Диссертация (Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения низких околоземных орбит при реализации активного удаления космического мусора), страница 7

Методика оценки долговременной эволюции техногенногозасорения низких околоземных орбит при реализации активного удалениякосмического мусораИсследование долговременной эволюции техногенного засорения низкихоколоземных орбит при реализации активного удаления основывается наиспользованииразработаннойметодикираздельногомоделированияистатистической модели КМ, позволяющих оценить число и последствия взаимныхстолкновений, а также выполнить прогнозирование техногенного засорения.

Вданной главе представлено описание разработанной методики, а такжематематическое описание модернизированных компонент статистической моделиКМ, приспособленной для учета активного удаления.2.1 Методика оценки долговременной эволюции техногенного засорения приреализации активного удаления космического мусораПри прогнозировании техногенного засорения низких околоземных орбитпринимается, что на эволюцию пространственно-временного распределениякосмического мусора влияние оказывают следующие факторы: прирост новыхобъектов результате запусков, технологических операций, взрывов, взаимныхстолкновений и т.п., также торможение в атмосфере, в результате влияниякоторого происходит уменьшение высоты перигея КО и их сгорание в верхнихслоях атмосферы, активное удаление КМ. С учетом введения в действие мер поограничению техногенного засорения, в настоящее время наблюдается тенденцияснижения количестваобразующегосяКМв результатетехнологическихопераций, взрывов и т.п..

Поэтому в настоящее время при прогнозированиитехногенного засорения учитывают только прирост количества новых объектов врезультате запусков и взаимных столкновений.Статистическая модель КМ в области низких околоземных орбит (с высотойдо 2000 км) использует допущение, что статистические распределения трех44угловых элементов орбит (средней аномалии в начальный момент времени,долготы восходящего узла и аргумента перигея) являются равномерными.

Вкачестве исходных данных модели выступают распределения трех элементоворбиты: высоты перигея, эксцентриситета и наклонения, а также распределениебаллистических коэффициентов КО. Особенностью статистической модели КМ[13]являетсято,чтотехногенноезасорениеполностьюописываетсястатистическими распределениями.

Однако, в качестве объектов для удалениявыступает относительно малое, по сравнению с общей популяцией КМ,количествообъектов,соответствующихопределеннымтребованиямиликритерию удаления. Поэтому целесообразным является выделение из общегомножества объектов (Х), рассматриваемых в исследовании, подмножестваобъектов (ADR), к которым может применяться операция активного удаления.Аналогичнымобразомизмножествавсехобъектовможновыделитьподмножество новых запускаемых объектов (NEW), к которым применяютсямеры по ограничению техногенного засорения.

Таким образом, все множествообъектов Х будет состоять из трех подмножеств: D – космический мусор, ADR –объекты, к которым может быть применена операция активного удаления, NEW –новые запускаемые объекты, относительно которых рассматриваются меры поограничению техногенного засорения, Х =∪∪. С использованиемтакого разделения всех объектов на подмножества, к каждому из них можноприменить отдельно либо подход со статистическим описанием либо подход с"поштучным" описанием.Множество Х и подмножество D будем описывать с использованиеммодернизированных компонент статистической модели КМ и предусмотренных вней распределений для решения задач оценки количества взаимных столкновенийи последствий столкновений [13].

Основные компоненты модели будутпредставлены в следующих подразделах.ПодмножестваADRиNEWбудемописыватьдополнительносиспользованием полной информации о каждом объекте, аналогично подходу с«поштучным» описанием объектов, для того чтобы учитывать активное удаление45объектов КМ и меры по ограничению техногенного засорения в процессемоделирования.Прогнозирование орбитальной эволюции объектов подмножествабудемосуществлять с использованием подхода, предложенного в статистическоймодели КМ.Прогнозированиеибудеморбитальнойосуществлятьэволюциисобъектовиспользованиемизподмножествпрогнозированияорбитальных элементов каждого объекта отдельно, т.е.

