Только на сайте www.desktopwallpapers.org.ua Вы сможете скачать обои, которые станут ярким украшением рабочего стола вашего компьютера. Для вашего удобства все представленные на сайте обои разбиты по категориям, благодаря чему Вы с легкостью сможете найти именно то, что Вам нужно.

Раньше конструкторы КА не рассматривали КМ как обязательный фактор проектирования. Сегодня новые подходы к проблеме КМ дают возможность адекватно оценить риски для КА и подобающе защитить их по крайней мере от среднеразмерного КМ, но не от столкновения с крупным КО.

Каскадный эффект приведет к тому, что в ближайшие десятилетия столкновения уже существующих техногенных КО начнут доминировать как источники образования нового КМ. Это ускорит появление новых катастрофических столкновений, и ситуация выйдет из-под контроля даже без вмешательства человека [Johnson, Klinkrad, 2009; Orbital___, 2009].

Космический мусор диаметром 30 см движется по земной орбите со скоростью 10 км/с и способен с легкостью пробить не только солнечные батареи спутника, но и его бронированную обшивку

В настоящее время космический мусор — неотъемлемая составляющая околоземной космической среды и должен учитываться при изучении космического пространства, проектировании космических аппаратов, планировании операций в космосе. Постоянно расширяющийся арсенал аналитических и экспериментальных инструментов количественной оценки угрозы со стороны космического мусора для космических аппаратов и человечества вообще, а также методов защиты от нее позволяет принимать грамотные решения.

Чтобы адекватно оценивать опасность со стороны техногенного космического мусора для космических аппаратов, надежно ее прогнозировать и своевременно принимать решения для уменьшения этой угрозы, необходимо глубокое понимание причинно-следственной связи между процессами, происходящими в околоземном космическом пространстве, и космической деятельностью человека в ближней и дальней перспективе, причем с хорошим знанием всех параметров этих процессов: состава, количества, размеров, массы, скорости, распределения космических объектов по высоте, наклонению, эксцентриситету; источников образования и динамики потоков космического мусора.

Однако пока не хватает не только такого рода данных (прежде всего о диапазонах размеров, разнообразии форм, масс и материалов, распределении космического мусора в ряде орбитальных районов), но и измерительной информации. Зачастую просто фиксируются некоторые факты без анализа наблюдаемого. До сих пор не подведена единая научная платформа под все накопленные в этой области знания, которая должна грамотно отражать влияние космической деятельности человека на состояние космической среды. Углубление наших знаний в этой области, их использование для принятия мер по снижению угрозы космического мусора может быть эффективным средством в этом направлении, возможно, единственным на текущем этапе.

Без использования этих знаний защита КА может оказаться избыточной либо недостаточной, превентивные меры по предупреждению угрозы со стороны КМ в будущем неэффективными и даже ошибочными, а стоимость необоснованно выбранных мер слишком высокой.

При написании этой работы авторы не ставили себе задачу достичь предельной полноты охвата темы техногенного засорения ОКП. Это было бы безнадежным занятием в виду чрезвычайной обширности темы и динамики ее информационного покрытия в настоящее время. Сама по себе проблема стала настолько актуальной, что ее исследованием занимается огромная армия ученых практически во всех странах мира. Если бы кто-то задумал составить энциклопедию техногенного засорения ОКП, ее пришлось бы обновлять чуть ли не каждый день.

Хотя авторы стремились к научной строгости изложения, они старались сделать данную статью доступной широкому кругу читателей, поскольку сама тема требует популяризации.

Главная цель этой статьи — чтобы как можно больше людей прониклось пониманием крайней важности обсуждаемой проблемы. Только тогда можно надеяться на улучшение перспективы будущего состояния близкого нам космоса и на хорошую отдачу от него.

В работе над этой статьей были использованы материалы из многочисленных, прежде всего, научных источников, в том числе материалы рабочих групп Комитета IADC; Европейских конференций по проблемам техногенного засорения космоса; международных научных семинаров; итогового отчета Комитета национального исследовательского совета США по космическому мусору (в работе которого принимал участие один из авторов); публикации в известных международных научных журналах, ежеквартальных изданиях НАСА «Orbital Debris Quarterly News» и многих других.

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

Всем владельцам немецких автомобилей марки Mercedes-Benz стоит знать, что по адресу http://www.avilon.ru/_teh_center находится сервис Мерседес, опытные специалисты которого в кратчайшие сроки и по разумной цене смогут произвести технологическое обслуживание и ремонт любой сложности транспортных средств премиум-класса.

Все методы борьбы с опасностью КМ в ОКП можно разделить на три главные категории. Первая категория (так сказать, «эгоистическая») — пассивная, активная или операционная защита конкретного КА, направленная на устранение или смягчение последствий ударов, в основном, мелкого КМ, но никак не на замедление темпа и, тем более, не снижающая засоренности ОКП. Соответствующий результат достигается за счет бронирования КА, осуществления маневров уклонения от столкновения, активной контратаки на надвигающийся КО и т. п.

Методы второй категории имеют целью ограничение количества потенциально опасных КО, прежде всего, за счет пассивации КА и РН (что снижает количество взрывов в космосе) и сокращения выброса в космос сопутствующего миссиям мусора. Эти методы тоже не уменьшают текущей засоренности космоса.

Методы третьей категории направлены на снижение или ограничение общей массы и суммарной площади поперечного сечения КО путем снятия их с орбит или увода на другие, мало используемые орбиты отработавших КА и РН. В этом же направлении работает и тенденция миниатюризации новых запускаемых КА с применением мини-, микро-, и нанотехнологий.

Эти три подхода по-разному влияют на динамику засоренности ОКП и опасности КМ в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Методы первых двух категорий могут значительно замедлить рост опасности КМ в краткосрочном плане и даже ограничить его накопление в некоторых орбитальных районах в дальней перспективе. Но это мало повлияет на замедление или предотвращение каскадного эффекта. Только ограничение и снижение общей массы и суммарной площади поперечного сечения орбитальной популяции сможет предотвратить или, по крайней мере, замедлить возникновение каскадного эффекта, уменьшить скорость его развития.

Снижение общей площади поперечного сечения популяции КМ играет важную роль в уменьшении долгосрочного потенциала возникновения и развития каскадного процесса столкновений, поскольку характеризует общую площадь цели для атаки со стороны КМ. Ограничение массы существенно потому, что в долгосрочной перспективе именно масса определяет максимальное число фрагментов, образующихся в результате столкновений, способных вызвать дальнейшие разрушения встречных КО.

Для оценки и прогнозирования перспективности и эффективности различных мер борьбы с засорением космоса можно использовать те же модели, что и для прогнозирования эволюции будущей популяции КМ. Они содержат много неопределенностей, снижающих точность прогноза, однако это не мешает получать пусть грубые, но сравнительные оценки возможностей различных методов сокращения или замедления роста популяции КМ.

Если бы в будущем популяция КМ пополнялась только за счет отработавших КА, РН, сопутствующего миссиям КМ, продуктов взрывов и деградации поверхности КО, она продолжила бы свой приблизительно линейный рост. Однако существующие модели прогноза засоренности ОКП, используя различные методологии, допущения, начальные данные, однозначно предсказывают, что столкновения между КО добавляют потенциально большое и экспоненциально растущее количество КО, переводящее процесс техногенного засорения ОКП в новое, отнюдь не вызывающее оптимизма качество. Хотя даже небольшие КО представляют значительную угрозу действующим КА, именно крупные объекты (такие как КА и РН) несут в себе потенциал возникновения и развития каскадного процесса столкновений.

