I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

"СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СРОКА «ЖИЗНИ» ОРБИТ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С УЧЕТОМ ПРОГРЕССИРУЮЩЕЙ ЗАСОРЕННОСТИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ТЕХНОГЕННЫМ МУСОРОМ"

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Дарбузова К.О. 1

---

1ГБОУ Лицей Международная космическая школа им. В.Н.Челомея

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьника

Список сокращений

ГСО – геостационарная орбита;

ИСЗ – искусственный спутник Земли;

КА – космический аппарат;

КК – космический корабль;

КМ – космический мусор;

КО – космический объект;

МКС – международная космическая станция;

НАСА – национальное аэрокосмическое агентство;

НМ – нечеткое множество;

НОКО – низкоорбитальный космический объект;

ОКМ – объект космического мусора;

ОКП – околоземное космическое пространство;

РН – ракета-носитель;

СККП – система контроля космического пространства;

ФП – функция принадлежности;

ЦУП – центр управления полетом;

ЯЭУ – ядерная энергетическая установка.

Абстракт

Актуальность работы определяется потребностью прогнозирования предельных сроков «жизни» орбит космических аппаратов в условиях прогрессирующего техногенного загрязнения околоземного космического пространства.

Цельработы – анализ комплекса факторов, оказывающих влияние на процесс загрязнения околоземного космического пространства космическим мусором, выявление превалирующей тенденции данного процесса и разработка способа прогнозирования предельных сроков «жизни» орбит космических аппаратов в условиях действующей тенденции.

Гипотеза – процесс роста популяции космического мусора можно описать моделью, аналогичной используемой при прогнозировании роста биологической популяции, содержащей три стадии: стадию накопления критической плотности, стадию каскадного (самопроизвольного) размножения и стадию стабилизации плотности.

Объект исследования – космический мусор,факторы, влияющие на динамику его плотности в околоземном космическом пространстве, модели прогнозирования засоренности ОКП.

Задачи и этапы исследования: А)проведение анализа ОКП как сегмента новой экологической ниши земной цивилизации; Б) проведение анализа проблемы засоренности ОКП космическим мусором; В) проведение анализа способов моделирования состояния техногенной обстановки в ОКП; Г) разработка способа прогнозирования предельного срока «жизни» орбит КА с учетом прогрессирующей засоренности ОКП космическим мусором.

Методика исследования – системный анализ факторов, влияющих на динамику засоренности ОКП космическим мусором с построением модели прогнозирования предельного срока «жизни» орбит КА, оптимально сочетающей степень подробности описания процесса загрязнения ОКП КМ с возможностью получения необходимых исходных данных для ее практического применения.

Научная новизна – определяется новым подходом к моделированию, заключающимся, во-первых, в описании глобальной тенденции динамики роста плотности КМ с помощью логистической кривой, имеющей три участка: медленного роста, быстрого роста и затухания, во-вторых, в задании предельно допустимого значения плотности КМ в виде нечеткой величины, отражающей существующую в настоящий момент неопределенность знаний о будущем развитии средств защиты КА от КМ.

Результаты работы могут быть использованы при обосновании программ экологической защиты ОКП от КМ и при планировании запусков КА.

Работа выполнена самостоятельно на базе Филиала «Восход» ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» в г. Байконуре и структурно включает: введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения.

Abstract

The workrelevance is determined by forecasting demand of deadlines "life" of the spacecraft orbits in conditions of progressive technogenic pollution of near-Earth space.

The research objective lies in analysis of factors, which influence to the process of contamination of near-Earth by space debris, identifying of prevailing trends in this process and to provide a method for forecasting of deadlines "life " of the orbits of spacecraft under current trends.

The hypothesis runs as follows - the process of growth of the population of space debris can be described by a model similar to that used in predicting the growth of the biological population. This model describes the three stages: the stage of having a critical density, stage cascade (spontaneous) breeding density and stage of stabilization.

Objects of research are space debris, the factors affecting the dynamics of its density in the near-Earth space, the predictive models near-Earth space (NES) debris.

The goals and stages ofthe research are as follows: A) analyze as a segment of a new ecological niche of earth civilization; B) an analysis of the problem of space debris NES contamination; С) an analysis of ways of modeling the state of NES technogenic situation; D) the development of method for forecasting of the deadline "life"of the near-earth orbits in terms of progressive propagation of space debris.

The methods used in research process include: the system analysis of the affecting factors for the dynamics of space debris NES contamination; the creating of predictive model of the deadline "life" of the orbits of satellites, the model combines a detailed description and the possibility of obtaining the source data.

The level of scientific novelty is determined by a new approach to modeling, which consists firstly in using logistic curve for the description of the dynamics of the global trend of increasing space debris density. Second, in setting the maximum allowable space debris density as fuzzy values reflect existing at present uncertainty about the future development of the knowledge protection of spacecraft from the space debris.

Theresearch has been carried out selfsufficiently while using a Branch «Voskhod» of the Moscow aviation institute (national research university) in Baikonur, Republic of Kazakhstan.

From the structural point the research paper falls into an introduction, four chapters, a conclusion, a reference and an appendices.

Тезаурус

Агроэкосистема — это экологическая система, объединяющая участок территории (географический ландшафт), занятый хозяйством, производящим сельскохозяйственную продукцию. В состав агроэкосистемы входят: почвы с их населением (животные, водоросли, грибы, бактерии); поля - агроценозы; скот; фрагменты естественных и полуестественных экосистем (леса, естественные кормовые угодья, болота, водоемы); человек.

Биосфера (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биота - совокупность живых организмов.

Биотехносфера - область планеты, в которой существуют живое вещество и созданные человеком урбанотехнические объекты, и где проявляется их взаимодействие и влияние на внешнюю среду.

Гетеротрофная экосистема - экосистема, использующая преимущественно вещество и энергию органических соединений, накопленных в других (автотрофных) экосистемах.

Задача экологии ОКП – исследование процессов, происходящих в ОКП под действием техногенных загрязнений, и их воздействия на биосферу.

Искусственный спутник Земли - космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.

Космический аппарат - общее название технических устройств, используемых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также проведения исследовательских и иного рода работ на поверхности различных небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты-носители или самолёты.

Космический корабль - пилотируемый космический аппарат, предназначенный для выполнения полётов людей в космическом пространстве и, в частности, доставки людей в космос безопасного их возвращения на Землю (или иную планету/луну/космическую станцию).

Космический мусор – совокупность находящихся в ОКП тел искусственного происхождения, не выполняющих полезных функций.

Космическое пространство - относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел.

Ноосфера - (греч. νόος — разум и σφαῖρα — шар) — сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

Околоземное космическое пространство – область пространства, распространяющаяся от пограничного слоя земной атмосферы (100 км.) до орбиты Луны (380 тыс. км.).

Орбитальная станция - космический аппарат, предназначенный для долговременного пребывания людей на околопланетной или, реже, околозвездной орбите с целью проведения научных исследований в условиях космического пространства, разведки, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты, астрономических наблюдений и т. п.

Предельный срок «экологической жизни» околоземной орбиты - интервал времени от начала использования околоземной орбиты до достижения предельно допустимого уровня засорения орбиты космическим мусором.

Экзобиосферные техногенные подсистемы– искусственно созданные человеком техногенные объекты, функционирующие вне границ биосферы Земли, но оказывающих на нее прямое или косвенное влияние.

Экология ОКП – область знания, изучающая условия существования биосферы во взаимодействии с околоземным космическим пространством.

Эндобиосферные техногенные подсистемы – искусственно созданные человеком техногенные объекты, функционирующие в границах биосферы Земли.

Введение

Начало эры освоения космического пространства отсчитывается с момента запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 года. С этого момента человечество продолжило по нарастающей отправлять на орбиту все новые и новые космические аппараты (КА), чтобы воспользоваться открывшимися новыми возможностями для связи, навигации, предсказания погоды, наблюдения Земли и природных ресурсов, научных и технологических исследований и т.п. При этом никто не задумывался о возможном негативном воздействии на околоземное космическое пространство (ОКП). Однако в 1970-1980 годы вдруг оказалось, что на орбитах ОКП присутствует большое количество так называемого космического мусора (КМ), представляющего собой различные объекты искусственного происхождения и их фрагменты, которые были некогда запущены в космос, а к настоящему времени оказались пассивными и не несущими более никакой полезной нагрузки по использованию, либо разрушились по различным причинам.

Эти космические объекты (КО), общее количество которых исчисляется миллионами, обладающие размерами от десятков микрон до одного метра, движущиеся в с орбитальными скоростями и остающиеся на орбите в течение многих лет, сформировали новую среду в ОКП выше стратосферы – пояс космического мусора. На низких околоземных орбитах (от 200 до 2000 км.) он имеет форму сферического облака. На геостационарных орбитах (36500 км.) – форму тороидального кольца.

Острота проблемы заключается в том, что интенсивность загрязнения ОКП КМ имеет устойчивую тенденцию к росту и не уменьшится, если прекратить космическую деятельность совсем. Этому способствует эффект саморазмножения космического мусора, который грозит перерасти в каскадный процесс подобно ядерной цепной реакции. В этом случае космическая деятельность на некоторых орбитах будет осложнена, а на некоторых - полностью парализована.

В работе исследуется вопросы прогнозирования предельного срока «жизни» орбит космических аппаратов с учетом прогрессирующей засоренности околоземного космического пространства техногенным мусором.

В главе 1 рассмотрены вопросы системного научного подхода к рассмотрению процессов в экологической системе «ОКП – биосфера – биотехносфера», основанном на прогнозировании текущего состояния экологической системы и тенденций его изменения в ближайшей и долговременной перспективе с обоснованием перехода к созданию в ОКП новой экологической ниши человечества как сегмента ноосферы В.И. Вернадского. Глава 2 посвящена систематизации материалов по видам техногенных воздействий на околоземную среду, источникам развития и последствиям процесса механического загрязнения ОКП, анализу существующей и прогнозной динамики данного процесса, а также анализу возможностей снижения интенсивности процесса механического загрязнения ОКП. В главе 3 выделены особенности моделирования процесса механического загрязнения ОКП, дана краткая характеристика существующих моделей прогнозирования механического загрязнения ОКП, проанализировано влияние неопределенности исходных данных на точность прогнозов механического загрязнения ОКП современными моделями. В главе 4 описан разработанный автором способ прогнозирования предельного срока «экологической жизни» околоземной орбиты на основе описания роста плотности засоренности околоземного космического пространства логистической кривой, а предельно допустимого уровня засорения орбиты – нечеткой величиной.

