Диссертация (Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбит при реализации активного удаления космического мусора), страница 6

были реализованные проекты.Рисунок 1.1.22. – Применение роботизированного манипулятора длястыковки и удаления объекта КМОтличием удаления КМ от описанных выше миссий, выполненных SpaceShuttle, заключается в том, что удаляемые объекты были приспособлены к такойстыковке. Данный способ стыковки может быть не всегда эффективным. Кположительнымкачествамданногометодастыковкиможноотнестипрактическую реализуемость и большой опыт применения, отрицательнымикачествами являются сложность управления манипулятором, применимость не ковсем типам объектов.Другим методом стыковки может быть использование системы захвата ввиде сети, выбрасываемой на расстояние, исключающее столкновение сервисногои обслуживаемого КА. Возможность безопасного захвата спутника-цели сиспользованием такого способа при различной динамике КА-цели, разныхформах и размерах целевых спутников нуждается в доказательстве.

Кположительным сторонам можно отнести достаточно большие дистанциистыковки, к отрицательным сторонам относятся сложная динамика взаимногодвижения, отсутствие опыта применения, возможность обрыва троса.Следующий метод стыковки - использование гарпуна, с помощью которогопроисходит стыковка с объектом удаления. К положительным сторонам данногометода можно отнести реализуемость, к отрицательным возможное образованиемелких фрагментов КМ при стыковке с КМ.36Рисунок 1.1.23. – Применение сети для стыковки и удаления объектаРисунок 1.1.24. – Применение гарпуна для стыковки и удаления объектаОдним из перспективных методов, является дистанционное воздействие наудаляемый объект с использованием системы инжекции пучка ионов. Данныйметод предполагает использование электроракетной двигательной установки, дляувода КМ.

Принципиальная схема методики представлена на рисунке 1.1.25.Высокоскоростной ионный пучок генерируется на борту сервисного КА в37непосредственной близости от КА-цели. Ионы ускоряются в двигательнойустановке КА или ионной пушке до 30 км/с и более. Пучок ускореннойквазинейтральной плазмы, попадая на поверхность КА-цели, воздействует на негос некоторой силой, величина которой существенно зависит от угла расходимостиионного пучка, распыления атомов на поверхности КА-цели, отклонения осипучка от центра тяжести КА-цели и т.д.

Величина расходимости пучка ивозможныеегоотклонениянакладываютограничениянамаксимальноерасстояние между КА и транспортируемым объектом. Такая модель измененияорбиты КМ обладает следующими преимуществами:1)воздействие может быть осуществлено вне зависимости от того,вращается ли КА-цель и какую форму он имеет;2)нет необходимости в разработке специальных захватывающихустройств.Рисунок 1.1.25 – Принципиальная схема использования пучка ионов и ЭРДУдля воздействия на КМРассмотренные выше методы предназначены для удаления крупногоорбитального мусора. В этой категории для удаления предназначались бы самыебольшие и тяжелые объекты.

Основная причина - эффективность. Если удалитьданные объекты, то предотвращается образование большего количества среднегои мелкого КМ. Кроме того, большие объекты было бы легче сопровождать и легчезахватывать.381.2 Постановка задачи оценки долговременной эволюции техногенногозасорения низких околоземных орбит при реализации активного удалениякосмического мусора на основе статистической моделиНа основании анализа проведенного в разделе 1.1, можно сделать вывод онеобходимости исследований долговременной эволюции КМ в области низкихоколоземных орбит при реализации активного удаления КМ для объектов сразмерами более 10 см.В настоящее время для оценки эволюции техногенного засорения приреализации активного удаления КМ используется методика [11, 12], основаннаяна применении «поштучного» описания космических объектов и имитационногомоделирования "Монте-Карло".

