктора КА — найти компромисс между стоимостью реализации каждого метода и выигрышем.
Бронирование, с одной стороны, защищает КА от ударов мелкого и, в меньшей степени, среднеразмерного КМ, с другой, удорожает конструкцию и выведение аппарата в космос, уменьшает массу полезного груза. Разумеется, масса брони пропорциональна размеру и массе частиц, от которых она защищает. ‘К счастью’, с большей вероятностью КА подвергается ударам мелкого КМ, чем среднеразмерного и тем более крупного. Поэтому защищать броней от удара крупного КО не имеет смысла из-за малой вероятности столкновения и неспособности уберечь КА от разрушения, если столкновение все же произойдет.
Сам выбор конкретного защитного покрытия — это по сути компромисс между: допустимым уровнем риска повреждения КА или его критических компонент; добавленной массой щита и допустимым снижением массы полезного груза. Не следует также забывать, что добавление брони увеличивает не только массу аппарата, но и площадь его поперечного сечения. Это два больших минуса как с точки зрения повышения засоренности космоса в перспективе, так и увеличения вероятности столкновения с КМ.
Некоторую роль защиты КА выполняет его скелетная конструкция, которая должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать пусковые нагрузки.
В космической индустрии используются два типа щитов — монолитный и многослойный с промежутками. Достоинство первого — простота и малый объем. Многослойный — обеспечивает лучшую защиту от высокоскоростного КМ, чем монолитный, при той же массе. Монолитный щит естественно использовать для защиты от мелкого КМ при средних и низких скоростях удара, когда энергия атакующей частицы слишком низка, чтобы сама частица разрушилась. В этом случае щит эффективен потому, что его масса достаточно велика, чтобы абсорбировать и рассеять энергию удара.
Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».