Автор выражает благодарность за помощь в работе своему научному руководителю кандидату технических наук доценту Шестопаловой Ольге Львовне. Кроме того, необходимо отметить неоценимую помощь и поддержку в работе, оказанную учеными кафедры космической экологии Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, представившими исходные данные для работы и сформулировавшие ценные предложения по улучшению ее содержания.

Глава I. АНАЛИЗ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО

ПРОСТРАНСТВА КАК СЕГМЕНТА НОВОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НИШИ ЗЕМНОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ

1.  

   1. Роль и место экологии околоземного космического

пространства в системе экологических знаний

Вся доступная нам история развития человечества свидетельствует о постоянном стремлении человека к повышению степени выживаемости своего биологического вида за счет совершенствования механизмов взаимодействия со средой обитания.

Это взаимодействие, с одной стороны, проявляется в целенаправленном изменении поведения человека (и самого человека, как представителя биологического вида) в условиях неблагоприятных воздействий среды, с другой – в попытках изменить среду обитания для создания более комфортных условий выживаемости.

Рисунок 1.1. – Структура взаимодействия человека и среды обитания

То есть, взаимоотношения человека и природной среды можно отобразить (см. рис. 1.1) в виде замкнутого контура с двумя типами связей: Тип 1 - «Среда обитания – Человек» и Тип 2 - «Человек – Среда обитания».

На заре человечества человек не обладал достаточным интеллектуальным потенциалом для реализации связей второго типа. Единственным выходом для него было изменяться самому и изменять свое поведение, чтобы приспособиться к среде обитания через механизм естественного отбора. Однако, по мере развития интеллекта, связи второго типа получили историческое преимущество перед связями первого типа. Этому способствовала способность к развитию и практическому применению абстрактного мышления, которое является отличительным качеством человека в отличие от животных.

Именно способность наблюдать результаты своего взаимодействия с природой, фиксировать результаты такого взаимодействия, обобщать положительный опыт и закреплять его путем обучения позволил человеку использовать в своих целях энергию животных, воды и огня, перейти от собирательства к охоте, далее — к земледелию и скотоводству.

Рисунок 1.2 – Основные формы воздействия человека на биосферу

Данные шаги послужили началом аграрной революции, в ходе которой связи второго типа начали устойчиво превалировать над связями первого типа, что вызвало глубокие изменения среды обитания. Развитие земледелия и животноводства привело в движение ранее отсутствовавший фактор воздействия на биосферу — антропогенный. Лесные и степные естественные экосистемы искусственно стали превращаться в агроэкосистемы. Согласно различным оценкам, человек эксплуатирует уже более 55% суши, использует около 13% речных вод, скорость сведения лесов достигает 18 млн. га в год.

Антропогенное воздействие на биосферу сводится к следующим формам (см. рис. 1.2).

С ростом масштабов использования природных ресурсов, обусловленных промышленной революцией, антропогенное влияние на биосферу и ее компоненты объективно увеличилось. Так, к сведению лесов, распашке целинных земель, эрозии и засолению почв, снижению биоразнообразия добавились новые постоянно действующие механические и физико-химические факторы, усугубляющие экологический риск.

Со временем под действием человека на поверхности Земли в границах первичной биосферы сформировалась биотехносфера - область нашей планеты, в которой существуют живое вещество и созданные человеком урбанотехнические объекты, и где проявляется их взаимодействие и влияние на внешнюю среду [9,11].

С запуском 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли (см. рис. 1.3) границы биотехносферы расширились за счет включения в нее околоземного космического пространства.

До этого момента окружающая среда определялась в основном как ближайшая среда обитания и производственной деятельности человека – водный и воздушный бассейны, почва, недра, а также создаваемая самим человеком техногенная среда - биотехносфера. После начала космической эры среда обитания включает и область пространства, распространяющуюся от пограничного слоя земной атмосферы (100 км.) до орбиты Луны (380 тыс. км.).

По мере развития науки и технологий сфера распространения технических объектов постепенно расширяется и выходит сначала за границы первичной биосферы в околоземное космическое пространство, а затем и за его пределы. Существующее на сегодняшний день соотношение между границами биосферы, биотехносферы и околоземного космического пространства представлено на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 - Соотношение границ биосферы, биотехносферы

и околоземного космического пространства

Примером такого распространения являются автоматические межпланетные станции. А с началом использования постоянно-функционирующих орбитальных станций с космонавтами на борту, а затем и с созданием поселений на Луне и Марсе можно будет говорить о межпланетной биотехносфере.

В отличие от биосферы, биотехносфера — не самоуправляющаяся организованная система, а сложный конгломерат многих подсистем, которыми управляет человек. Как состояние биотехносферы влияет на биосферу и человека?

Чтобы ответить на данный вопрос, разделим все множество техногенных подсистем на два подмножества: эндобиосферные и экзобиосферные техногенные подсистемы (см. рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Классификация объектов биотехносферы

по признаку включения в биосферу

Эндобиосферные техногенные подсистемы – искусственно созданные человеком техногенные объекты, функционирующие в границах биосферы Земли. Экзобиосферные техногенные подсистемы– искусственно созданные человеком техногенные объекты, функционирующие вне границ биосферы Земли, но оказывающих на нее прямое или косвенное влияние.

Эндобиосферные техногенные подсистемы не аккумулируют, а расходуют энергию, биомассу и кислород биосферы. Возникновение множества эндобиосферных подсистем и систем усложнило состояние биосферы. Составляющие биотехносферу техногенные подсистемы, расположенные в биосфере, не обладают большинством свойств и функций, которые присущи природным экосистемам. Будучи гетеротрофными, эндобиосферные техногенные функциональные образования могут существовать только при использовании энергии и биомассы, накапливаемых автотрофными системами биосферы. Именно по этой причине эндобиосферные техногенные системы разрушают биосферные автотрофные экосистемы, замещая их в пространстве.

В процессе функционирования эндобиосферных техногенных подсистем имеет место разрыв циклов, существующих в первичной биосфере, проявляющийся, прежде всего, в том, что изъятые из окружающей среды некоторые вещества биотического происхождения не возвращаются в природу в пригодном для включения в естественный биотический круговорот виде. Тем самым стимулируется нарастающее обеднение природной среды веществами, которые необходимы для постоянного самовозобновления живого вещества.

Экзобиосферные техногенные подсистемы начали возникать по мере освоения ближнего и дальнего космоса. Можно с полным правом констатировать, что уже к началу XXI в. околоземное космическое пространство стало неотъемлемой частью биотехносферы, в которой функционируют сотни космических аппаратов различного назначения.

Рисунок 1.6 - Задачи, решаемые с помощью орбитальных

группировок космических аппаратов

Они используются для решения задач связи, навигации, метеорологии, геодезии, геофизики, астрономии, астрофизики, зондирования поверхности Земли, космического материаловедения, калибровки наземной и космической аппаратуры, проведения биологических экспериментов, обслуживания различных наземных и космических проектов (научных, социальных, экономических и др.), обеспечения национальной и коллективной безопасности (см. рис. 1.6).

Это позволяет говорить о том, что состояние ОКП стало значительным фактором, влияющим на научный, общественный, коммерческий, экономический и военный потенциал государств, использующих ближний космос в своих интересах. Спустя более полувека после запуска первого спутника космическая деятельность стала неотъемлемой составляющей мировой экономики, социального развития, систем безопасности, научных исследований.

В настоящее время процветает глобальная коммерческая космическая индустрия с годовым доходом более 200 млрд. долларов. Россия доминирует в выводе ИСЗ на орбиты, осуществляя большинство коммерческих запусков, тогда как США лидирует в производстве ИСЗ. При этом коммерческие запуски становятся дешевле, что все в большей степени открывает доступ к космическим средствам развивающимся странам.

Экзобиосферные техногенные подсистемы могут оказывать на биосферу прямое или косвенное влияние. Прямое влияние связано с изменением физических параметров окружающей среды для биоты, которые происходят вследствие побочных процессов ее загрязнения или частичного повреждения при запуске космических объектов или при их сходе с орбиты.

Косвенное влияние связано с той ролью, которую играют современные экзобиосферные техногенные подсистемы в жизни человека. Здесь можно говорить о величине ущерба при отказах или авариях космических объектов для пользователей космических услуг. Так как основная функция экзобиосферных техногенных подсистем – информационное и телекоммуникационное обеспечение процессов функционирования эндобиосферных техногенных подсистем, то сбои в их работе в космосе могут вызвать непредвиденные осложнения на Земле, вплоть до аварий на жизненно важных объектах транспорта, энергетики, энергонасыщенных производств, потери национальной и коллективной безопасности.

Изначально, в мечтах и планах человечества, освоение ОКП представлялось как способ расширения экологической ниши человеческой цивилизации вследствие ее неизбежного техногенного развития, что, как предполагалось, сформирует один из путей ухода от угрозы глобального экологического кризиса. Однако, действительность оказалась гораздо более прозаичной. Современная цивилизация быстро достигла такого уровня антропогенного воздействия на ближний космос, какого не испытывает ни одна другая среда: ни гидросфера, ни литосфера, ни приземная атмосфера.

Причина этого заключается в том, что околоземное пространство по сравнению с биосферой имеет на много порядков меньше связей, обеспечивающих устойчивость. В [11] отмечается, что биосфера по сравнению с ОКП имеет информационную емкость, на двадцать порядков превосходящую информационную емкость ОКП, и примерно на такой же порядок большее количество обратных связей, обусловленных наличием биоты. Иными словами, суммарная интенсивность загрязнения ОКП превосходит интенсивность самопроизвольного очищения ОКП.

В связи с этим, глобальные последствия от выбросов энергии и вещества здесь значительно превышают последствия для аналогичных по интенсивности воздействий на биосферу. Следовательно, для необратимого выхода ОКП из состояния равновесия требуется значительно меньшая энергия воздействия на него. При этом, при сохранении действующих темпов загрязнения, ОКП, выйдя из состояния динамического равновесия, может уже никогда в него не вернуться.

Это говорит о том, что загрязнение ОКП является весьма важным фактором техногенного загрязнения окружающей среды с глобальных позиций: там, где биосфера еще способна компенсировать отклонения от равновесия, ОКП уже может заметно потерять устойчивость и изменить свои свойства.

