Диссертация (Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбит при реализации активного удаления космического мусора), страница 4

Если посмотреть на соотношение объектов разного типа, то практически ссамого начала космической деятельности, большая часть КО - это КМ. До 1990 г.в среднем проходило около 110 запусков космических РН в год, после 1990 г. всреднем происходило около 80 запусков космических РН в год. В настоящеевремя наблюдается тенденция увеличения количества запусков.19Рисунок 1.1.3 - Количество объектов разного типа в каталоге Американской сетиконтроля космического пространстваРисунок 1.1.4 - Количество запусков космических РН по годамОбщая масса объектов в ОКП оценивается ~ в 7000 тонн. В области НООрасполагается 77% от общего числа каталогизированных объектов, в области ГСО20сосредоточено6%каталогизированныхобъектов,~10%–вобластивысокоэллиптическихокоэллиптических орбит (ВЭО) и 7% – на других орбитахорбитах, в том числе, вобластинавигационныхкаталогизированныеованныеспутниковыхобъектывключаютсистемсистем.20%КАКА,Посвоемусоставуизкоторыхактивнофункционируют только 6%; 11% составляют ступени РН и РРБ; 5% операционныеэлементы, образовавшиеся в процессе выведения КА на рабочие орбиты.Основная часть каталогизированных космических объектов (64%) являетсяпродуктами разрушения КА,КА РН, РБ [1].На рисунке 1.1.5 представлено расположение всех каталогизированныхобъектов в один момент времени в инерциальной системе координат.координат На рисунке1.1.6 представлена зависимость концентрации каталогизированных объектов отвысоты.

Как видно из данного графика имеется 3 локальных максимума в областиНОО, в области ГСО и в области полета навигационных спутниковых систем наСВО.Рисунок 1.1.5 – Положение каталогизированных объектов в ОКП21Рисунок 1.1.6 – Распределение концентрации каталогизированных объектов вразличных областях ОКПОсновными источниками образования КМ в настоящее время являютсяслучаи фрагментации на орбите вследствие случайных или преднамеренныхвзрывов, случайных или преднамеренных столкновений.

Произошло более 250событий разрушения КО на орбите, случайным образом или инициированныхпреднамеренно. В настоящее время событием, в результате которого образовалосьнаибольшее количество наблюдаемых фрагментов КМ, является преднамеренноеразрушение Китайского спутника Fengyun-1C в 2007 г. Вторым по количествуобразовавшихся фрагментов является столкновение КА Космос 2251 и Iridium 33.ДоразрушенияспутникаFengyun-1Cсредисобытий,порождающихдолгоживущий мусор, доминировали непреднамеренные взрывы.

Из-за энергии,выделяющейся при взрыве, эти события могут порождать сотни поддающихсяотслеживанию объектов и десятки тысяч мелких фрагментов. Международныекосмические агентства стремятся сократить или исключить именно такиесобытия.Случаемнепреднамеренноговзрыва,создавшегонаибольшееколичество объектов, до сих пор находящихся на орбите, был взрыв советскогокосмического аппарата “Космос - 1275”. Взрыв батареи спутника привёл квозникновению 259 объектов, которые отслеживаются до сих пор, т.е.

более чем22через 25 лет. Близкое второе место занимает американская ракетная ступень,которая выводила спутник Nimbus 4. Врезультате разрушения ступениобразовалось более 370 наблюдаемых объектов, причём 240 элементов мусоранаходятся на орбите на протяжении более чем 35 лет [17].

Подробная историякатастрофических случаев фрагментации КО до 2007 года представлена в отчетеNASA [18]. На рисунках 1.1.7 и 1.1.8 представлено количество катастрофическихсобытий в разные годы с 1961 г. и распределение их по причине происхождения.Рисунок 1.1.7 - Количество катастрофических случаев фрагментации по годам.Рисунок 1.1.8 - Причины разрушения КОЗа последнее десятилетие произошел значительный скачок засоренности,связанный с двумя катастрофическими событиями описанными выше, а именно:231) преднамеренное разрушение китайского спутника Fengyun-1C 11.01.2007,в результате которого каталогизировано более 3000 фрагментов КМ;2) столкновение американского действующего спутника связи Iridium 33 иРоссийского неактивного КА Космос – 2251 10.02.2009 на высоте около 780 км, врезультате каталогизировано более 2000 фрагментов КМ.В результате этих двух событий техногенная засоренность ОКП в областиНОО увеличилась на 40%.Рисунок 1.1.9 –Орбиты фрагментов Fengyun-1C, Космос -2251, Iridium 33 через 6месяцев после разрушенияКак видно из этих фактов, с начала космической деятельности количествообъектов образовавшихся в результате одного столкновения КА Космос 2251 иIridium 33 значительно больше, чем количество объектов, образующееся врезультате одного взрыва составных частей КА (баков, аккумуляторов).Количество подобных столкновений в будущем будет увеличиться и существенновлиять на техногенное засорение ОКП.

Информация о некоторых известных донастоящего времени столкновениях представлена в таблице 1.1.3 [19].24Таблица 1.1.3 - Столкновения в ОКПОдним из последних зафиксированных столкновений, по данным оценокотечественных и зарубежных специалистов [13], является авария КА «Блиц» всередине января 2013 г. Наиболее вероятной причиной аварии КА «Блиц»является его столкновение с мелким фрагментом космического мусора массой≈0.035 г и размером менее 2,5–5,0 мм.С точки зрения наблюдаемости все объекты КМ можно разделить на 2большиегруппы[20]:наблюдаемыеиненаблюдаемыеобъектыКМ.Наблюдаемые объекты КМ представляют собой объекты с поперечным сечениемболее 5-30 см (в зависимости от характеристик наблюдаемого объекта и орбиты),которые постоянно или периодически сопровождаются средствами наблюдения.Для этих объектов известны параметры их орбит, эффективная поверхностьрассеяния, блеск и другие характеристики, измерение которых производиться сиспользованием радиолокационных станций и оптических телескопов.