Рис. 1. Прогноз распределений пространственной плотности крупных КО для различных сценариев борьбы с засорением ОКП

Долгосрочное прогнозирование процесса засорения ОКП свидетельствует, что даже при самых решительных мерах, таких как немедленное прекращение всяких запусков и деятельности в космосе, связанной с образованием КМ, стабильность космической среды не может быть обеспечена. Графики на рис. 1 показывают, что даже при самой жесткой политике борьбы с засорением космоса, остановить этот процесс уже невозможно. Можно только замедлить темп засорения ОКП, но не снизить общую массу КМ. Единственный реально действующий сегодня механизм удаления КМ из космоса — это естественный его вход в атмосферу. Предлагаемые радикальные меры удаления крупного КМ из ОКП крайне дороги при довольно низкой эффективности. Реальных способов удаления мелкого и среднеразмерного КМ вообще нет.

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

Безусловно, в наше время наблюдается более ответственное отношение человека к освоению космической среды. Это, в частности, выражается и в выборе некоторыми странами (к сожалению, далеко не всеми) щадящих режимов проведения космических экспериментов, приводящих к образованию КМ; в более рациональном проектировании космической техники, во все более активном использовании орбит захоронения отработавшей техники и в расширяющейся популяризации идей бережного отношения к чистоте космической среды.

К сожалению, нет поставленной в международном масштабе и системно решаемой задачи полного исследования засоренности ОКП. Большинство измерений КМ собрано по случаю, как побочный продукт. Ни национальных, ни интернациональных централизованно координируемых стратегий разработки и реализации космических экспериментов, рассчитанных исключительно на изучение и решение проблемы КМ сегодня не существует [Orbital___, 1995].

Все известные модели предсказывают только рост техногенной засоренности околоземного космоса. Разница лишь в некоторых конкретных параметрах и форме кривых, которые, тем не менее, всегда монотонно возрастающие. Хуже того, для разных сценариев развития процесса дальнейшего освоения космоса они либо экспоненциальные, либо, в лучшем случае, асимптотически линейные.

В прошлом международное космическое право создавалось под эгидой Комитета ООН по мирному использованию космического пространства (COPUOS) и не имело прямого отношения к угрозе со стороны КМ. Долгое время действовали три международных договора, лишь косвенно касающиеся КМ:

• Договор о принципах управления деятельностью при исследовании и использовании космического пространства, включая Луну и другие небесные тела (10 октября 1967 г.).

• Конвенция о международной ответственности за вред, нанесенный КО (1 сентября 1972 г.).

• Конвенция о регистрации объектов, запускаемых в космическое пространство (15 сентября 1976 г.).

В последние годы ООН все пристальнее вникает в проблему техногенного засорения космоса. С 1994 г. Научно-технический подкомитет Комитета ООН по мирному использованию космоса на каждой своей ежегодной сессии включает в качестве пункта повестки дня рассмотрение этого вопроса [United…, 2011]. На 38-й Ассамблее COSPAR, состоявшейся в Бремене в 2010 г., на секции «Потенциально вредоносная деятельность в космосе» главной была тема «Космический мусор — глобальный вызов».

В 1999 г. Подкомитет выпустил свой первый большой отчет по этой теме [United…, 1999]. В 2007 г., опираясь на предложения и отчеты IADC, он разработал основные направления снижения засоренности космоса [United…, 2007а]. В этот важный документ ООН включает следующие требования к космической деятельности государств:

• ограничивать образование новых КО при нормальной работе КА;

• минимизировать возможности случайного разрушения (взрыва) КА (РН) во время его функционального существования;

• ограничивать вероятность случайного столкновения на орбите;

• избегать намеренных разрушений КО и других вредных действий в космосе;

• минимизировать возможности послеоперационного разрушения КА (РН) в виду остаточной энергетики на борту;

• ограничивать длительность пребывания КА и ступеней РН в области низких орбит по окончании их миссии;

• ограничивать длительность пребывания КА и ступеней РН в области геосинхронных орбит по окончании их миссии.

На 48-й сессии в феврале 2011 г. Подкомитет продолжил изучение проблемы КМ, заслушав целый ряд специальных докладов представителей США, Франции, России, ЕКА, IADC. В качестве злободневного вопроса рассматривалось постоянно возрастающее число маневров уклонения от столкновений, выполнявшихся действующими КА в последние годы. НАСА доложила о семи таких маневрах своего флота автоматических спутников и маневре МКС; Франция и ЕКА — о 13 и 9 маневрах, соответственно [United…, 2011].

На этой фотографии мы видим лабораторный опыт, проведенный специалистами Европейского Космического Агентства (European Space Agency). 15-грамовая алюминиевая сфера была запущена со скоростью 6.8 км/с в алюминиевый блок, толщиной 18 см.

Примерно так же выглядит броня космического аппарата, когда в него попадает крошечный обломок космического мусора.

Нам представляется, что следовало бы пересмотреть современную стратегию реагирования операторов КА на опасные сближения. Во-первых, точность предсказания сближения в большинстве случаев низка, прежде всего, для не каталогизированных КО. Во-вторых, не существует оценок того, насколько полезными оказались проведенные за все время маневры ухода от столкновений, действительно ли они увели КА от реальных столкновений, поскольку невозможно точно оценить реальный промах, да еще гипотетический в прошлом. В-третьих, степень эффективности дорогостоящих уходов от столкновения страдает от того, что большинство действительно опасных сближений не регистрируется, так как количество не каталогизированных (а, следовательно, не отслеживаемых) опасных элементов КМ велико. В этих условиях возможны даже такие парадоксы: уводим КА от сближения с менее опасным КО в сторону более опасного. Уже сейчас суета с так называемыми уводами от столкновений достаточно интенсивна, а что будет в будущем, когда плотность КМ значительно возрастет? Сомнению не подлежит целесообразность уводов от столкновения с крупными и массивными КО, так как они действительно крайне опасны, сопровождаются с высокой точностью ввиду достаточного количества измерений и меньшей зависимости эволюции их траектории движения от атмосферного торможения (меньшее значение отношения площади поперечного сечения к массе).

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

Хотите провести незабываемый отдых на пляже, омываемом теплыми волнами Карибского моря? Тогда без промедления вбейте в Яндекс “Маргарита Венесуэла” или, не тратя времени, посетите сайт www.isla-margarita.ru, который расскажет Вам, чем так примечателен райский остров под названием Маргарита.

Рис. 2. Оптико-электронный комплекс по наблюдению за космосом «Окно»

Традиционные методы поиска плохо адаптируются к новым широкомасштабным популяционным изменениям в ОКП и нуждаются в совершенствовании с целью повышения их производительности и эффективности. В настоящее время назрела необходимость модернизации всего арсенала методов поиска КО и создания методологии обнаружения мелких и слабоконтрастных космических объектов (КО) на основе последних научных достижений в этой области. В частности [Вениаминов, 2010], предлагается новый теоретический подход к построению методов поиска таких КО по грубой априорной информации об их орбитах. Некоторые методы, основанные на этом подходе, успешно испытаны, показали высокую эффективность и уже используются в действующих системах (в российской СККП, в частности, в ОЭК «Окно» (рис. 2) [Tretyakov et al., 2005; Veniaminov et al., 2005]). Еще на этапе отработки с их помощью удалось обнаружить БЭКО типа «Молния», считавшиеся потерянными и в течение более полугода не кооперируемые операторами, а также успешно пронаблюдать заданные КО на ГСО бортовым телескопом с очень узким полем зрения в космическом эксперименте с орбитальной астрономической обсерваторией «Астрон» (рис. 3), проводившемся в течение более шести лет с марта 1983 г. под руководством академиков А. Б. Северного и А. А. Боярчука.