В связи с создавшимся положением, в начале третьего тысячелетия сформировалась и начала развиваться область знания, изучающая условия существования биосферы (включающей техносферу) во взаимодействии с околоземным космическим пространством – экология ОКП.

Если рассматривать науку экологию с общих позиций, то ее можно определить как область знания, изучающую условия существования организмов и их связей с окружающей средой. Вопросы исследования в рамках направления науки «Экология» схематически представлены на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 - Вопросы исследования в рамках направления науки

«Экология»

В общем случае экология как наука является биологическим направлением естествознания, и поэтому изначально экология развивалась как составная часть биологической науки. В последние несколько десятилетий она превращается в междисциплинарную науку, изучающую различные аспекты взаимодействия человеческого сообщества с окружающей средой, что отражается в развитии целого ряда направлений экологии, таких например, как инженерная экология, математическая экология и т.д.

Основная задача экологии заключается в установлении причин и условий возникновения и развития биосферных систем различного уровня сложности, изучение устойчивости этих систем. Экология в этом случае понимается как наука, изучающая процессы самоорганизации и эволюции систем в живой и неживой природе, базирующиеся на фундаментальных физических принципах.

Давая определение экологии ОКП как науки, следует отметить, что экология на современной стадии своего развития является наукой, призванной объединить, синтезировать совокупность научных знаний о биосфере на основе изучения физических процессов в окружающей среде. С другой стороны, экология как наука в широком смысле изучает взаимосвязи между биотой и окружающей ее средой, устанавливая на основе своих исследований такие пределы воздействия окружающей среды на организмы, ниже которых она не нарушает функций последних. Таким образом, все другие «экологии» (физическая, химическая, военная и т.д.) – это науки, изучающие своими методами процессы в окружающей среде и механизмы их воздействия на биологические организмы [8,9].

Под экологией ОКП часто также понимают не процессы, а просто материальное загрязнение ближнего космоса. На самом деле, задача экологии ОКП – исследование процессов, происходящих под действием этих загрязнений (наряду с изучением естественных процессов) и воздействия процессов в ОКП на биосферу.

Отсюда следует, что под экологией ОКП можно понимать комплексную науку о физических процессах в ближнем космосе, определяющих его состояние и эволюцию, а также механизмах их воздействия на биосферу.

Вопросы исследования в рамках направления науки «Экология околоземного космического пространства» схематически представлены на рис. 1.7.

Рисунок 1.8 - Вопросы исследования в рамках направления науки

«Экология околоземного космического пространства»

С какой-то точки зрения экологию ОКП можно рассматривать как один из разделов прикладной экологии.

Предметом экологии ОКП как науки являются:

• физическое состояние ОКП;

• процессы, происходящие в ОКП под действием различных, обуславливающих это состояние, факторов;

• связь процессов в ОКП с процессами в биосфере.

Структура взаимодействующих процессов, определяющих с позиций системного анализа динамику состояния ОКП, как объекта исследования в научной дисциплине «Экология ОКП», показана на рис. 1.9, заимствованного из работы [8].

Рисунок 1.9 - Структура процессов, определяющих динамику состояния ОКП

Согласно приведенному рисунку, должны рассматриваться следующие группы факторов естественного и искусственного происхождения, а именно:

1. Воздействия на ОКП Солнца как глобального источника энергии, включающего излучение в широком диапазоне (от рентгеновского до радиоволн);

2. Воздействия на ОКП факторов межпланетной среды (межпланетного магнитного поля, космических лучей высоких энергий, межпланетной пыли и газа и т.п.) ;

3. Воздействия на ОКП галактических факторов (астероиды, кометы, космическая пыль, потоки метеорных тел и т.п.);

4. Воздействия параметров состояния ОКП на биотехносферу Земли (снижение возможностей и эффективности научного, общественного, коммерческого, экономического и военного использования ОКП, загрязнение биосферы при разрушении и неполном сгорании космических объектов в верхних слоях атмосферы Земли и др.);

5. Воздействия на ОКП техногенных процессов в биотехносфере (электромагнитное, радиационное, механическое и химическое загрязнение ОКП);

6. Воздействия на ОКП естественных процессов в биотехносфере (влияние магнитосферы Земли, параметров верхней атмосферы Земли и т.п.).

С точки зрения степени влияния на динамику процессов в системе «ОКП – биотехносфера» наиболее весомыми в настоящее время признаны процессы IV и V. Динамика развития данных процессов в настоящее время весьма высока и имеет тенденцию к усилению. Это заставляет с определенной тревогой и настороженностью относиться к прогнозу изменения состояния ОКП и его влияния на биотехносферу.

Превышение критических уровней загрязнения ОКП способно в сжатые по историческим меркам сроки сделать непригодным ОКП для хозяйственного использования. Понимая, какую роль сейчас в развитии человечества играют космические технологии, можно предположить, что ущерб для развития человечества будет трудно измеримым.

1.  

   1. Возможности и условия превращения околоземного

космического пространства в сегмент ноосферы

Пока существует человечество, биотехносфера вне всякого сомнения будет развиваться. Прогрессирующий процесс освоения природно-ресурсного потенциала биосферы закономерен и неизбежен. Однако достижения научно-технического прогресса носят противоречивый характер [3-5].

Двойственность эта проявляется прежде всего в том, что, с одной стороны, расширяются возможности использования сил природы, а с другой - усиливается отрицательное влияние на биотехносферу и биотехносферные процессы. Чтобы человеческая популяция сохранилась в условиях возможных биотехносферных изменений, вызванных антропогенным давлением, а не исчезла, как исчезают многие виды живых организмов, человечеству необходимо сформировать для себя новую экологическую нишу или ноосферу.

Термин «ноосфера» впервые появился в 1926-1927 гг. в статьях французского математика и философа Э. Лepya, который ввел это понятие для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял крупнейший французский геолог Я. Тейяр де Шарден. Однако следует отметить, что термин ноосфера появился в трудах французских ученых лишь после того, как они в начале 1920-х годов прослушали в Сорбонне курс лекций В.И. Вернадского по проблемам геохимии и биогеохимии.

Свою интерпретацию концепции ноосферы В.И. Вернадский дал на основе учения о биосфере. За год до смерти он написал статью «Несколько слов о ноосфере», в которой приводятся доказательства, что «разумная деятельность человека является не только его «внутренним» делом. Биосфера переходит в новую стадию — ноосферу (буквально мыслящая оболочка, сфера разума), для которой характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами».

Ноосфера у В.И. Вернадского — не отвлеченное царство разума, а исторически неизбежная стадия развития биосферы. Как живое вещество преображает косную материю, являющуюся основой его развития, так человек неизбежно обладает обратным влиянием на породившую его природу. Как живое вещество и косная материя, объединенные цепью прямых и обратных связей, образуют единую систему, — биосферу, так человечество и природная среда образуют единую систему — ноосферу.

Еще в 1926 г. в статье «Мысли о современном знании истории знаний» он писал о том, что «созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под воздействием научной мысли человечества». Именно эту биосферу Земли, измененную научной мыслью и преобразованную для удовлетворения всех потребностей численно растущего человечества, ученый и назвал впоследствии «ноосферой».

Рисунок 1.10 – Необходимые условия для создания ноосферы,

сформулированные В.И.Вернадским

В. И. Вернадский сформулировал 12 условий для создания ноосферы в будущем, представленные на рис. 1. 10.

Развивая концепцию ноосферы, В.И. Вернадский рассмотрел то, как на основе единства предшествующей стадии взаимодействия живой и косной материи на следующей стадии взаимодействия природы и человека может быть достигнута гармония. Ноосфера — «такого рода состояние биосферы, в котором должны проявляться разум и направляемая им работа человека, как новая небывалая на планете геологическая сила».

Еще в 20-е гг. XX в. В.И. Вернадский обратил внимание на мощное воздействие человека на окружающую среду и преобразование современной биосферы. Человечество как элемент биосферы, считал он, неизбежно придет к пониманию необходимости сохранения всего живого на Земле и охватит разумным управлением живую оболочку планеты, превратив ее в единую сферу — ноосферу (сферу разума).

Это новое понятие Вернадский сформулировал в 1944 г. Он успел лишь в общих чертах наметить основы нового учения, но его слова и сейчас актуальны и звучат предостерегающе: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление».

Можно критиковать В.И. Вернадского за несколько наивный взгляд на способность человечества естественным путем добровольно самоорганизоваться для выполнения 12 перечисленных на рис. 1.10 условий, однако нельзя не согласиться с тем его утверждением, где он говорит о необходимости разумного управления биотехносферой Земли на принципах системного научного подхода к анализу происходящих в ней процессов и осмыслению роли человечества в сохранении условий своего существования на планете Земля.

В связи с этим чрезвычайно актуальной задачей является развитие методов оценки текущего и прогнозируемого состояния околоземного космического пространства и прогнозирования его влияния на состояние биосферы и биотехносферы Земли.

Выводы по главе I

В ходе развития человечества расширились рамки понятия «окружающая среда» человека за счет включения в него околоземного космического пространства.

Изучение и управление состоянием околоземного космического пространства должно базироваться на системном научном подходе к рассмотрению процессов в экологической системе «ОКП – биосфера – биотехносфера», основанном на прогнозировании текущего состояния экологической системы и тенденций его изменения в ближайшей и долговременной перспективе.

Рамки биотехносферы вышли за границы первичной биосферы, включив в себя околоземное космическое пространство, с перспективой расширения до межпланетной биотехносферы.

Околоземное космическое пространство намного экологически уязвимее биосферы Земли за счет отсутствия механизмов стабилизации экологической устойчивости (ввиду относительной слабости действия факторов самоочищения от экологического загрязнения).

Современное и будущее состояние развития человечества во многом определяется разумным, т.е. научно обоснованным подходом к изучению и управлению состоянием биотехносферы вообще и физическим состоянием околоземного космического пространства в частности на основе концепции создания ноосферы в трактовке В.И. Вернадского.

Дальнейшие шаги по использованию ОКП в интересах человечества должны быть тщательно выверены в плане прогнозируемых последствий для экологического состояния ОКП и биотехносферы в целом.

Важной задачей является развитие методов прогнозирования состояния околоземного космического пространства и оценки его влияния на состояние биосферы и биотехносферы Земли.