каждый объект из данныхподмножеств будет описываться отдельным набором параметров, чтобы егоможно было убрать из статистических распределений, которыми описываетсямножество Х.Таким образом, суть методики заключается в разделении всего множестваобъектов на 3 группы таким образом, чтобы в процессе моделирования повремени использовать статистическую модель КМ и элементы "поштучного"описания объектов для учета активного удаления.Рассмотрим последовательность шагов методики.I. Исходные данные.− Исходными данными о популяции космических объектов выступаютследующие параметры каждого объекта размером более 10 см с высотой перигеяменее 2000 км: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.46− Аналогичными параметрами задается прирост новых объектов вследствиеновых запусков в будущие моменты времени.− Задается сценарий прогноза, в котором описывается критерий активногоудаления КМ, количество удаляемых объектов, учет мер по ограничениютехногенного засорения.Исходныеданныетакжемогутбытьзаданыввидетребуемыхраспределений для подмножества D и списка параметров каждого объекта изподмножеств ADR и NEW.II.

Оценка долговременной эволюции техногенного засорения приреализации активного удаления.− На основании исходных данных о популяции космических объектов сучетом критерия удаления все объекты разделяются на два подмножестваи.− Дляобъектовраспределениятрехэллиптичностьиизподмножестваэлементовнаклонение,орбиты,атакжестроятсясоответствующиехарактеризующихраспределениееевысоту,баллистическихкоэффициентов объектов.− Каждыйобъектподмножестваописываетсяотдельносиспользованием 7 параметров представленных выше. На основании данных 7параметроввсегдаможнопостроитьсоответствующиераспределения,аналогичные распределениям для подмножества .− Прогнозирование ведется с шагом один год по времени.− Задаются объекты NEW, аналогично объектам подмножества, приэтом каждому объекту присваивается дополнительный параметр с годом запуска,для учета мер по ограничению техногенного засорения.,− С использованием распределений для объектов из подмножестви, путем их суммирования строятся распределения общегомножества Х.− С использованием распределений множества Х и статистической моделиКМ рассчитываются оценки количества и последствий столкновений на заданном47интервале времени, которые описываются аналогичными распределениями идобавляются в распределения подмножества D.,− Проводится прогноз орбитальной эволюции объектов из подмножествина заданный интервал времени.

Для подмножестваиспользуетсястатистическая модель КМ, в которой прогнозируется распределение высотперигея объектов. Для подмножествипрогнозируются орбитальныепараметры высоты перигея и эксцентриситета каждого объекта отдельно. Прирасчете учитывается допущение, что наклонение КО из области НОО не имеетвековых возмущений и его значение сильно не изменяется под действиемвозмущающих ускорений, поэтому его орбитальная эволюция не прогнозируется.Угловые распределения имеют равномерное распределение и их прогнозироватьдля решения данной задачи не нужно. По окончании шага мы имеемперестроенные распределения подмножеств ,подмножествиии параметры объектов.− Если на данном шаге учитывается активное удаление КМ, то согласнокритерию удаления из подмножестваобъектов,послечегоперестраиваютсяудаляется заданное количествораспределенияобъектовданногоподмножества.− Если на данном шаге учитываются меры по ограничению техногенногозасорения для объектов из подмножества NEW, запущенных в заданном годуранее, согласно учитываемым мерам каждый объект из множества NEW либоудаляется из него, либо ему задаются требуемые согласно мерам ограниченияорбитальные параметры.

Объекты, срок активного функционирования которыхзакончился, переводятся в подмножество D или ADR в зависимости от иххарактеристик.− Переход к следующему шагу по времени.Таким образом, с использованием данной методики можно проводитьоценку долгосрочной эволюции техногенного засорения низких околоземныхорбит объектами размером более 10 см при реализации активного удаления КМ.482.2 Модель эволюции космического мусора на низких околоземных орбитахВ данном разделе рассмотрены компоненты модели и методика дляпрогнозирования орбитальной эволюции объектов из подмножеств D, ADR, NEW.2.2.1 Эволюционное уравнение прогноза распределения космического мусорапо высоте перигеяИспользуется методика детально изложенная в [13].