Рис. 3. Советская космическая обсерватория «Астрон» была запущена в 1983 году. Проработала вместо одного запланированного года шесть лет

За последние десятилетия создано много моделей засоренности ОКП, в том числе и для составления прогнозов на десятки и сотни лет вперед. Однако практически все они грешат достоверностью выдаваемой информации. Одна из главных причин в недостатке измерительной информации для калибровки этих моделей, особенно в части мелкого КМ.

Повышение эффективности решения проблемы КМ, оперативности получения соответствующих оценок и прогнозов требуют постоянного совершенствования динамических моделей состояния засоренности ОКП на базе современных научных исследований (в математике, физике, астрономии) и регулярного притока новых данных наблюдений КМ. Крайне актуально заполнение пробела в знаниях о связи между хорошо наблюдаемой крупноразмерной фракцией фрагментов разрушения КО и практически ненаблюдаемой мелкой фракцией с целью адекватной экстраполяции первой на вторую при моделировании разрушений.

Имеет смысл внимательно проанализировать архивные данные всех космических миссий, предусматривавших зондирование космоса разнообразными бортовыми СН в различных диапазонах длин волн при выполнении задач, не связанных с наблюдениям КМ. Новая информация о КМ будет получена фактически бесплатно и этим нужно воспользоваться.

Рис. 4. Радиолокационная станция GRAVES

Международное сотрудничество могло бы помочь улучшить качество каталогов КО без особых дополнительных затрат. Это, пожалуй, самый экономичный способ существенно поднять эффективность каталогов. В каждом из них есть объекты, отсутствующие в других. Кроме того, между каталогами есть противоречия, анализ которых даст возможность устранить ошибки в обоих каталогах. В принципе, такой обмен позволит улучшить и точность сопровождения КО. Идеальным шагом в интересах повышения качества мониторинга ОКП было бы объединение СККП России, США и создающейся сейчас европейской СККП. Однако первые две системы принадлежат Министерствам обороны России и США, а основа европейской СККП РЛС GRAVES (рис. 4) — Министерству обороны Франции. Поэтому существуют определенные режимные ограничения на выдачу информации, и в нынешней международной обстановке мало вероятно, что их удастся устранить.

Крайне важно договориться о запрете намеренных разрушений КО, в том числе в конце их активного существования, испытаний кинетического оружия (ИС, АСАТ, KKV). Этот вопрос в значительной степени политический и затрагивает такие деликатные аспекты интересов государств, как национальная безопасность. Если не удастся договориться о полном запрете, то можно попытаться склонить заинтересованные стороны к проведению испытаний по «разумным» щадящим сценариям, которые завершались бы минимальным увеличением засоренности космоса.

По мере нарастания угрозы техногенного засорения космоса и ее осознания широкими слоями общества все чаще слышны голоса из научных, общественных и государственных организаций о необходимости принятия более радикальных мер борьбы с этой угрозой, чем реально принимаемые или планируемые. Так, Международная академия астронавтики (IAA) после фундаментальных исследований, инициированных ею в конце 2006 г., пришла к выводу о необходимости сосредоточиться, в отличие от прежних, «пассивных» мер, на активном удалении из космоса больших и малых нефункциональных КО — отработавших КА, ступеней РН, сопутствующих космическим миссиям фрагментов, которые служат потенциальным источником дальнейшего развития каскадного эффекта.

Рис. 5. Прогноз распределений пространственной плотности крупных КО для различных сценариев борьбы с засорением ОКП

Основным инструментом исследований служила эволюционная модель НАСА LEGEND. В качестве критерия для выбора кандидата на удаление было принято произведение массы КО на вероятность столкновения — MP_C. При этом рассматривались различные сценарии и нормы удаления: 5 (сценарий 1), 10 (сценарий 2) и 20 (сценарий 3) КО в год, начиная с 2020 г. На рис. 5 показан прогноз на 200 лет (на 2206 г.) распределений пространственной плотности крупных КО (<10 см) по высотам для этих сценариев. Нижняя кривая представляет распределение плотности на 2006 г., верхняя — прогноз на 200 лет при условии, что никакие меры по снижению засоренности ОКП приниматься не будут [Liou, Johnson, 2007].

Рис. 6. «Солнечный парус» на аппарате Космос-1, запуск которого состоялся в 2005 году с российской подводной лодки, но закончился неудачей и ракета-носитель вместе со спутником упали в океан

Главный вопрос стратегии активного удаления КО из космоса, как уже отмечалось, — рациональный выбор эффективных (или хотя бы физически реализуемых) и в то же время экономически оправданных (по крайней мере, щадящих) средств проведения этой операции. К их числу может быть отнесено использование направленной энергии, электродинамических и аэродинамических приемов (искусственное увеличение баллистического коэффициента), «солнечных парусов» (рис. 6), вспомогательных двигательных установок, тормозящих поверхностей, «захват» на орбите и пр. Проект IAA позиционируется как международный, у него 23 автора из девяти стран [Johnson, Klinkrad, 2009; Liou, Johnson, 2007a].

Заметим, что эта мера (активное удаление из космоса крупных объектов) постоянно предлагается в течение последних 30 лет. Однако принять ее к исполнению мешала дороговизна таких проектов. Сейчас, похоже, правительства космических держав (прежде всего США) готовы с этим смириться ввиду большой убедительности последних событий в ОКП.

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

Хотите побывать этим летом в славном городе Ставрополь, тогда обязательно занесите в закладки своего браузера сайт http://2stavropol.ru/, по страницам которого Вы совершите электронную экскурсию по этому прекрасному городу. Так что, когда Вы приедете в Ставрополь, то будете знать его как свои пять пальцев и точно не сможете пропустить ни одной достопримечательности.

Рис. 1. Бремя существования переходной ступени вывода КА на ГСО с борта шаттла

Слабые гравитационные возмущения влияют на время существования КО на ГСO с высотой перигея меньше 300 км, а выбор ориентации орбиты по отношению к Солнцу и Луне может заставить лунно-солнечные возмущения работать на снижение перигея. На рис. 1 показано, как время существования РН изменяется в зависимости от угла между плоскостью начальной орбиты переходной ступени и Солнцем [Loftus et al., 1992]. Это подсказывает очень дешевый способ ускорения схода с орбиты некоторых КА, но для других может потребоваться существенная коррекция программ запуска, полета, функционирования и согласования с прочими требованиями миссии.

На низких орбитах можно использовать приспособления для усиления торможения в атмосфере, например, установку насадок или изменение геометрии поверхности с целью увеличения ее площади. Это могут быть надувные баллоны. Чтобы они не сдувались после перфорации мелким мусором, использовать способы придания им жесткости после надува.