Глава II. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЗАСОРЕННОСТИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА КОСМИЧЕСКИМ МУСОРОМ

2.1. Общая характеристика техногенных воздействий

на околоземную среду

В литературе по экологии околоземного космического пространства [8,9,11] выделено четыре типа техногенных воздействий (загрязнений) на космическую среду: механическое, химическое, радиоактивное и электромагнитное.

Механическое загрязнение связано с накоплением в ОКП космического мусора – совокупности находящихся в ОКП тел искусственного происхождения, не выполняющих полезных функций.

Химическое загрязнение связано с выбросами в космическое пространство продуктов сгорания компонентов ракетных топлив в ракетных двигателях различного типа.

Радиоактивное загрязнение создается используемыми в составе некоторых КА источников энергии, содержащих радиоактивные вещества.

Электромагнитное загрязнение обусловлено техногенными излучениями оборудования КА, проникающими в ионосферу и магнитосферу.

Информация об источниках и последствиях этих воздействий представлена в таблице 2.1, заимствованной из работы [11, с. 33].

Таблица 2.1

Для оценки общего состояния работ по изучению техногенных воздействий на ОКП можно рассматривать три уровня проводимых исследований[]:

• теоретический (разработка физических и математических моделей);

• экспериментальный (проведение натурных экспериментов в ОКП);

• мониторинг (эколого-информационное регулярное слежение загрязнений и последствий).

Результаты такой оценки представлены в таблице 2.2, заимствованной из работы [11, с. 40].

Таблица 2.2

Из табл. 2.2 видно, что относительно удовлетворительным является состояние работ по изучению космического мусора, что во многом определяется степенью опасности данного вида загрязнения для дальнейшего освоения и использования околоземного космического пространства.

2.2. Анализ источников развития процесса механического

загрязнения околоземного космического пространства

Источники механического засорения ОКП весьма разнообразны, но все они связаны с техногенными причинами (освоением космоса человеком).

Естественные метеороиды, придя в ОКП извне, быстро проходят через него, сгорая в плотных слоях атмосферы, либо (в редких случаях) достигают поверхности Земли. Техногенные же космические объекты, будучи запущенными с Земли на орбиты вокруг нее, остаются на этих орбитах длительное время, создавая постоянную угрозу (пропорциональную времени их орбитального существования) для действующих КА, объектов на Земле и ее населения, а также прочие негативные эффекты [1,2,8-12].

Основные источники развития процесса механического загрязнения ОКП приведены на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Структура процессов, способствующих

генерированию космического мусора

Рассмотрим каждый из этих факторов более подробно.

Процесс запуска новых космических аппаратов увеличивает количество функционирующих и, впоследствии, нефункционирующих космических объектов на орбите, что, в свою очередь, создает благоприятные начальные условия для других процессов образования космического мусора.

С начала космической эры по настоящий момент было выполнено около 5000 запусков, в результате чего в ОКП было выведено порядка 30 000 крупных (более 10 см) космических объектов. На 1 октября 2009 г. было зарегистрировано около 33 500 объектов. Из них более двух третей все еще остаются на орбитах и контролируются средствами наблюдения. В настоящее время на орбитах вокруг Земли реально функционирует около 850 космических аппаратов, из которых 36 % на низких орбитах, 6 % на средних, 48 % на геостационарной и 10 % на высокоэллиптических и сверхвысоких орбитах.

Темп будущих запусков, размеры перспективных КА и распределение их орбит предсказать точно сложно ввиду зависимости от таких факторов, как цели миссий и требования к ним; появление новых технологий; мировое экономическое и политическое развитие, однако можно с полной уверенностью утверждать, что интенсивность процесса запуска новых КА имеет устойчивую тенденцию к росту.

Так, если в 1960–1970-х гг. в освоении космоса конкурировали только СССР и США, то, начиная с 1980 г., их количество стало резко возрастать. В 2003 г. к России и США присоединился Китай. Индия заявила, что где-то около 2016 г. запустит свой первый пилотируемый космический корабль. В 2009 г. Иран стал десятым государством, способным самостоятельно выполнять запуски ИСЗ, а 50 стран запускают гражданские ИСЗ либо независимо, либо в кооперации с другими странами. На рис. 2.2, заимствованном из работы [2], показано распределение каталогизированных КО по различным государствам и группам государств по состоянию на 6 июля 2011 г.

Общее количество каталогизированных КО на эту дату составляло 16094 КО, 95 % которого – космический мусор.

Рисунок 2.2. Космические объекты, принадлежащие

различным странам (по состоянию на 6 июля 2011 г.)

Процесс формирования сопутствующего КМ при выведении КА на рабочие орбитыявляется источником КМ, сопутствующего миссии КА. Данный вид космического мусора образуется как при выводе КА на орбиту, так и при его функционировании. Сопутствующий КМ, согласно работе [2], составляет порядка 10% от количества каталогизированных космических объектов. При запуске КА на промежуточных орбитах остаются ступени ракет-носителей (РН) , в том числе разгонные блоки. Ступени ракет-носителей и разгонные блоки относятся к категории крупных КО (обычно более крупных, чем функциональные КА). Если после вывода низкоорбитальных космических объектов на орбите остается лишь одна ступень, то после запуска высокоорбитальных КО на промежуточных орбитах могут оказаться и три ступени РН.

Самые крупные первые ступени РН обычно вскоре входят в атмосферу и либо сгорают, либо их крупные обломки падают на Землю. Последние ступени РН могут долго находиться на орбитах.

В процессе запуска, вывода на орбиту, активации и функционирования КА высвобождается множество вспомогательных технологических деталей, уже сыгравших свою роль и более не нужных для дальнейшего активного существования КА. Это заглушки, крышки для линз, временный крепеж, пиротехника, взрывные болты, защитное покрытие кабелей, элементы арматуры, страховочные стяжки (крепления безопасности) солнечных панелей и других раскрывающихся в космосе элементов конструкции и т.п.

Особую составляющую сопутствующего КМ представляют продукты выхлопа твердотопливных двигателей. Во время работы твердотопливного реактивного двигателя образуется значительное количество окиси алюминия, выбрасываемой из сопла в виде довольно крупных частиц (0,01…5 мм). Они образуются вследствие быстрого расширения и отвердевания расплавленного Al₂O₃. Составляя около 0,65 % исходной топливной массы, эти частицы довольно сильно загрязняют космическую среду. Размеры этих частиц по теоретическим расчетам обычно не превышают 10 мкм. Зато их количество, выбрасываемое за цикл работы двигателя, может достигать 10²⁰. Частицы выбрасываются с большой относительной скоростью (в среднем 1,5…3,5 км/с - в зависимости от размера частиц) в широком секторе направлений, что существенно сказывается на увеличении области их дальнейшего орбитального существования. Большинство из них быстро входят в атмосферу, другие (более крупные) переходят на эллиптические орбиты. Последние представляют вполне определенную опасность для космических аппаратов.

Процесс формирования отходов жизнедеятельности при эксплуатации пилотируемых КА.

Довольно много операционных отходов образуется в процессе полета пилотируемых КК. Во время полета космического корабля (КК) на борту накапливается всякого рода мусор, в том числе и продукты жизнедеятельности экипажа. Все это, во всяком случае, раньше, выбрасывалось в открытый космос. И если в последнее время к этому стали относиться более ответственно (контейнеры с бытовым мусором стали возвращать на Землю), то космонавты, работая в открытом космосе, бывает теряют или роняют инструменты, перчатки и даже целые сумки с инструментами, пополняя популяцию КМ.

Так, в течение первых восьми лет работы орбитальной станции «Мир» от нее было отделено более 200 крупных элементов, которые удалось обнаружить наземными наблюдательными средствами и каталогизировать. Международная космическая станция (МКС) за время своего существования породила множество сопутствующего КМ, из которого около 70 фрагментов было каталогизировано. Это и потерянные камеры, стаканы, сумка с инструментами, а также намеренно выброшенное за ненадобностью оборудование и другие предметы — в среднем 10 объектов в год.

Процесс эрозионной деградации поверхностей конструкции КА.

Под воздействием агрессивной космической среды (радиации всех видов, перепадов температуры, космической пыли, окисления атомарным кислородом) со временем происходит деградация поверхности космических объектов (так называемое «старение» поверхностей КО или «возрастная» деградация).

КМ, образующийся в результате старения и деградации поверхности КО под влиянием космической среды, отделяется от «родительского» объекта с относительно низкими скоростями и малым разбросом векторов скоростей. При этом образование фрагментов старения не носит массового характера. Их орбиты не создают такого эффекта, как при разрушении. Очень немногие из образовавшихся в результате деградации фрагментов могут быть каталогизированы. Подавляющая их масса — очень мелкие частицы. Типичная чешуйка отслоившейся краски имеет массу 10^–6 г. Эти частицы могут вызвать последующую деградацию поверхности «материнского» или другого КО, повредить незащищенные чувствительные компоненты (оптику, иллюминаторы, тросы).

Наиболее уязвимые с точки зрения деградации поверхностей от ударов КМ - оптические компоненты. Удары частиц диаметром в десятки и сотни микрометров могут значительно увеличить рассеяние оптикой света.

Удары мелких частиц способны также повредить солнечные батареи КА. В этой части диапазон уязвимости довольно широк: от локальных повреждений стеклянных покрытий и самих солнечных элементов до нарушения последовательной связи отдельных ячеек и наружной кабельной системы, включая и силовые кабели. Они могут вызывать короткие замыкания или разрывы соединений. Даже мелкие частицы порождают плазму, которая в свою очередь наносит повреждения солнечным элементам.

Процесс взрывного разрушения КО из-за нештатных процессов в топливных системах РН и КА, аккумуляторных батареях, бортовых приборах.

КА может взорваться и в процессе функционирования, и по завершении активного существования. Причины самые разнообразные. Это взрывы баков с компонентами топлива и баллонов со сжатым газом, неполадки в двигателях, короткое замыкание батарей аккумуляторов, случайно возникающие высокие угловые скорости вращения КА, прочие нарушения в структурах и компонентах, а также намеренные подрывы.

Так, 11 января 2007 г. при испытаниях китайского кинетического противоспутникового оружия была атакована и взорвана мишень — метеорологический китайский ИСЗ «Фенгюн-1С» (международный номер 1999-025А) массой почти 960 кг, на почти круговой солнечно-синхронной орбите высотой ~850 км и наклонением 98,8°.