Методика заключается в следующем:− разыгрывается множество реализаций решения задачи оценки эволюциитехногенного засорения низких околоземных орбит;− в каждой реализации случайным фактором выступают взаимныестолкновения объектов;− каждый объект в реализации описывается отдельно 10 параметрами:некоординатные параметры:1) тип объекта: РБ, КА, крупный операционный мусор, КМ;2) масса объекта;3) диаметр объекта;4) характерная площадь объекта;параметры орбиты:5) большая полуось;6) эксцентриситет;7) наклонение;8) долгота восходящего узла;9) аргумент перигея;10) средняя аномалия;39− моделирование ведется с заданным шагом по времени, на каждом шаге сиспользованием модели движения КО рассчитывается положение всех КО впространстве;− все пространство разбивается на «кубики», с заданной величинойстороны, каждый кубик проверяется на наличие в нем 2-х и более объектов, еслидва объекта попадают в один куб, с использованием алгоритма оценкивероятности столкновения рассчитывается вероятность их столкновения;− сиспользованием заданнойвеличинывероятностистолкновения,разыгрывается случайное событие столкновения конкретных двух объектов;− в случае если столкновение считается не произошедшим, продолжаетсяшаг по времени;− в случае если столкновение считается произошедшим, с использованиеммодели фрагментации рассчитывается количество образовавшихся в результатестолкновения объектов, для каждого объекта рассчитываются все 10 параметровпредставленных выше;− Учет активного удаления производится непосредственно в процессемоделирования, на определенных шагах по времени согласно выбранномукритерию объекты убираются из процесса моделирования, при этом фактоперации активного удалении учитывается только удалением заданного объекта,без учета операции удаления.Основными недостатками данной методики является большое времявычислений одной реализации, малое количество реализаций при оценке, чтоприводит к большому разбросу получаемых результатов.

В России отсутствуютразработанные методики и программные комплексы, которые позволяли быприменить эту методику.В качестве альтернативы, разработана методика оценки долговременнойэволюции техногенного засорения при реализации активного удаления КМ,основанная на раздельном моделировании различных групп объектов ииспользованиистатистическоймоделиКМSDPA[13],разработанной40А.И.Назаренко. Отличительной особенностью разработанной методики являетсясущественно меньшие затраты времени вычислений.Space Debris Prediction and Analysis model (SDPA) [13] – это статистическаямодель для описания и прогнозирования техногенного КМ размером более 1 мм,построения пространственных распределений концентрации и характеристикскорости, а также для оценки риска столкновений.

В модели рассматриваютсясуммарные данные о КМ различных размеров (без «привязки» их к конкретнымисточникам засорения). Текущее состояние засорения ОКП характеризуется: а)зависимостью концентрации КМ от высоты и широты точки и б) статистическимираспределениями величины и направления скорости частиц в инерциальнойсистеме координат. Эти характеристики построены на базе комплексногоиспользования доступной измерительной информации и различных априорныхданных. При прогнозировании техногенного засорения учитываются следующиефакторы: эволюция под действием верхней атмосферы, последствия взрывов ивзаимных столкновений, прирост КМ вследствие новых запусков.Даннаямодельнеприспособленадлярешениязадачиоценкидолговременной эволюции техногенного засорения при реализации активногоудаления. Поэтому разработка методики позволяющей учитывать данный факт,является новой и актуальной задачей.Такимбезопасностиобразом,цельюфункционированияисследованияявляетсякосмическихсистемобеспечениенанизкихоколоземных орбитах в условиях техногенного засорения.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиевзаимосвязанные задачи:1.

Разработать методику оценки долговременной эволюции техногенногозасорения низких околоземных орбит при реализации активного удалениякосмического мусора на основе раздельного моделирования и статистическоймодели КМ.2.Сформировать набор частных математических моделей космическогомусора и модифицировать для использования в методике.413.Разработатьпрограммно-математическоеобеспечениедляоценкидолговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбитпри реализации активного удаления космического мусора для объектов размеромболее 10 см.4. Провести оценку долговременной эволюции техногенного засорениянизких околоземных орбит объектами размером более 10 см для различныхсценариев,сравнительныйработоспособностиметодикианализирезультатовдляпрограммно-математическогоподтвержденияобеспечения.Выявить области низких околоземных орбит, для которых активное удалениекосмического мусора наиболее актуально в будущем.421.3 Выводы по главе 11.

Проведен анализ техногенного засорения околоземного космическогопространства, создаваемых космическим мусором проблем и методов их решения,возможных методов контроля техногенного засорения в будущем, перспективныхметодов удаления объектов космического мусора.2. На основании проведенного анализа выявлена новая и актуальная задачаразработки методики оценки долговременной эволюции техногенного засорениянизких околоземных орбит космическим мусором размером более 10 см приреализации активного удаления на основе раздельного моделирования различныхгрупп объектов и статистической модели, решение которой позволит оцениватьдолгосрочную эволюцию техногенного засорения низких околоземных орбит дляразличных сценариев, учитывающих меры по ограничению техногенногозасорения и активному удалению, решать задачу оценки эффективностиактивного удаления КМ для ограничения и снижения техногенного засорения, чтопозволитпроводитьанализбольшогоколичестваразличныхсценариевтехногенного засорения и на основании результатов данного анализа приниматьадминистративные решения по принимаемым мерам его ограничения и снижения.43Глава 2.