Перевод КА и РН на орбиты захоронения в конце их активного существования. Принудительное снятие КО с орбит и сокращение времени их существования обходится сравнительно недорого для НОКО или КО на эллиптических орбитах с низким перигеем. С ростом высоты их стоимость неприемлемо возрастает. Есть более универсальный метод «разредить» переполненные рабочие орбиты — перевод выработавших ресурс КА на орбиты захоронения, где они уже не представляют угрозы для действующих КА. Такие орбиты должны отстоять достаточно далеко от рабочих, чтобы естественные возмущения не вернули их вскоре назад. Перевод КО на орбиты захоронения не может считаться радикальным способом борьбы с засорением космоса, так как не уменьшает общей кинетической энергии в ОКП. Этот способ снижает риск столкновений в исходном районе, но повышает его в районе захоронения. Если там произойдет разрушение КА, то осколки могут достигнуть и его прежней рабочей орбиты. При выборе способа снижения опасности столкновения для действующих КА нужно сопоставлять различные варианты по стоимости и эффективности. Представляется, что в перенаселенной низкоорбитальной области, где трудно найти место для орбиты захоронения, обычно больше подходят методы радикального удаления КО с орбиты. Но для ГСО и полусуточных орбит они слишком дороги.

Швейцарцы уже изобрели миниатюрные аппараты, которые научное сообщество прозвало космическими пылесосами. Основная задача этих сверхтехнологичных устройств – очищение орбиты нашей планеты от мусора

Методы активного удаления КМ с орбит. Эта идея возникла почти лет 30 назад [Liou, Johnson, 2007b; Orbital___, 1985]. Однако из-за технической сложности и чрезвычайно высокой стоимости подобных проектов их не относили к разряду практически реализуемых. Удаление с орбит крупных КО требует высокозатратного создания специальной космической транспортной техники при сравнительно малой значимости снижения риска столкновений в результате такой операции. Самая оптимистическая оценка стоимости реализации подобного проекта [Petro, Ashley, 1989] — более 15 млн. дол. на каждый КО в нижней орбитальной области, не считая затрат на разработку маневровых систем.

События 2007, 2009 гг. (разрушения КА «Фенгюн-1С», «Иридиум-33», «Космос-2251») и последние модельные исследования, подтвердившие явную нестабильность популяции КМ в низкоорбитальной области (ниже 2000 км), дали новый импульс для дискуссий на эту тему. Как уже упоминалось выше, президент США Обама заявил в 2010 г., что национальная космическая политика США предусматривает проведение исследований и развитие технологий удаления КО из ОКП. Были даны соответствующие директивы NASA и Министерству обороны США [Liou, 2011b; President…, 2010].

Перед планированием операций по активному удалению КО встает ряд вопросов:

• в каком орбитальном районе следует осуществлять такие операции в первую очередь;

• каковы главные цели этих операций;

• какой КМ следует удалять в первую очередь;

• какой будет выигрыш от этого;

• каким образом конкретно осуществлять операцию.

В свете последних исследований и событий в космосе ответ на первый вопрос будет однозначен — низкоорбитальная область с наиболее неустойчивой популяцией КМ с признаками начала каскадного процесса. Засорение более высоких орбитальных областей, как мы уже отметили, проходит значительно медленнее. Второй вопрос затрагивает как общие, так и частные цели. Общей вполне может быть максимизация отношения достигаемой выгоды к стоимости операции. Частные цели: управление ростом популяции мусора, ограничение интенсивности столкновений, смягчение последствий столкновений для конкретно выбранных КА, например, пилотируемых, и т. п. Какой КМ удалять прежде всего, во многом зависит от ответа на второй вопрос. Если цель операции — стабилизация роста популяции КМ или снижение числа катастрофических столкновений, то удалять нужно в первую очередь крупные массивные КО. В случае постановки задачи снижения угрозы нарушения функционирования действующих КА, следует настраиваться на удаление КО размером от 5 мм до 1 см. Они самые опасные в этом смысле и составляют 80 % всех КО размером более 5 мм [Liou, 2011b]. Другой вопрос — как это сделать.

Идей высказано достаточно много, включая и весьма фантастические предложения: «космические веники», огромные пенные шары, фольговые ловушки, лазерные испарители наземного и космического базирования. Короче, в настоящее время не существует сколько-нибудь эффективных технологий удаления мелкого КМ, а все предлагаемые схемы выглядят очень дорогими.

Выбор того или иного метода борьбы с засорением ОКП по сути будет компромиссом между эффективностью его применения и стоимостью реализации.

Мы уже говорили, что из-за ошибок прогнозирования движения КО в 159 атмосфере невозможно с достаточной определенностью и, главное, своевременно предсказать место и время падения на Землю крупных обломков, что не позволяет принять необходимые меры защиты.

Главная неопределенность связана со «слабым» знанием вариаций плотности верхней атмосферы, и трудностью предсказания изменяющейся во времени площади поперечного сечения НОКО из-за его переменной ориентации в пространстве. Функцией этих двух характеристик будет сила сопротивления атмосферы, как очень важная компонента уравнений движения КО. Из-за плохого знания этих характеристик точность прогнозирования движения НОКО снижается на ±15 %, что составляет несколько, а иногда и десятки километров за сутки. Эти ошибки существенно превосходят все остальные, включая погрешности наблюдения и неоднозначность модели движения. Особенно недопустимы такие ошибки при расчете параметров сближения КО для программирования маневра уклонения от столкновения.

Над этой проблемой работают многие ученые, но ее решение пока оказывается им не под силу. Заметно улучшить точность определения этих двух характеристик сейчас нереально. Единственный, по нашему мнению, вариант — увеличение плотности средств наблюдения и рациональное их размещение с целью сокращения «слепых» для СН интервалов движения КО. Положительный эффект в этом случае гарантирован, однако проблема — в высокой стоимости реализации такого варианта. В то же время, если это все-таки будет сделано, то приведет не только к демпфированию проблемы непредсказуемости атмосферы, но и к существенному покрытию слабо контролируемых сегодня областей орбит, т. е. к более быстрому обнаружению КО, причем на большем разнообразии орбит.

Обе СККП испытывают множество трудностей в обнаружении и контроле движения БЭКО и других КО в высокоорбитальной области. Одна из причин этих трудностей — несовершенство используемых повсеместно методов поиска и обнаружения малоразмерных и слабоконтрастных КО. В ОКП присутствует гигантская масса элементов КМ с широчайшим разбросом орбитальных, массогабаритных и прочих индивидуальных параметров: по высотам, размерам, яркости и т. п. При этом специалисты испытывают большой дефицит измерительной информации для полноценного исследования проблемы техногенного засорения ОКП. КО различных классов требуют индивидуального подхода к их поиску и обнаружению.

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

Сайт www.webbazar.ru станет вашим верным другом и незаменимым помощником в поиске товаров в интернете. По сути webbazar — это гигантский Интернет магазин с большой буквы, представляющий сотни более мелких! Благодаря этому Вы сможете найти все, начиная от бумажных полотенец и заканчивая сложной вычислительной техникой, в одном месте, не отходя от своего компьютера!

Самый неудоборешаемый вопрос — это поиск путей реального снижения засоренности ОКП. Есть только один физически осуществимый способ — прекратить всю космическую деятельность на несколько миллионов лет. За это время ОКП, хотя и очень медленно, само очистится без нашей помощи. Но человечество генетически неспособно столько ждать, хотя, на наш взгляд, оно и заслужило такое наказание.