Рисунок 2.3 - Расплывающийся пучок орбит осколков от

разрушения ИСЗ «Фенгюн-1С» с интервалом шесть месяцев

В результате кинетического удара с относительной скоростью ~9 км/с в интенсивно используемой области орбит образовалось облако осколков, из которых в течение первой недели было обнаружено более 600. К 11 июля 2007 г. было каталогизировано уже 2347 осколков, расплывающийся пучок орбит которых показан на рис. 2.3.

К середине сентября 2010 г. их было 3037, радар «Хэйстэк» зарегистрировал еще более 150 000 не каталогизированных осколков от взрыва размером до 1 см.

По оценке специалистов основная масса образовавшихся осколков (~95 %) продолжит свое орбитальное существование в течение, по крайней мере, нескольких десятков лет, а часть из них - сотни лет. К июлю 2007 г. сгорело только 13 из каталогизированных обломков. К середине сентября 2010 г. 97 % всех обнаруженных и каталогизированных на тот момент обломков от взрыва (3067) все еще оставались на орбитах.

Взрывы РН по большей части обусловлены наличием остатков горючего и окислителя в баках после выполнения РН своей миссии. Взрыв происходит в результате неконтролируемого смешивания горючего и окислителя либо под воздействием физических факторов (повышенное давление, например, из-за перегрева бака или неисправности клапана сброса давления).

Можно привести ряд выборочных примеров таких взрывов, взятых из работы [2]. Так, в феврале 1998 г. в течение одной недели взорвались подряд три верхних ступени РН. Полуторатонная третья ступень РН «Циклон», летавшая в космосе почти 10 лет, взорвалась 15 февраля и образовала более 80 фрагментов. 17 февраля взорвалась девятилетняя третья ступень РН «Ариан-4» массой 1200 кг. 21 февраля произошел взрыв японской COMETS H-II, которая так и не смогла выйти на заданную программой переходную высокоэллиптическую орбиту. Причина - неполадки в двигателе. В 2000 г. произошел мощный взрыв 1000-килогаммовой третьей ступени китайской РН «Долгий марш 4» («Лонг Марч 4», CZ-4). Он породил 300 крупных обломков, которые были каталогизированы. Регулярно происходили взрывы остатков топлива в ступенях российских РН «Протон». Например, к 2001 г. насчитывалось 25 таких взрывов.

Процессы столкновения КА с космическими объектами.

Еще в 1995 г. Национальный исследовательский совет США утверждал, что опасность со стороны КМ представляется умеренной, и нет примеров серьезного повреждения КА или их разрушения в результате столкновения с КМ. Но уже через год, 24 июля 1996 г., случилось событие, буквально ошеломившее скептиков. Очень дорогой французский экспериментальный спутник радиоэлектронной разведки CERISE столкнулся с фрагментом ракеты-носителя Arian. Фрагмент КМ перебил 6-метровую штангу с гравитационным датчиком, после чего нормальное функционирование спутника стало невозможным. Столкновение произошло при относительной скорости 14,8 км/c.

Следующее неожиданное для операторов, управляющих КА, столкновение произошло 10 февраля 2009 г. Действующий американский КА «Иридиум-33» обеспечения глобальной спутниковой связью объектов США (70 спутников в системе «Иридиум» на одной рабочей высоте) столкнулся с уже нефункционирующим российским ИСЗ «Космос-2251» (класса «Стрела-2М», диаметр 2,05 м, гравитационная штанга длиной 18 м, масса 900 кг).

Рисунок 2.4 – Результаты наблюдения облака осколков,

образовавшегося при столкновении КА «Иридиум-33»

и КА «Космос-2251»

Размеры «Иридиума-33» оцениваются как 2.1 м, масса 560 кг. Столкновение произошло над районом крайнего севера Сибири на высоте около 790 км. при относительной скорости 11,646 км/с с образованием большого числа обломков (см. рис. 2.4). Наклонения орбит спутников составляли 86,4 и 74,0°, соответственно. Плоскости орбит в момент столкновения пересекались почти под прямым углом (см. рис. 2.5).

Летом 2010 г. системой контроля космического пространства (СККП) США было зарегистрировано более 2100 фрагментов от обоих аппаратов (см. рис. 2.6). Количество фрагментов, образовавшихся от разрушения «Космоса-2251», более чем вдвое превысило таковое от разрушения «Иридиум-33», что приблизительно соответствует соотношению масс исходных объектов.

После столкновения объем каталога КО США увеличился на 15,6 % (на 2347 КО), а количество не каталогизированных, но сопровождаемых средствами наблюдения, возросло на 6000 КО.

Цельные (не разрушенные) космические аппараты и фрагменты ракет-носителей обладают достаточно большой долей суммарной площади поперечного сечения и массы по сравнению с остальным космическим мусором. А чем больше суммарная площадь поперечного сечения некоторого космического объекта (популяции космических объектов) относительно вектора набегающего потока космического мусора, тем больше вероятность столкновений. Поэтому, несмотря на то, что фрагменты разрушений КО количественно превосходят все неразрушенные КО, на цельные КА и РН приходится наибольшая доля суммарной площади поперечного сечения и массы КМ, т. е. это наиболее опасные КО. Потенциальные столкновения с ними имеют наибольшую вероятность, а последствия столкновений не идут ни в какое сравнение со всеми остальными: образуется гигантское количество обломков и осколков самых различных размеров и масс, постепенно охватывающих широкий, непрерывно расширяющийся спектр орбит. Причем большое количество крупных обломков способно к дальнейшим катастрофическим столкновениям. Иными словами, отработавшие КА и РН, особенно на высоких орбитах, сильно увеличивают долгосрочный потенциал столкновений.

2.3. Анализ последствий засоренности околоземного

космического пространства космическим мусором

Возможные последствия засоренности ОКП космическим мусором, приведенные в литературе [2,9,11], можно разделить на пять видов, представленных на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 – Основные виды последствий засоренности ОКП

космическим мусором

Изменение физических свойств ОКП происходит вследствие механического, химического, радиоактивного и электромагнитного загрязнений. Механическое загрязнение в настоящее время преобладает. Вследствие накопления мелкой фракции космического мусора снижается прозрачность околоземной среды, что давно уже заметили астрономы наблюдатели, столкнувшись с создаваемыми КМ помехами астрономическим наблюдениям, особенно с длительными экспозициями [8]. Нарастающая засоренность ОКП постепенно нарушает баланс свето- и теплообмена Земли с внешней средой.

Нанесение ущерба экологии Земли происходит при падении на землю космических объектов, не сгоревших в плотных слоях атмосферы и содержащих вредные вещества, например, химические или радиоактивные.

Одним из первых в истории космической деятельности опаснейшим прецедентом стало падение на Землю ИСЗ морской космической разведки и целеуказания «Космос-954» серии РОРСАТ с бортовым реактором, спутник был выведен на низкую орбиту 18 сентября 1977 г. Бортовая энергетическая установка предназначалась для электропитания мощного радара, ориентированного на Землю. Когда топливо для коррекций орбиты почти закончилось, было решено отправить реактор на более высокую орбиту захоронения со временем существования 300…1000 лет. Радиоактивное топливо в реакторе имело период полураспада 70 лет. Однако реактор отделить не удалось, и КА вместе с ним и 30 кг обогащенного урана 24 января 1978 г. вошел в плотные слои атмосферы. Радиоактивные обломки разбросало на огромной (площадью порядка 800 км²) территории Канады в районе Великих озер. Радиоактивные бериллиевые контейнеры были обнаружены поисковой командой Канады. Очистка территории от радиоактивного загрязнения обошлась Канаде 14 млн. долларов. В соответствии с Конвенцией об ответственности 1972 г. Канада потребовала возмещения ущерба в сумме 6 млн. долларов.

Опасность для жизни людей, животных, возможность повреждения объектов инфраструктуры при падении КО и их обломков наЗемлю возникает всякий раз, когда неуправляемые космические объекты начинают тормозиться верхними слоями земной атмосферы и снижают свою орбиту, переходя в состояние падения. Опасность подобных событий не только в самом факте падения, но и в том, что его район и время предсказываются неточно. Виною тому, главным образом, неопределенность упреждающего расчета атмосферного торможения падающей массы.

Чаще всего поверхности Земли достигают топливные баки РН (титановые или из нержавеющей стали). Примеры падения таких объектов приведены на рис. 2.8, 2.9. Ввиду их значительной массы и большого объема они, конечно же, представляют серьезную опасность. Если же в них сохранились остатки топлива, то при падении они могут еще и взорваться.

Фактов гибели людей или животных от попадания космических обломков на настоящий момент документально не зафиксировано.

Однако есть случаи попадания обломков в жилые дома и хозяйственные постройки. Так, несколько лет назад космический обломок упал во двор жителя алтайского села Коргон, рубившего во дворе дрова. Тогда Роскосмос выплатил компенсацию 10 тыс. рублей.

5 февраля 2008 года после запуска ракеты-носителя "Протон-М" с космодрома "Байконур" ее фрагмент размером три на полтора метра упал во двор алтайского пастуха Бориса Урматова. Жертв и разрушений не было, но местный житель оценил моральный ущерб в миллион рублей - падение осколка сильно напугало его дочерей. Соответствующий иск пастух предъявил Роскосмосу.

Повреждения конструктивных элементов космических аппаратов и космических кораблей в настоящее время представляет собой самый опасный и наиболее часто встречающийся фактор.

Ущерб, причиняемый ударом космического мусора, зависит от размеров и относительной скорости соударяющихся космических объектов, состава их материала и конфигурации, угла, под которым КМ ударяется в КА, и от степени уязвимости компонента КА, на которое пришелся удар.

На низких, практически круговых, орбитах относительная скорость возможных столкновений изменяется от почти нулевой (для КО, движущегося «вдогон» цели по той же орбите) до более чем 15 км/с (при столкновении лоб в лоб). Столкновение высокоорбитальных космических объектов в окрестности перигея может происходить и при больших скоростях. Доля высокоскоростных столкновений возрастает для объектов с высокими наклонениями. На полусинхронных круговых орбитах орбитальная скорость составляет около 3,9 км/с, так что теоретически максимальная скорость столкновений в этой области будет около 7,8 км/с. На геостационарных орбитах (ГСО) орбитальная скорость движения равна приблизительно 3 км/с. Но из-за того, что КА и РН на ГСО движутся в одном направлении и имеют малую разницу в наклонениях орбит, средняя относительная скорость столкновений в этой области равна 0,5 км/с. Это много меньше, чем в низкоорбитальной области, но все же сравнимо со скоростью пули.