К даннойгруппеобъектовобразовавшиесяотносятсявотработавшиерезультатевыведенияКА,наРН,РБ,орбитуобъектыиКМ,активногофункционирования КА, фрагменты взрывов и разрушений КА, РН и РБ. Ккатегории ненаблюдаемых относятся объекты, образовавшиеся в результате25взрывов и взаимных столкновений КО, а также продукты горения топлива,старения и деградации поверхностей.Современные средства наблюдения постоянно совершенствуются инижняя граница размеров наблюдаемых КО уменьшается, но является размытой всвязи со сложностью каталогизации объектов малого размера, лишь малая частьтаких объектов каталогизирована в настоящее время [1].

На рисунке 1.1.10представлены обобщенные данные об измерениях КМ разных размеров [15].Показаны области, где были проведены измерения. Характерной особенностьюэтих данных является монотонный рост числа объектов по мере уменьшения ихразмеров. Видно, что в многомерной области «время – высота – размеры КМ»измерения объектов размером менее ≈5 см были проведены только вотносительно небольших локальных регионах.

Это обстоятельство характеризуетосновнуютрудностьдостовернойоценкипространственно-временногораспределения мелкого КМ. Из данных рисунка видно также, что поток частицразмером более 1 см превышает поток метеороидов. В диапазоне размеров от 1мм до 1 см эти потоки соизмеримы. При размерах частиц менее 1 мм преобладаетпоток микрометеороидов. Данные, представленные на графике, отражаютсостояние техногенного засорения до 2000 г. В настоящее время ситуация резкоухудшилась.Для оценки техногенного засорения ненаблюдаемым КМ используютсямодели, построенные на основании имеющейся экспериментальной информации.На рисунках 1.1.11 и 1.1.12 представлены расчетные значения удельного потокаКМ размером более заданного для орбиты МКС и солнечно-синхронной орбиты свысотой около 840 км, полученные с использованием последних на начало 2015 г.версий трех признанных моделей космического мусора: модель NASA ORDEM3.0, модель EKA MASTER 2009, отечественная модель Назаренко А.И.

SDPA.Из данных рисунков 1.1.11 и 1.1.12 видно, что различия оценок по разныммоделям являются весьма существенными. Особенно это касается оценок потокачастиц размером менее 1 см. Для КМ размером более 1 мм отличия достигают 1 –2 порядков.

Данный факт свидетельствует о том, что в диапазоне размеров от 126мм до 1 см нет экспериментальных данных, достаточных для уточнения моделейКМ с приемлемой точностью. Сравнение данных моделей 2015 г. сизмерительными данными, полученными ранее, показывает, что техногенноезасорение объектами размером менее 10 см увеличилось на порядок.Рисунок 1.1.10 - Характеристики потока космического мусора поданным различных источниковРисунок 1.1.11 - Характеристики потока космического мусора дляорбиты МКС по данным моделей27В)Рисунок 1.1.12 - Характеристики потока космического мусора длясолнечно-синхронной орбиты высотой 840 км по данным моделейПроанализировав историю и состояние техногенного засорения ОКП [21]рассмотрим проблемы (угрозы), связанные с КМ, и методы их решения.

Первойпроблемой является возможность взаимных столкновений, приводящая к полнойили частичной потере функций действующих КА, а также к образованию новыхфрагментов КМ. Вторая проблема – это угроза падения не сгоревших в атмосфереобъектов на Землю. Третьей проблемой является создание помех для средствнаблюдения, что может приводить к получению искаженной информации, а такжевозможности появления ложных целей.

Решение проблем КМ связаны с 3-мявзаимосвязанными задачами, которые необходимо решать, это: предупреждениеоб опасных ситуациях, защита КА от КМ, ограничение и снижения техногенногозасорения. Более подробно методы их решения рассмотрены в схеме на рисунке1.1.14.28Проблемы,создаваемые КМПадение КО наЗемлюСтолкновениядействующих КА сКМ и взаимныестолкновенияобъектов КМСоздание помехсредствам наблюдения(ложные цели,искажение информации)Рисунок 1.1.13 – Проблемы, создаваемые КМРешение проблемПредупреждениеоб опасныхситуацияхНаблюдение икаталогизацияКОСовершенствование иповышениеточностимоделейдвижения КОЗащитафункционирующихКААктивная защита(маневрыуклонения,предупреждениеоб опасныхситуациях)Пассивнаязащита(экраны иконструкцияКА)Ограничение иснижениетехногенногозасоренияТребованияпоограничениютехногенногозасорения ксоздаваемымКА, РН, РБАктивноеудаление КМРисунок 1.1.14 – Методы решения проблем КМПредупреждение об опасных ситуациях, связано с решением задачнаблюдения и каталогизации КО, совершенствованием и повышением точностимоделей движения КО и методик оценки опасных сближений.

Защитафункционирующих КА осуществляется с использованием специальных экранов иманевров уклонения от столкновения. Задача ограничения и снижениятехногенного засорения может решаться путем создания требований поограничению КМ к новым изделиям ракетно-космической техники и сиспользованием активного удаления КМ.29Можно выявить всего два фундаментальных средства управлениябудущим состоянием техногенного засорения ОКП: предотвращение образованияи удаление КМ.Исследование выполнения мер по ограничению техногенного засорениясогласно «Руководящим принципам МККМ...