Возможные (как реальные, так и пока фантастические) методы снижения и прекращения роста будущей популяции КМ можно разделить на две категории:

• методы, снижающие краткосрочную опасность засорения ОКП;

• методы, позволяющие уменьшить эту опасность в дальней перспективе.

Методы первой категории не направлены на снижение общей массы КМ в ОКП, т. е. не уменьшают общую кинетическую энергию на околоземных орбитах — источник долгосрочной опасности столкновений в ОКП [Kessler, Loftus, 1995]. Эти методы не решают проблему коренным образом, т. е. уменьшения общей массы КО на орбитах, хотя и позволяют замедлить рост опасности КМ. Гораздо важнее уменьшить рост количества столкновений, прежде всего, в низкоорбитальной области. Этой цели служат снятие с орбит крупных КО и перевод на орбиты захоронения крупных НОКО и КО на эллиптических орбитах, пересекающих низкоорбитальную область. Это задача методов второй категории.

Рассмотрим конкретные методы обеих категорий.

Сокращение высвобождения КМ, сопутствующего запуску и функционированию КА. Этот тип КМ составляет порядка 10% от количества каталогизированных КО. Существует также значительная популяция некаталогизированного КМ этого типа. Причем большинство его находится в наиболее «населенных» орбитальных районах. Прекращение выброса в космос такого мусора реализуется довольно легко и без негативного влияния на оперативные свойства КА, хотя достигнутый эффект будет небольшим. Но на низких орбитах находятся ценные действующие КА, поэтому это будет полезно.

Сокращение продуктов выхлопа твердотопливных двигателей. Тем самым достигается лишь небольшое облегчение для космической деятельности, поскольку эти мельчайшие частицы имеют очень короткое время существования (менее 5 % их остаются на орбитах более года [Orbital___, 1995]). Здесь нужно либо отказываться от использования твердотопливных двигателей, либо менять тип топлива.

Пассивация КА и РН. Цель — сохранение целостности КА и РН и, как следствие, сокращение осколкообразования от взрывов. Так как при взрыве образуется значительное количество крупных и среднеразмерных фрагментов с потенциально длительным временем орбитального существования, то сокращение количества взрывов даст существенный эффект в смысле сдерживания роста популяции КМ. Единой рекомендации по предотвращению случайных взрывов нет. Но существует системный подход, называемый пассивацией, который предполагает:

• определение всех потенциальных источников запасенной энергии, остающейся к концу функционирования КА;

• для каждого такого источника разрабатывается безопасный метод рассеивания запасенной энергии;

• активация этих методов в конце функционального существования КА.

Для устранения условий взрыва РН топливо либо выжигается, либо просто стравливается после отделения ступени от КА продувкой баков или испарением.

Хотя конструкторы и избегают применять краску и другие материалы покрытий, быстро деградирующие в полете КА, они не требуют, чтобы покрытие оставалось прочным как в ходе, так и после окончания миссии.

Недорогой мерой борьбы с образованием км стало бы разделение процессов поверхностной деградации в открытом космосе и превентивных методов противодействия им и их последствиям.

Уменьшение осколкообразования вследствие столкновений. В принципе, прямой путь к достижению этой цели — сокращение количества столкновений с помощью маневров уклонения от них или удаление КО, грозящих столкновениями, из переполненных орбитальных областей.

Выше уже говорилось, что любые меры ограничения количества КО без сокращения общей массы КМ (и, следовательно, кинетической энергии в ОКП) недостаточны для уменьшения долгосрочной угрозы столкновений. Если даже удастся создать самые совершенные системы предупреждения о грозящем столкновении, их нельзя использовать для предотвращения столкновений неуправляемых КО, поскольку они не способны маневрировать. Что касается удаления КО с густонаселенных орбит, то это достигается принудительным вводом КА в атмосферу замедляющими полет приемами или сокращением орбитального существования (ускорение естественного схода с орбиты), переводом КА на орбиту захоронения в конце активного полета, активным удалением км с орбит.

Принудительный ввод в атмосферу КА и РН и сокращение длительности существования КО. Относятся к радикальным методам второй категории. Они предполагают включение двигателя (если, конечно, на борту осталось топливо), использование естественных возмущающих сил и приемы усиления торможения в атмосфере. Для этого можно использовать специальные небольшие реактивные двигатели или выжигание остатков топлива в основных двигателях.

Чтобы иметь возможность выполнять такого типа маневры, традиционные проекты КА и РН будут нуждаться в соответствующих модификациях. Многие КА и РН не имеют собственных систем ориентации и коррекции орбит. Могут также понадобиться более мощные системы энергоснабжения, сложные командные системы для длительного сохранения работоспособности и возможности выполнения маневров торможения. И, конечно же, потребуется большее количество топлива. В руководящих документах НАСА по снижению опасности со стороны км предлагается ограничивать время существования КО, пересекающих низкоорбитальную область, 25-ю годами. Но на всякие константы такого рода нужно иметь глубокое и убедительное обоснование.

Атмосферное торможение имеет сильнейшее влияние на продолжительность существования НОКО, его имеет смысл использовать с целью ускорения погружения КО в плотные слои атмосферы. Время существования КО на эллиптической орбите можно изменять даже более резко, чем на круговой в зависимости от начальной высоты перигея. РН, запущенная на ГTO с низким перигеем, гораздо быстрее сходит с орбиты, чем запущенная на орбиту с высоким перигеем. Это подсказывает эффективный и дешевый способ сокращения времени существования КО на высокоэллиптической орбите.

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

Что только не падает из космоса на нашу многострадальную планету! Взять хотя бы космическую пыль, которая составляет более 6% от всей массы Земли! Еще более интересно обстоят дела с падение метеорита, который может принести к нам из далеких галактик новую породу минерала, гигантский алмаз или даже неизвестную форму жизни — именно так, благодаря упавшему миллионы лет назад метеориту, и зародилась жизнь на нашей планете!

Узнать все, что вы хотели, и даже больше, о метеоритах Вы сможете, если прямо сейчас посетите сайт www.spaceon.ru.

Гигантская орбитальная помойка, словно броня, обволакивает подступы к нашей планете

В комитете IADC этим вопросом занимается специальная рабочая группа WG-4, причем, в отличие от остальных трех групп, устав IADC требует представительства в ней всех стран-членов комитета. Этим подчеркивается особый статус группы и вверенного ей направления исследований.

Одним из коренных вопросов в решении проблемы КМ считается преодоление дилетантского к ней отношения. Школьные программы и программы вузов должны включать соответствующие курсы, содержащие хотя бы минимум знаний по вопросам техногенного засорения космоса. Конструкторы космической техники и менеджеры всех звеньев, связанные с освоением космоса, должны иметь профессиональные знания в этой области, так как от их действий в значительной степени зависит «состояние здоровья» ближайшего к нам космоса и его краткосрочная и долгосрочная эволюция. Необходимо разработать и широко распространить различные руководства в помощь конструкторам и государственным чиновникам. Эти руководства должны включать информацию о текущем состоянии среды, его прогнозировании и последствиях засорения, методики оценки повреждений КА и его компонент от км, методы пассивной, активной и операционной защиты КА. Эти руководства могут также оказаться полезными учебными пособиями для студентов.