В результате столкновения КА с элементом КМ может произойти полное или частичное его разрушение. Удар может вывести КА из строя, нару- шив функционирование даже отдельного компонента, а также нанести повреждения поверхности аппарата, что сделает невозможным поддержание его стабильного теплового режима и дальнейшего использования по назначению. Современные оценки показывают, что полное разрушение происходит в случае, если отношение кинетической энергии атакующего объекта к массе атакуемого превышает 40 Дж/г. Отдельные части КА могут отличатся различной степенью уязвимости от ударов КМ. Например, небольшая болванка, даже на небольшой относительной скорости ударившаяся в солнечную панель, скорее всего разрушит только панель, но не весь КА, хотя и может нарушить его стабилизацию (по крайней мере временно).

Разрушение КА опасно не только его потерей, но и образованием иногда очень большого количества обломков как крупных, так и мелких. Особенно опасно разрушение аппарата, несущего на борту радиоактивные материалы. В конце 1990-х гг. таких КА в ОКП было около 60. При высокоэнергетическом столкновении они могут разрушиться. При наблюдениях с Земли высвободившиеся радиоактивные фрагменты никак себя не проявляют (только действующие реакторы имеют обнаружимый уровень излучения). Но они могут войти в атмосферу раньше, чем с учетом периода полураспада станут безопасными и достигнут поверхности Земли (как это уже неоднократно случалось) со всеми вытекающими отсюда последствиями.

При осмотре поверхностей КА и КК в космосе и после возвращения на Землю в настоящее время зафиксировано более 100 видов повреждений, некоторые из которых приведены в качестве примера на рисунках 2.11-2.17, взятых из работы [2]. В зависимости от многочисленных и разнообразных условий удара и конфигурации КА повреждения могут быть в виде кратеров, сколов, пробоин, трещин, царапин. Даже если ударивший в КА объект и не проникнет сквозь его оболочку, обратная ударная волна может вызвать сколы на внутренней стенке в месте удара и вызвать серьезные повреждения внутреннего оснащения.

Опасность развязывания военных конфликтов при потерях КА военного назначения от столкновения с КО и их обломками.

В настоящее время США и Россия являются лидерами в размещении на орбитах КА военного назначения. К 2010 г. на орбитах действовало около 180 ИСЗ официально военного назначения, из которых приблизительно половина принадлежала США и четверть — России. Военные КА выполняют функции разведки, засечки пусков ракет, связи, навигации, целеуказания, метеорологического обеспечения Вооруженных сил и другие функции.

Военные аспекты последствий техногенной засоренности ОКП можно рассматривать с двух точек зрения. Во-первых, в результате столкновений КА военного назначения с космическим мусором военные ведомства несут ощутимый ущерб, как это было с очень дорогим экспериментальным КА Минобороны Франции CERISE в 1996 г.

Во-вторых, согласно международным договоренностям, преднамеренное нанесение ущерба КА другой страны равносильно объявлению войны. При этом незарегистрированное (недоказанное, «неофициальное») столкновение военного КА с элементом КМ, приведшее к внезапному прекращению его функционирования или выходу из строя хотя бы части его аппаратуры, может быть воспринято как нападение и спровоцировать военный конфликт со всеми вытекающими последствиями.

2.4. Анализ возможностей снижения интенсивности

процесса механического загрязнения околоземного

космического пространства

В работе [2, стр. 154] отмечается, что самый труднорешаемый 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».

Процессы естественного торможения и сгорания КМ в верхних слоях атмосферы являются неуправляемыми, но постоянно действующими. Однако скорость естественного очищения орбит существенно зависит от их типа (высоты и наклонения), размеров космического мусора и солнечной активности, влияющей на высоту атмосферы Земли. Так на низких орбитах (до 300 -400 км.) мелкий КМ живет несколько месяцев. Далее он тормозится в верхних слоях атмосферы и сгорает, не достигая Земли. На геостационарных орбитах крупный КМ может существовать миллионы лет.

Но человечество неспособно столько ждать, так как социально-экономическая, научная и военная польза от использования ОКП перевешивает все остальные доводы. Однако, высокая цена последствий техногенного засорения ОКП вынуждает рассматривать меры активного (управляемого) противодействия развитию процесса механического загрязнения ОКП.

Основные виды мер противодействия приведены на рис. 2.18. Проанализируем их более подробно.

Рисунок 2.18 – Виды процессов, способствующих уменьшению

темпов механического загрязнения ОКП

Существенно снизить темпы засорения ОКП могло бы позволить уменьшение общей массы КО на орбитах, снижающее вклад в засоренность ОКП таких факторов, как разрушение КО за счет эрозии, взрывов и столкновений. Поэтому можно предположить, что если бы удалось уменьшить общую массу КО на орбитах, то удалось бы замедлить темпы роста загрязненности ОКП космическим мусором.

Уменьшить общую массу КО на орбитах можно за счет: возвращения КА на Землю, искусственного удаления КА из ОКП путем принудительного снижения высоты полета и сгорания в атмосфере, перевода КА на орбиты захоронения.

Процессы возвращения КА на Землю многоразовыми КА.

Эта идея возникла почти лет 40 назад, а с появлением многоразовых космических кораблей типа «Шаттла» и «Бурана» появилась принципиальная возможность снятия с орбиты и возвращения на Землю отработавших КА и их составных частей.

Одним из основных обоснований необходимости создания космической транспортной системы "Шаттл" была возможность проведения ремонта и обслуживания спутников, которые до этого прекращали функционировать из-за отказа какой-нибудь простейшей детали [6]. Два удобных случая продемонстрировать возможности "Шаттла" в отношении ремонта представились в связи с научным спутником для изучения солнечной активности («Solar Max») и космическим телескопом им. Хаббла (запущенных в 1980 и 1990 соответственно), которые были спроектированы в блочном исполнении, т.е. наиболее важные системы были объединены в легко заменяемые модули. Полет для ремонта спутника Solar Max ("Челленджер", 6-13 апреля 1984) предусматривал захват спутника манипулятором, помещение его в грузовой отсек, замену вышедшей из строя системы ориентации и неисправных элементов электронного оборудования в модуле телескопа и возвращение спутника на орбиту для дальнейшей эксплуатации. В полете для ремонта телескопа ("Эндевор", 2-13 декабря 1993) возникла необходимость, когда ученые вскоре после запуска обнаружили, что при шлифовке главного зеркала телескопа ему была придана неправильная форма. Задачами полета были: 1) замена высокоскоростного фотометра; 2) замена широкоугольной и планетной фотокамеры улучшенной запасной моделью, имеющей собственные корректирующие зеркала; 3) замена солнечных батарей, компьютера и некоторых других элементов. При проведении ремонтных работ четыре космонавта, работая попарно, провели в открытом космосе около пяти суток.

Миссия "Шаттл" STS-41C в 1984 г. возвратила на Землю около 3 м² внешнего покрытия КА «Solar Max» после его более четырехлетнего пребывания в космосе. Эта же миссия вывела в космос спутник «LDEF» с поверхностью 130 м². В ноябре 1984 г. миссия "Шаттл" STS-51A возвратила на Землю ИСЗ «PALAPA-B2» после девятимесячного его пребывания в космосе.

Практика показала, что 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 - более 15 млн. долл. на каждый КО в нижней орбитальной области, не считая затрат на разработку маневровых систем. Техническая сложность и чрезвычайно высокая стоимость подобных проектов не позволила распространить данный метод очистки орбит за пределы отдельных экспериментов.

Процессы искусственного удаления КА из ОКП путем принудительного снижения высоты полета и сгорания в атмосфере.

Атмосферное торможение имеет сильнейшее влияние на продолжительность существования низкоорбитальных космических объектов, его имеет смысл использовать с целью ускорения погружения КО в плотные слои атмосферы.

Данный метод предполагает 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.

Время существования КО на эллиптической орбите можно изменять даже более резко, чем на круговой в зависимости от начальной высоты перигея. РН, запущенная на эллиптическую орбиту 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.

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, можно использовать способы придания им жесткости после надува.

Принудительное снятие КО с орбит и сокращение времени их существования финансово реализуемо для низкоорбитальных космических объектов или КО на эллиптических орбитах с низким перигеем. Реализация данного способа очищения ОКП также весьма затратна, однако, в разы дешевле, чем возвращение КА на Землю многоразовыми КА. Тем не менее, с ростом высоты орбиты КО стоимость реализации способа неприемлемо возрастает.

Процессы перевода КА на орбиты захоронения.

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.

Однако, 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.

Процессы предотвращения столкновений КА путем маневра уклонения.

Действующим КА все чаще приходится прибегать к маневрам уклонения [2,11]. Например, в 2009 г. только КА, контролируемым НАСА, пришлось совершить восемь маневров: 27 января TDRS-3 — уклонение от РН «Протон»; 22 марта МКС — уклонение от обломков РН «CZ-4»; 23 апреля Cloudsat — уклонение от обломков КА «Космос-2251»; 11 мая ЕО -1 — уклонение от обломков РН «Зенит»; 17 июля МКС — уклонение от обломков РН «Протон»; 10 сентября «Спейс Шаттл» — уклонение от КМ с МКС; 29 сентября Parasol (Франция) — уклонение от обломков КА «Фенгюн-1С»; 25 ноября Aqua — уклонение от обломков КА «Фенгюн-1С»; 11 декабря Landsat-7 — уклонение от «Формсат-3D».

Последствия техногенного засорения ОКП ярко проявились в функционировании Международной космической станции, которая в 2015 г. отпраздновала 15-летие непрерывного полета в пилотируемом режиме (см. рис. 2.19). МКС вынуждена совершать маневры ухода от столкновений с КМ в среднем пока один – два раза в год.

Свой первый маневр ухода станция совершила 26 октября 1999 г. В ожидавшемся сближении МКС с отработавшей верхней ступенью РН «Пегас» вероятность столкновения составляла 0,003, что намного выше допустимого предела.

Рисунок 2.19 - Конфигурация МКС (без солнечных панелей).

Всего 90 000 элементов. Группы элементов образуют модули. Модули формируют полную сборку МКС и определяют ее поверхность.

Для ухода от столкновения нужно было «поднять» МКС, увеличив ее скорость на 1 м/с. Совместными действиями московского и хьюстонского ЦУПов станция была переориентирована. Включением двигателя российского модуля «Заря» на 5 секунд за 18 часов до максимального сближения ее орбита была изменена. Вместо рассчитанного промаха в 1 км. оба КО прошли один мимо другого на расстоянии 140 км.

