Диссертация (Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбит при реализации активного удаления космического мусора)

1МИНИСТЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)«МАИ»На правах рукописиУсовик Игорь ВячеславовичМЕТОДИКА ОЦЕНКИ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ЭВОЛЮЦИИТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ НИЗКИХ ОКОЛОЗЕМНЫХ ОРБИТ ПРИРЕАЛИЗАЦИИ АКТИВНОГО УДАЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРАСпециальность: 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(авиационная и ракетно-космическая техника)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук,профессор В.В.

МалышевМосква – 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 4Глава 1. Анализ техногенного засорения околоземного космическогопространства и методов его снижения, постановка задачи оценкидолговременной эволюции техногенного засорения низких околоземныхорбит при реализации активного удаления космического мусора................... 131.1 Анализ техногенного засорения околоземного космического пространства,создаваемых космическим мусором проблем и методов их решения..................

131.2 Постановка задачи оценки долговременной эволюции техногенногозасорения низких околоземных орбит при реализации активного удалениякосмического мусора на основе статистической модели ...................................... 381.3 Выводы по главе 1................................................................................................ 42Глава 2. Методика оценки долговременной эволюции техногенногозасорения низких околоземных орбит при реализации активного удалениякосмического мусора ..................................................................................................

432.1 Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения приреализации активного удаления космического мусора ......................................... 432.2 Модель эволюции космического мусора на низких околоземных орбитах .. 482.2.1 Эволюционное уравнение прогноза распределения космического мусорапо высоте перигея ................................................................................................... 482.2.2 Определение скорости снижения высоты перигея..................................... 502.2.3 Модель верхней атмосферы и солнечной активности ...............................

532.3 Методика расчета взаимных столкновений ...................................................... 562.3.1 Методика расчета концентрации космических объектов .......................... 572.3.2 Методика расчета распределений скорости космических объектов винерциальном пространстве .................................................................................. 582.3.3 Методика расчета частоты столкновений и распределений относительнойскорости столкновений...........................................................................................

622.4 Методика расчета последствий столкновений.................................................. 672.4.1 Модель последствий взаимных столкновений ........................................... 672.4.2 Методика расчета распределений объектов, образующихся в результатестолкновений ...........................................................................................................

6932.5 Выводы по главе 2................................................................................................ 70Глава 3. Программный комплекс для оценки долговременной эволюциитехногенного засорения низких околоземных орбит при реализацииактивного удаления .................................................................................................... 713.1 Структура программного комплекса ................................................................. 723.2 Описание программных модулей ....................................................................... 733.3 Выводы по главе 3................................................................................................ 77Глава 4.

Оценка эволюции техногенного засорения низких околоземныхорбит при реализации активного удаления космического мусора................... 784.1 Сценарий и исходные данные............................................................................. 784.1.1 Сценарий моделирования ............................................................................. 784.1.2 Исходные данные ........................................................................................... 804.2 Результаты оценки долговременной эволюции техногенного засорениянизких околоземных орбит при реализации активного удаления космическогомусора ..........................................................................................................................

874.3 Рекомендации по областям для активного удаления космического мусора . 964.4 Сравнительный анализ полученных результатов ........................................... 1004.5 Выводы по главе 4.............................................................................................. 103ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................

104СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ...................... 106Список работ, опубликованных автором по теме диссертации ...................... 107СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 1094ВВЕДЕНИЕАктуальность темыКосмические аппараты (КА) стали неотъемлемой частью нашей жизни. Сих использованием мы получаем услуги связи, метеорологическую информацию,проводим научные исследования и обеспечиваем национальную безопасность.Реальное и всё более возрастающее беспокойство относительно безопасности инадёжности этих аппаратов вызывает угроза их столкновения с космическиммусором (КМ) [1].C момента запуска первого советского искусственного спутника Земли 4октября 1957 г. по настоящее время средствами контроля космическогопространства России и США было зарегистрировано и каталогизировано более40000 космических объектов искусственного происхождения.

Это - объектыразмером более 10 см. Более 23000 из них снизились под действием атмосферынастолько, что достигли плотных слоев атмосферы, разрушились и сгорели илиупали на Землю. Остальные, число которых более 17 000, продолжают оставатьсяв космосе. Характерной особенностью деятельности по освоению космическогопространства является неуклонное его засорение объектами искусственногопроисхождения.За последнее десятилетие произошел значительный скачок засоренностиобласти низких околоземных орбит (НОО) (до 2000 км), связанный с двумякатастрофическими событиями:1) преднамеренное разрушение китайского спутника Fengyun-1C 11.01.2007,в результате которого образовалось более 3000 каталогизированных объектовКМ;2) столкновение американского действующего спутника связи Iridium 33 ироссийского неактивного КА Космос – 2251 10.02.2009 на высоте около 780 км, врезультате которого образовалось более 2000 каталогизированных объектов КМ.5Количество объектов, образовавшихся в результате столкновения КАКосмос 2251 и Iridium 33, значительно больше, чем количество объектов, котороеобразуется в результате одного взрыва составных частей КА, ступеней илиразгонных блоков (баков, аккумуляторов).Можно выявить всего два фундаментальных средства управления будущимсостоянием техногенного засорения: предотвращение образования и активноеудаление КМ [2].

С принятием международных руководящих принциповпредотвращенияобразованияКМ,такихкак:«РуководящиепринципыМежагентского координационного комитета по космическому мусору попредупреждению образования космического мусора» [3] и «Руководящиепринципы Комитета ООН по космосу по предупреждению образованиякосмического мусора» [4], с реализаций мер по снижению образования КМ, былисокращены темпы роста нового КМ из многих ключевых источников.Национальным механизмом решения задачи ограничения техногенного засоренияявляется введенный в действие с 1 января 2009 г. Национальный стандартРоссийской Федерации ГОСТ Р 52925-2008 «Изделия космической техники.Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенногозасорения околоземного космического пространства» [5].

Требования этогостандарта гармонизированы с требованиями международных документов.В стандарте задано несколько групп общих требований к космическимсредствам по ограничению техногенного засорения околоземного космическогопространства:- требования по ограничению техногенного засорения околоземногокосмического пространства при выполнении штатных операций;- требования по предотвращению разрушений космических средств(предотвращение непреднамеренных разрушений орбитальных средств и средстввыведения в процессе функционирования, предотвращение преднамеренныхразрушений космических средств, предотвращение разрушений космическихсредств после окончания их активного функционирования);6- требования по предотвращению столкновений космических средств скосмическими объектами;- требования к уводу космических средств после завершения ихфункционирования в зоны захоронения или на орбиты с ограниченным срокомбаллистического существования.Однако,последниеисследованияотечественныхизарубежныхспециалистов (D.J.