Разумеется, наступать на проблему засоренности ОКП можно одновременно с разных сторон, особенно, если для этого имеются конструктивные основания. Но самая первая задача по логике вещей — это расширение возможностей всех инструментов и методов мониторинга в интересах наблюдения в первую очередь мелких фракций КМ, крупные мы обнаруживаем и наблюдаем довольно сносно, хотя многие существующие СН сильно устарели. Нужны разработка и ввод новых, специализированных средств обнаружения и наблюдения элементов КМ, привлечение существующих средств к мониторингу засоренности ОКП. км имеет определенные специфические особенности, поэтому желательна специализация этих средств для более эффективного обнаружения и отслеживания.

Заметно улучшить мониторинг ОКП могло бы создание более мощных и высокочастотных РЛС, но у этой стратегии тоже есть предел. Мощная РЛС наземного базирования с рабочей частотой 30 ГГц могла бы обнаруживать частицы км размеров 1 мм на низких орбитах. Создание же и эксплуатация такой станции обойдется очень дорого, а дальнейшее увеличение рабочей частоты с целью обнаружения еще более мелких частиц вообще теряет смысл, так как радиоволны короче 1 см сильно поглощаются атмосферой Земли. Правда, это ограничение не относится к СН космического базирования, но финансовые трудности их применения возрастают.

Многие существующие наблюдательные средства способны успешно обнаруживать и контролировать движение некоторых классов КМ. В этом отношении мощным резервом представляется российская СККП.

Кажется парадоксальным, что приблизительно 95 % крупных КО и в нашем, и в американском каталогах СККП — это КМ. Вместе с тем СККП — по замыслу и назначению чисто военная система, «обслуживает по своему профилю» лишь около 5% КО. При этом она использует для своих целей также измерительную информацию многих гражданских средств наблюдения. Вполне разумно и обратное — использовать по согласованию с МО (Министерство обороны) часть информации военных радиолокационных и оптических (оптикоэлектронных) средств в интересах мониторинга засоренности ОКП (как это делается в США). Это не будет большой нагрузкой для соответствующих подразделений МО, что подтверждается опытом СККП США.

Что касается прогресса в изучении популяции самого мелкого КМ, наблюдение которого доступно исключительно бортовым пассивным и активным контактным датчикам (техника in-situ), то здесь можно рассчитывать, пожалуй, только на прорыв в повышении эффективности последних. Необходимо резкое увеличение площади чувствительной поверхности таких детекторов.

Целесообразно создание и ведение единого динамического каталога КО всех размеров, накопление измерительной унифицированной базы данных и соответствующего архива наблюдений. Такой каталог и архив должны стать одними из главных продуктов национальной и интернациональной системы мониторинга ОКП. В эту базу данных должна стекаться измерительная информация от СН со всего мира, а ее содержимое быть доступным всем заинтересованным сторонам (прежде всего, широким группам специалистов) пусть даже на определенных условиях. Каталог КО СККП сегодня содержит информацию только о крупных объектах. Для обслуживания исследований проблемы км нужен комплексный каталог, включающий информацию и о мелких КО. Самая мелкая фракция, по-видимому, должна быть представлена в каталоге статистически в терминах распределений. Без достаточно полного каталога, ведущегося в реальном времени с высокой точностью орбитальных и некоординатных параметров КО, невозможно проведение полноценных исследований техногенного засорения ОКП.

Очередные кампании наблюдений и расстановку контактных датчиков на борту КА нужно планировать таким образом, чтобы как можно скорее ликвидировать пробелы в знаниях среды. Эти пробелы сильно сдерживают повышение точности и надежности используемых исследователями многочисленных моделей текущей и будущей засоренности ОКП и, следовательно, обоснованности принимаемых и планируемых мер по борьбе с угрозой со стороны КМ.

При обязательном продолжении кампаний наблюдения КМ необходимо тщательно архивировать данные измерений, полученные во всех предыдущих кампаниях. Ценность архива пропорциональна продолжительности охватываемого им временного периода. Чем он протяженнее, тем больше анализ соответствующей информации может открыть закономерностей в динамике общей популяции КМ и ее частных категорий, и тем достовернее будут результаты анализа.

Важным этапом разрешения проблемы космического мусора должна быть работа с конструкторами космической техники и менеджерами всех уровней. Только профессионализм в этой области позволит до конца осознать угрозу со стороны КМ их собственному делу. Правда, работа в этом направлении может привести лишь к паллиативному решению — обуздать дальнейшее засорение космоса.

И все же, в первую очередь нужно сосредоточить усилия на сокращении источников порождения нового КМ. Без этого придется принимать меры по снижению опасности удара более мощным бронированием КА, усложнением (и, естественно, удорожанием) различных видов защиты. Между тем вероятность функциональных отказов все равно будет возрастать, а очищение космоса путем активного увода крупных КО в ближайшем будущем окажется неэкономичным и не будет давать нужного эффекта.

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

Только на сайте www.rezina.ua Вы всегда сможете купить качественные шины ведущих мировых производителей. Так, например, комплект зимней резины Debica Frigo обойдет Вам всего в 1 600 грн.

Этот кратер в 5 см броне шаттла, участвовавшего в миссии НАСА Solar Maximum Mission, пробил крошечный обломок орбитального мусора

На типичных для низкоорбитальных космических объектов скоростях столкновения атакующая частица обычно расплавляется или даже испаряется, а мельчайшие осколки или расплав либо образуют большой кратер в щите, либо пробивают его насквозь, в зависимости от толщины щита. Чтобы монолитный щит защищал от высокоскоростного удара (от перфорации), его толщина должна быть пропорциональна второй или третьей степени скорости столкновения [Swift, 1982; Cour-Palais, 1985, 1987]. При скоростях удара более 2…3 км/с многослойный щит (например, бампер Уиппла) эффективнее монолитного. Экспериментальные и теоретические данные показывают, что при типовой скорости удара в области низких орбит бампер Уиппла обеспечивает защиту, эквивалентную защите монолитного в 10…20 раз более массивного, чем бампер [Swift, 1982].

Когда высокоскоростной снаряд ударяется в бампер многослойного щита Уиппла, их взаимодействие возбуждает обратную ударную волну, разрушающую, расплавляющую и даже испаряющую материал снаряда. Затем мелкие и уже более медленные частицы движутся от бампера к следующему, улавливающему слою (кэтчеру) и, ударяясь в него, распределяют энергию удара (ее оставшуюся часть) по большей площади. При этом каждая мелкая частица обладает малой энергией и создает меньший момент. Поэтому кэтчер может быть более тонким, чем монолитный щит. Многослойный щит защищает не только от высокоскоростных частиц км, но и от медленно летящих, которые просто пробивают бампер и останавливаются более толстым кэтчером.

Толщина бампера и кэтчера выбирается с учетом самого быстрого, самого крупного и самого высокоэнергичного из ожидаемых атакующих КО, а промежуток между ними должен оптимизировать распределение энергии КО.

Международная космическая станция – настоящая бронированная крепость, которая может устоять под натиском космического мусора диаметром до 25 см

Разработано много усовершенствованных вариантов щита Уиппла, снижающих суммарную его массу для защиты КА в конкретной среде и уменьшающих масштабы вторичного осколкообразования при ударе — в том числе и для защиты МКС [Christiansen, 1994; Christiansen, Kerr, 1993; Cour-Palais, Crews, 1990; Lambert, 1994].