До сих пор МКС удавалось уходить от столкновений, совершая маневр уклонения. В дальнейшем в связи с учащением опасных сближений на это может не хватить энергетического ресурса станции.

Кроме того, невозможно предсказать сближение с малоразмерными, не каталогизированными КО , которые так же крайне опасны для МКС . Уже неоднократно экипажу МКС объявлялась аварийная готовность к экстренной эвакуации ввиду возможного столкновения с КМ.

Так, 12 марта 2009 г. космонавты были вынуждены временно переселиться со станции в эвакуационный корабль «Союз ТМА -13» с готовностью к расстыковке с МКС и возвращению на Землю. Причина была в болванке размером 13 см, двигавшейся по орбите 145.4230 км, которая пролетала в крайне опасной близости от МКС. Быстро меняющаяся орбита болванки (из-за очень низкого перигея) привела к большому запаздыванию оценки степени опасности и не оставляла времени на организацию маневра.

Недостатком метода является его ограниченная область применения, так как, если даже удастся создать самые совершенные системы предупреждения о грозящем столкновении КО, их нельзя использовать для предотвращения столкновений неуправляемых КО, поскольку они не способны маневрировать.

Процессы предотвращения взрывов КО путем пассивации.

Цель метода - 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.

2.5. Анализ существующей и прогнозной динамики процесса

механического загрязнения околоземного космического пространства

Динамика развития процесса механического загрязнения произвольно выделенной области околоземного космического пространства зависит от соотношения интенсивностей двух процессов (см. рис. 2.20): процесса генерирования космического мусора и процесса его регенерирования.

Рисунок 2.20 – Принцип анализа динамики развития процесса механического загрязнения области ОКП на основе сравнения интенсивностей процессов генерирования и регенерирования космического мусора

Состав и количество КМ постоянно изменяется. Можно выделить три его составляющие [11,12]: компонента А - короткоживущая популяция, обращающаяся близко к плотным слоям атмосферы, которую ожидает сгорание в атмосфере в ближайшее время; компонента В - долгоживущая популяция, т. е. КМ на значительных высотах, которая очень нескоро достигнет плотных слоев атмосферы; компонента С - «молодой» КМ, образующийся в результате текущих запусков ИСЗ, взрывов и столкновений КО, деградации их поверхности и т. п. Компонента С (точнее, мета-компонента) - источник постоянного пополнения компонент А и В.

За счет сокращения компоненты А происходит постоянное очищение ОКП от мусора, однако ее убывание не компенсирует рост общей популяции за счет компоненты С. В среднем два-три каталогизированных КО ежедневно входят в плотные слои атмосферы и, как правило, сгорают. Однако темп появления новых КО из различных источников заметно выше. Последнее хорошо видно из рис. 2.21 и прогноза роста количества столкновений крупных низкоорбитальных космических объектов по модели НАСА (см. рис. 2.22), заимствованных из работы [2].

Рисунок 2.21 – История изменения количества КО в ОКП

Рисунок 2.22 - Прогноз роста количества столкновений крупных НОКО (крупнее 10 см), усредненный по 100 прогонам модели НАСА LEGEND

Верхняя кривая на рис. 2.22 предсказывает резкое увеличение частоты столкновений в случае, если не предпринимать никаких мер по предотвращению засорения ОКП (сценарий 1). Средняя — рост числа столкновений для сценария, в котором 90 % отработавших КА будут удаляться с рабочих орбит (сценарий 2). Нижняя — асимптотически линейный рост числа столкновений при условии полного отказа от дальнейших запусков ИСЗ (сценарий 3). Нелинейный отрезок кривой (сплошной) до 2010 г. — дань накопленному влиянию запусков в предшествующий период. Последняя кривая красноречиво говорит, что, если даже человечество сейчас полностью откажется от космической деятельности, ОКП продолжит засоряться из-за столкновений крупных КО с КМ, причем количество последних продолжит свой рост, по крайней мере, в ближайшие 100 лет.

Столкновения становятся доминирующим источником образования КМ в низкоорбитальной области. Имеющаяся информация свидетельствует об увеличении частоты столкновений. Если сравнивать взрыв и столкновение с точки зрения перспективного состояния космической среды, то столкновение опаснее. Средняя относительная скорость столкновений в космосе составляет 10 км/сек, но бывает и большей. Эти скорости относятся к категории сверхзвуковых. Их особенность - образование огромного количества мелкого КМ, гораздо большего, чем при взрыве. На рис. 2.23 показаны результаты взрыва полуторатонной ступени РН и сверхзвукового столкновения такого же по массе объекта с небольшим обломком [2].

Рисунок 2.23 - Сравнение выхода фрагментов различных размеров

в результате взрыва и сверхзвукового столкновения

Вероятность столкновений в любой орбитальной области растет приблизительно пропорционально квадрату количества КО. При этом каждая орбитальная область имеет свою «критическую плотность» КО.

Другими словами, там должно присутствовать достаточное количество объектов с большой массой для обеспечения в результате столкновений прироста фрагментов, превышающего убыль КО в результате схода с орбиты (например, под действием атмосферного торможения или принудительного снятия КО с орбит). Когда эта критическая плотность будет достигнута, фрагменты мусора становятся главной причиной все возрастающей частоты новых столкновений, хотя их временной масштаб может быть растянут на десятки и сотни лет.

В 1991 г. Дональд Кесслер из Джонсоновского космического Центра НАСА сделал предсказание, о том, что если текущий темп накопления КМ сохранится, то уже к середине нашего столетия в некоторых диапазонах низких орбит плотность КМ достигнет критического уровня и начнется каскадный эффект. Впервые свою гипотезу Дональд Кесслер опубликовал в 1978 г. в работе [15]. В настоящее время ученые полагают, что уже в 1990-х гг. появились отдельные орбитальные области, в которых пространственная плотность КМ превышает критический уровень.

Рисунок 2.24 – Критическая плотность в низкоорбитальной области

На рис. 2.24 показано, как изменяется с высотой критическая плотность КМ в низкоорбитальной области, зависящая от таких факторов, как сопротивление атмосферы, размеры КО, распределения наклонений орбит и др. Районы, в которых реальная плотность КМ превышает критическую, заштрихованы (от 900 до 1000 км и около 1500 км). Сегодняшние прогнозы еще серьезнее, и они более достоверны, так как за 20 лет накоплено много фактических данных о текущей засоренности ОКП, главное — о ее динамике. По мнению ряда экспертов, каскадный эффект уже начался, по крайней мере, на высотах 900…1000 км, а также в пределах некоторых популяций мелкой фракции КМ [10].

Популяция КМ там будет увеличиваться количественно, даже если не будет притока новых КО извне, а количество фрагментов от столкновений в соответствии с синдромом Кесслера — расти экспоненциально. Это видно из сравнения распределений каталогизированных КО по высоте по состоянию на 1999 и 2010 гг. (см. рис. 2.25 и 2.26).

Вывод достаточно неутешительный – если даже прекратить вывод на орбиты, подпадающие под эффект Кесслера, новых КА, то процесс размножения КМ уже не остановить без применения мероприятий, неординарных по научно-техническому уровню и затратам. Такие мероприятия пока разрабатываются лишь на гипотетическом уровне. В частности к ним можно отнести следующие меры: «космические веники», огромные пенные шары, фольговые ловушки, лазерные испарители наземного и космического базирования, распыление вольфрамовой пыли [2].

В целом, к сожалению можно констатировать, что в настоящее время не существует сколько-нибудь эффективных технологий удаления мелкого КМ, а все предлагаемые схемы выглядят очень дорогими.

Выводы по главе II

Можно выделить четыре типа техногенных воздействий на космическую среду: механическое, химическое, радиоактивное и электромагнитное, из которых механическое загрязнение представляет на сегодняшний момент наибольшую угрозу для дальнейшего освоения и использования околоземного космического пространства. Из основных источников развития процесса механического загрязнения ОКП наиболее активными являются процессы, связанные к разрушением КО: эрозионная деградация поверхностей конструкции КО, взрывное разрушение КО, столкновение КО.

Наиболее опасными из основных видов последствий засоренности ОКП космическим мусором являются повреждения конструктивных элементов космических аппаратов и космических кораблей, а также опасность развязывания военных конфликтов при потерях КА военного назначения от неустановленного столкновения с КО и их обломками.

Наиболее действенными мерами снижения темпов загрязнения ОКП космическим мусором является уменьшение общей массы КО на орбитах, снижающее вклад в засоренность ОКП таких факторов, как разрушение КО за счет эрозии, взрывов и столкновений, а также предотвращение взрывов и столкновений КА с КО.

Динамика загрязнения ОКМ КМ имеет устойчивый рост и сохранится при реализации всех доступных методов очищения ОКП, так как темп появления новых КО заметно выше темпа их регенерации искусственным и естественным путем при условии реализации всех технологически и финансово возможных противодействующих мероприятий вследствие начала проявления эффекта Кесслера (каскадного размножения космического мусора).

Продолжительность хозяйственного использования орбит ОКП неизбежно ограничена интервалом времени преобладания величины экономического эффекта от использования ОКП в интересах человечества над степенью затрат на защиту КА и КК от воздействия космического мусора и наносимом им ущербом.

Глава III. СПОСОБЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ

ТЕХНОГЕННОЙ ОБСТАНОВКИ В ОКОЛОЗЕМНОМ

КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

3.1. Особенности моделирования процесса механического

загрязнения околоземного космического пространства

В основу современного подхода к моделированию динамики развития процесса механического загрязнения ОКП положен принцип сравнения интенсивностей процессов генерирования и регенерирования космического мусора, схематически показанный на рис. 2.20 и раскрытый более детально – на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Структура типового полимодельного комплекса

моделирования процесса механического загрязнения ОКП

Многофакторность как процессов генерации, так и регенерации космического мусора естественным образом порождают полимодельный подход к моделированию процесса механического загрязнения ОКП.

Моделирование включает две последовательно выполняемые процедуры: моделирование текущего состояния засоренности области ОКП и моделирование будущего состояния засоренности области ОКП.

Исходными данными для оценивания текущего состояния ОКП являются данные системы наблюдений, выполняющей функции мониторинга космического пространства.