Системы активной защиты КА включают также средства наблюдения (бортовые или наземные) для предупреждения оператора о грозящем столкновении и механизмы для защиты критических компонент и/или двигатели для выполнения маневра уклонения от столкновения. На сегодняшний день в качестве предупреждающих сенсоров используются наземные средства наблюдения, прежде всего СККП. На основе наблюдений рассчитываются потенциальные сближения КА с каталогизированными КО. В случае превышения вероятности столкновения допустимого уровня риска с помощью маневровых двигателей совершается маневр уклонения. Основы маневров уклонения от столкновения изложены в работе [Foster, Stansbery, 2003] и ряде документов НАСА.

Существуют и другие проекты активной защиты. Например, бортовые сенсоры обнаруживают приближение КО, после чего закрываются шторки над чувствительным компонентом КА или он разворачивается, подставляя приближающемуся объекту более защищенную сторону. Могут также выбрасываться особые щиты навстречу атакующему КО, или использоваться оружие направленной энергии (лазер, плазма и т. п.) для отклонения или разрушения приближающегося объекта [Schall, 1993; Settecerri, Beraun, 1993].

Проблема всех схем активной защиты в том, что они требуют упрежденного обнаружения опасности столкновения. Из-за высоких скоростей сближения, зачастую свыше 15 км/с, это упреждение должно быть весьма значительным — за сотни километров до встречи. При этом требуется не только обнаружение, но и устойчивое слежение за КО с целью получения точной координатной информации о нем, которая позволила бы однозначно сказать, будет ли в действительности столкновение. В НАСА есть модель SBRAM для предварительной оценки опасности для действующих КА со стороны каких-либо КО через дни, недели и месяцы [Krisko et al., 2005; Matney, 1998, 2000].

Казалось бы, естественно разместить все компоненты системы активной защиты (включая сенсоры) на борту защищаемого КА. Но это только на первый взгляд. Требования к системам, способным своевременно обнаружить на достаточном расстоянии и сопровождать среднеразмерный КО, очень высоки и сегодня практически не реализуемы. В частности, бортовой радар должен иметь чрезвычайно высокую мощность, оптика — от десятков до сотен сантиметров в диаметре. Сенсоры должны обладать широким полем зрения для обнаружения набегающих КО со всех ресурсов.

В [Orbital., 1995] приводится такой пример и соответствующий расчет. Низкоорбитальный КА массой 1 т оборудован сенсором, способным предупреждать с расстояния 100 км о потенциальном столкновении с точностью, при которой КА мог бы избежать столкновения, сместившись на 25 м в сторону. В заданных условиях на маневр потребуется 5 с. Для этого нужен реактивный двигатель с тягой 2 кН (типичные реактивные двигатели для коррекции орбит имеют тягу 1 кН). Если бы 375-тонной МКС понадобился такой маневр, нужен был бы реактивный двигатель с тягой 750 кН (такой же, как у второй ступени РН «Ариан-4»). К тому же, ускорение в таком маневре превысит допустимые нагрузки на выносные структуры (солнечные панели и т. п.). Снизить эти нагрузки можно за счет увеличения расстояния обнаружения КО, но тогда придется увеличивать мощность сенсора. Тронешь в одном месте — поползет в другом.

Наземные средства СККП уже широко используются для предупреждения о сближении с каталогизированными КО действующих КА, в том числе МКС. Имея большое число весьма совершенных средств наблюдения, рассредоточенных практически глобально, они не испытывают дефицита времени на предупреждение. Однако у них есть ограничения на размер обнаруживаемых КО и слежения за ними (минимум 10 см), а также на точность прогнозирования их движения.

Наземная система предупреждения о столкновениях должна отвечать трем очевидным требованиям:

• каталог КО системы содержит динамически обновляемую координатную информацию о всех опасных КО, траектории которых пересекают орбиту защищаемого КА;

• система обеспечивает достаточно высокую точность измерительной информации, чтобы уровень ложных тревог был низким и исключал лишние маневры ухода;

• защищаемый КА способен реагировать на предупреждение уходом от столкновения или выполнением других активных мер защиты.

Современные системы предупреждения о столкновениях, к сожалению, не отвечают этим требованиям. Существующие каталоги не полные в части объектов размером менее 10…20 см и не включают большинство потенциально опасных КО. Непредсказуемость состояния верхней атмосферы и, как следствие, неточность прогнозирования будущего положения сближающихся объектов делает неизбежным ненужные маневры (из-за требования значительного упреждения выдачи сигнала об опасности). Эта неопределенность также не позволяет точно и своевременно предсказать параметры ожидаемого столкновения для большинства существующих КА и точного расчета установок на маневр. Необходимые характеристики сенсоров для активной защиты КА достигаются сложными и дорогостоящими техническими решениями. Поэтому такую защиту имеет смысл применять только для пилотируемых и очень дорогих КА.

Даже при наличии эффективной системы предупреждения многие методы активной защиты могут оказаться физически не реализуемыми. Например, схема встречного обстрела атакующего КО требует большей мощности (десятки киловатт), чем может обеспечить современное оборудование КА. Маневр уклонения при срочном предупреждении может оказаться выполнимым лишь при наличии очень мощного реактивного двигателя и весьма жесткой конструкции КА, чтобы выдержать резкий маневр.

Что касается операционной защиты, то она включает избыточность и дублирование оборудования, специальную архитектуру дизайна. Большинство схем операционной защиты направлены не на снижение угрозы удара КМ, а на минимизацию вероятности отказа КА из-за сбоя отдельной его компоненты по любой причине, не обязательно связанной с КМ. Операционно обеспечивается лишь щадящий режим снижения качества функционирования КА при нештатном или некачественном функционировании какой-либо компоненты. Например, термопокрытие проектируется таким образом, чтобы оно сначала обеспечивало более чем достаточный термоконтроль, а его нижние слои плавно снижали свои термозащитные свойства при более жестких чем проектные воздействиях внешней среды. Солнечные панели устанавливаются большей площади, чем нужно для снабжения КА электроэнергией. Электронное оборудование и двигательная техника обычно дублируется в 2…3 раза. Такая операционная избыточность применяется и в многообъектовых космических системах. Например, в американской GPS (и российской ГЛоНАСС) используется больше спутников на орбитах, чем это требуется.

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

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».

Осмотр и первичный анализ повреждений от ударов КМ возможен непосредственно в космосе силами космонавтов. Так было на МКС, телескопе «Хаббл» и еще раньше на советских орбитальных станциях. Известно много случаев возвращения на Землю экспонированных в космосе поверхностей и самого тщательного их анализа в лабораторных условиях [LDEF., 1993]. Очень много полезной информации о воздействии КМ на космические аппараты дают наземные лабораторные испытания с применением сверхскоростных ударов. В качестве вспомогательного средства используется компьютерное (аналитическое и цифровое) моделирование.

Обшивка МКС, обстрелянная космическим мусором

В наземных лабораториях исследуются:

• непосредственные результаты ударов КМ или его имитаций;
  
• воздействие ударов КМ на функциональные характеристики КА и его компоненты, их надежность, живучесть;
  
• эффективность методов противодействия повреждениям от ударов КМ (защитные покрытия, их материалы, конструкция, компоновка); воспроизведение разрушений КО (КА, РН, крупного КМ) в результате взрывов и столкновений, образование осколков.
  

При этом главный метод моделирования — экспериментальный сверхскоростной удар, а его цель — выяснение, как КА или его компоненты смогут перенести столкновение в космосе с КМ, а также уточнение влияния этих факторов на процесс засорения ОКП. Поскольку практически нереально и экономически накладно построить целый КА для последующего разрушения в лаборатории, испытания в основном проводятся на отдельных его компонентах и их сборках (топливные баки, связки проводов, изоляционные материалы, структурные блоки). Подробнее см. [Christiansen, 1990; Christiansen, Ortega, 1990; Orbital…, 1995; Schneider, Stilp, 1993; Whitney, 1993].

Модель микроспутника с солнечными батареями, основная миссия которого – изучение поведения космического мусора

В рамках сотрудничества японского университета Кюсю и подразделения НАСА по проблемам техногенного засорения космоса недавно было проведено семь ударных тестов, где целями служили уже натурные КА — микроспутники размерами от 15x15x15 до 20x20x20 см. Масса этих аппаратов составляла примерно 1,5 кг. Каждая цель была полностью оборудована функциональной электроникой (батареи, приемники, передатчики). В двух последних тестах на спутниках монтировались солнечные панели и многослойное защитное покрытие корпуса. Все цели были обстреляны снарядами различных размеров и при разных скоростях ударов. Образовавшиеся фрагменты размером до 2 мм были собраны, изучены и каталогизированы. Результаты тестов использованы для улучшения модели разрушений НАСА [Hanada, Liou, 2009; Murakami et al., 2009].

Многие аналитические теории предсказания повреждений от ударов км основаны, с целью упрощения вывода математических зависимостей, на предположении сферичности формы КМ. Однако реальный КМ характеризуется большим разнообразием форм. Удар несферического тела может причинить значительно большее повреждение во многих ситуациях. Например, глубина проникновения и объем кратера от удара в толстую плоскую мишень сильно зависят от длины снаряда вдоль его оси полета в момент удара [Gehring, 1970]. Плоские снаряды в виде пластинок приводят к большим повреждениям, чем сферические той же массы и при такой же скорости [Boslough et al., 1993].

Экономически нереально испытывать все компоненты при всех возможных условиях ударов КМ. Поэтому критические элементы подвергают испытаниям в номинальных условиях, а затем обращаются к компьютерному моделированию с целью распространения полученных результатов на космический аппарат в целом.

Компьютерное моделирование служит связывающим звеном между результатами обследования поверхностей, реально подвергшихся воздействию КМ в космосе, и предположениями ученых, проверяя и калибруя последние. Модели также позволяют экстраполировать данные, полученные в лаборатории в ограниченном диапазоне, на широкий спектр условий, которые невозможно воспроизвести в лаборатории.

При проверке надежности броневых покрытий также прибегают к сочетанию натурных экспериментов и компьютерного моделирования. Сочетание сверхскоростных тестов и компьютерного моделирования представляется довольно мощным инструментом оценки выживаемости КА и КС при ударах км.

Ударные испытания применяются и для исследования механизма образования осколков разрушения при сверхскоростном столкновении в космосе. Знать это очень важно для прогнозирования эволюции популяции КМ. Однако такие эксперименты очень дороги и их проведено немного. Конечно, полученные результаты можно экстраполировать с помощью компьютерных моделей, но со значительной степенью неопределенности ввиду ограниченности имеющихся данных.

Существует множество экспериментальных средств для моделирования и изучения ударов КМ, с помощью которых можно воспроизвести испытания с довольно крупными снарядами, разгоняемыми до больших скоростей. Однако есть определенные границы возможностей в этом направлении. Все разнообразие форм, размеров и состава КМ пока не может быть испытано во всех диапазонах скоростей. Имеются трудности с разгоном крупных снарядов до типичных скоростей столкновений в низкоорбитальной области ОКП. Эти ограничения затрудняют проектирование защитных покрытий, адекватных действительной космической среде, снижают точность предсказания ущерба от столкновения со сред-неразмерными КО, добавляют неопределенность в прогнозирование будущей популяции засоренности ОКП.

При испытании броневых покрытий КА в лабораторных условиях обычно используются ударные частицы размером от 1 мм до 1 см и массой до нескольких грамм, но вполне возможно провести тест и с более крупными снарядами, разгоняемыми до типичных скоростей столкновений на высоких орбитах.

Стандартная лабораторная двухступенчатая газовая пушка на легком газе может разгонять объекты размером до 50 мм до скоростей около 8 км/с. Некоторые пушки ускоряют, правда более мелкие объекты, до 10 км/с и выше. Стандартный снаряд — сфера, но возможны и другие формы — тонкие пластинки, длинные стержни, цилиндры [Piekutovski, 1986].

Поскольку легкогазовая пушка не может разгонять снаряд до скоростей, типичных для столкновения НОКО (10…15 км/с), были созданы ультрасверхскоростные пушки с расширенным диапазоном скоростей специально для изучения воздействия КМ на КА, способные доводить скорость небольших титановых пластинок до 15,8 км/с [Chhabilidas et al., 1992].

В России существуют также крупные камеры, в которых можно квазинатурно моделировать экспериментальные орбитальные взрывы и столкновения в контролируемой среде [Fortov, 1993].

Конструкторы защитных покрытий в работе используют (как вспомогательный инструмент исследований) аналитические методы, включающие уравнения «баллистического предела» [Herrman, Wilbeck, 1986; Reimerdes et al., 1993; Ryan, Christiansen, 2010]. С их помощью рассчитываются размеры частицы, останавливаемой данным конкретным щитом в функции скорости удара, его угла, плотности атакующей частицы и уравнения размеров щита [Christiansen, 1992]. Есть и аналитические модели для предсказания повреждений от ударов и их последствий, но они несколько сложнее.

К сожалению, не хватает моделей стандартизированных оценок рисков для определения вероятностей выхода из строя компонент КА вследствие удара км и стандартизированных моделей ухудшения рабочих характеристик компонент КА. Из-за этого последствия ударов КМ для КА и его выживаемость приходится оценивать косвенно, прибегая к рискованной экстраполяции [Orbital___, 1995].

Следует иметь в виду, что диапазон возможностей разгона частиц нужной массы и формы при моделировании ударов КМ пока ограничен. Эти ограничения затрудняют проектирование броневого покрытия КА, адекватного действительной космической среде, снижают точность прогнозирования ущерба, добавляют неопределенность в предсказание будущей популяции КМ.

Исследовательская орбитальная лаборатория LDEF

Другим слабым звеном в конструкции щитов от КМ часто бывает предположение, что крупный км состоит из алюминия, а мелкий из окиси алюминия. В реальности некоторые КО состоят из материалов более высокой плотности. При обследовании поверхности КА LDEF, как уже говорилось выше, обнаружены следы ударов частиц из нержавеющей стали, серебра, меди [Horz, Bernhard, 1992]. Щит, готовый выдержать удары алюминиевого КМ, может оказаться неспособным противостоять ударам более плотных тел.

Конечно, нереально испытывать щиты и другие компоненты КА на удары км всех возможных размеров, масс, форм, составов во всех диапазонах космических скоростей. Здесь нужно обращаться за помощью к компьютерным моделям, откалиброванным по достаточному объему экспериментальных данных, для экстраполяции на недостающие условия испытаний.

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