Поскольку предмет мониторинга — действующие КА и космический мусор - охватывает широкий диапазон орбит и имеет самые разные составляющие (орбитальные параметры, размер, масса, скорость движения, форма, материал, отражающая способность и т. д.), то для контроля всего этого разнообразия требуется широчайший ассортимент средств наблюдения. Радиолокационные, оптические, оптико-электронные, радиотехнические, лазерные средства (как наземные, так и установленные на борту летательных аппаратов) — это первичный набор составляющих для получения информации о КМ [2,10].

Прежде всего, контролю подлежат крупные космические объекты. По обнаруженным КО ведется динамический каталог, в котором содержатся сведения о назначении КО, их принадлежности, состоянии, параметрах орбит, различных некоординатных характеристиках и пр. Эта информация регулярно уточняется по результатам наблюдений КО.

В мире в настоящее время существуют только две системы наблюдений, способные систематически и достаточно эффективно решать эту задачу. Это системы контроля космического пространства России и США. Подробная характеристика данных систем приведена в работе [2].

На основе данных мониторинга вычисляются с использованием методов экстраполяции наблюдений обобщенные показатели состояния засоренности ОКП, такие как плотности потоков КМ в различных орбитальных областях, виды распределений КМ, вероятности столкновений КО различных классов и.т.п.

После оценки текущего состояния производится моделирование будущего состояния засоренности области ОКП с расчетом параметров, характеризующих динамику развития процессов генерации и регенерации космического мусора.

При этом используется множество частных моделей, например,

• модели прогнозирования запусков КА;

• модели прогнозирования формирования сопутствующего КМ при выведении КА на рабочие орбиты;

• модели прогнозирования взрывов КО;

• модели прогнозирования разлета осколков при взрывах КО;

• модели прогнозирования генерации КМ в результате эрозии поверхностей КО;

• модели прогнозирования параметров орбит КО;

• модели прогнозирования столкновений КО;

• модели прогнозирования разлета осколков при столкновениях КО;

• модели прогнозирования удаления КА из ОКП;

• модели прогнозирования предотвращения взрывов КА пассивацией;

• модель прогнозирования влияния солнечной активности на верхние слои атмосферы Земли;

• модели торможения КО в верхней атмосфере Земли;

• модели трансформации крупного КМ в мелкий др.

По глубине упреждения прогнозы засоренности ОКП подразделяются на краткосрочные и долгосрочные.

Краткосрочные прогнозы используются для расчета параметров маневров уклонения КА от КО, обоснования способов защиты конструкции КА от КМ.

Долгосрочные прогнозы позволяют сравнить последствия техногенного воздействия на ОКП при различных сценариях деятельности человека в ОКП.

3.2. Краткая характеристика существующих моделей

прогнозирования механического загрязнения околоземного

космического пространства

Проанализировав историю развития аппарата моделирования механического загрязнения ОКП [2,10,12], можно выделить, по крайней мере, три поколения моделей прогнозирования динамики засоренности ОКП.

Модели первого поколения (1970-1980 г.г.). Представляют собой локальные узкопрофильные профессиональные детерминированные модели ограниченного доступа, построенные на основе моделей текущей засоренности ОКП с добавлением моделей взрывов, разрушений КО и моделей сопротивления атмосферы. Достоинство их в простоте вычислений и доступности исходных данных, а недостатки – в детерминированности, а значит в учете только каталогизированных объектов и не учете мелкого КМ, а также в отсутствии возможности учета различных меняющихся сценариев развития космической деятельности и отсутствия широкого доступа для тестирования и развития моделей.

Модели второго поколения (1980-2000 г.г.): EVOLVE, CHAIN, SPDA, MASTER, ORDEM включают детерминированную и стохастическую составляющую, что дает возможность учета мелких фракций КМ, позволяют прогнозировать космическую обстановку с учетом различных сценариев развития космической деятельности.

Модели третьего поколения (2000 - 2015 г.г.): GEO EVOLVE 1.0, LEGEND, ORDEM 2010, MASTER 2009, SPDA-E расширяют сферу применения на различные области ОКП, учитывают максимальное число факторов генерации и регенерации КМ, предусматривают инженерные версии широкого доступа.

Модель EVOLVE (США) разработана Робертом Рейнолдсом в 1986 году. Представляет среду как совокупность космических систем и КМ, каждый элемент которой характеризуется своей орбитой, массой, площадью поперечного сечения и прочими характеристиками. В качестве исходных данных используется история запусков (КА, РН, операционных элементов), модель трафика для будущих запусков, модель разрушений для определения распределений характеристик фрагментов, образующихся в результате взрывов и столкновений. Модель движения учитывает сопротивление атмосферы, возмущения от сжатия Земли, лунно-солнечные возмущения для высокоэллиптических орбит. Достоинство модели - может в явном виде моделировать и учитывать практически все условия, влияющие на эволюцию среды, и вполне хороша для прогноза изменения среды на десятки лет. Недостаток модели - требует слишком много компьютерного времени и большого объема памяти, поэтому ее не используют для прогноза эволюции засоренности ОКП на очень отдаленную перспективу (столетия и тысячелетия), где непременно требуется учитывать и каскадный эффект.

Модель CHAIN (Германия) разработана Питером Эйхлером в Брауншвейгском университете в 1993 году. Предложен подход («частица в ящике»), среда рассматривается как рандомизированный (случайный) набор элементов в дискретных группах размеров КМ и высот. Точные модели трафика, разрушений, прогнозирования движения КО, в отличие от модели EVOLVE, используются лишь однократно в цикле для расчета коэффициентов изменения параметров и аппроксимирующих функций. Благодаря этому расход компьютерного времени сократился на три порядка. Модель применима для долгосрочного исследования эволюции техногенного засорения ОКП и развития цепной реакции столкновений в космосе. Достоинство - работает быстро и дает картину эволюции среды на сотни лет и тысячелетия вперед с учетом каскадного эффекта. Недостаток - есть значительные сложности с расчетом надежных коэффициентов для представления скорости изменений.

Модель SPDA (Space Debris Prediction and Analysis) (Россия, разработчик - А. И. Назаренко) — это полуаналитическая стохастическая модель для среднесрочного и долгосрочного прогнозирования техногенного КМ размером более 1 мм в низкоорбитальных областях (англ. Low Earth Orbits, сокр. LEO) и на геосинхронных орбитах (англ. Geosynchronous Earth Orbits, сокр. GEO) для построения пространственного распределения концентрации и характеристик скорости, а также оценки риска столкновений. Модель разрабатывается, совершенствуется и обновляется с 1990 года по настоящее время. Достоинство – простота и надежность, ориентированность на доступные исходные данные. Недостаток – оценка и прогнозирование только уровня техногенного загрязнения ОКП и опасности столкновения КА с КМ без возможности детального моделирования различных сценариев.

Модель ORDEM (Orbital Debris Engineering Model) (США) разработана в 1991 году. Реализуется на персональных компьютерах средней производительности. В модели ORDEM применяется комбинация детерминированного и стохастического подходов. Каждый из объектов характеризуется тремя элементами орбиты — геоцентрическими расстояниями до перигея и апогея и наклонением. Концентрация КМ принимается независящей от долготы. Определяется вклад данного каждого объекта в концентрацию КМ в точке с геоцентрическими координатами. Результаты расчётов для различных точек ОКП суммируются по всем объектам. Модель аналогична по возможностям, достоинствам и недостаткам модели SPDA.

Модель MASTER (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference model) разработана под эгидой Европейского космического агентства. Включает описание как метеорных тел, так и космического мусора. В модели MASTER применяется детерминированный подход в наиболее чистом виде. Он основан на поштучном прогнозировании движения каждого из объектов с использованием известных начальных условий (элементов орбит). В сферической системе координат все пространство разбивается на трёхмерные ячейки, характеризуемые высотой, широтой, долготой и объёмом. Число ячеек может достигать нескольких сотен тысяч. Модель также аналогична по возможностям, достоинствам и недостаткам модели SPDA.

Модель GEO EVOLVE 1.0 предназначена для предсказания засоренности среды в глубоком космосе, в частности в области геосинхронных орбит.

Модель LEGEND (LEo-to-Geo ENvironment Debris model) считается в НАСА одной из наиболее совершенных моделей динамики популяции КМ с учетом ожидаемой интенсивности запусков новых ИСЗ, той или иной политики и мер по предотвращению дальнейшей засоренности и смягчения ее негативного влияния на космическую деятельность, т. е. для самых различных сценариев развития связанных с этим событий. Ключевой компонент LEGEND — модуль оценки вероятности столкновений в космосе. Моделируется (прогнозируется) последовательность «срезов» каталога КО, и для каждого среза трехмерное ОКП (или какая-либо его орбитальная область) разбивается на элементарные кубы. Далее, для каждого куба рассматриваются только попавшие в него КО (подход, аналогичный подходу в кинетической теории газа), после чего эти объекты больше не учитываются в данном цикле (для данного среза каталога). Это достаточно быстрый и эффективный способ осуществления попарного сравнения орбит. Время вычислений растет пропорционально общему количеству КО в каталоге N, а не N², как в использованном ранее классическом случае задачи N тел. Предельно допустимые установки для модели LEGEND - временной шаг интегрирования пять суток и размер куба 10*10*10 км. Данный подход совместим с моделированием эволюции орбит любых КО (ИСЗ, астероиды, кометы и т. д.) при расчете вероятностей столкновений в долгосрочной перспективе [Liou, 2004a], что сильно расширяет область применения, делает ее универсальной.

Основная рабочая инженерная модель НАСА ORDEM 2000 в 2010 г. претерпела существенную модернизацию и была заменена последней версией ORDEM 2010, которая, впервые включила моделирование популяции геосинхронного КМ размером 10 см и крупнее. Однако с ее помощью моделируется и очень мелкий КМ — например, в диапазоне 10 мкм – 1 мм, а также в сантиметровом диапазоне [2011; Krisko, 2011a; Xu et al., 2010]. Ключевым нововведением в версии модели ORDEM 2010 считается структура входных файлов ежегодных популяций КМ с 1995 по 2035 г. размером 10 мкм – 1 м от низких орбит до геосинхронных.

3.3. Влияние неопределенности исходных данных на точность

прогнозов механического загрязнения ОКП

Во многих источниках отмечается существование существенных расхождений между результатами применения разных моделей, которые могут отличаться на порядок и более [10]. Обычно такие расхождения объясняются сложностью объекта моделирования и недостаточно подробным учетом факторов, влияющих на засорение ОКП космическим мусором.

Поэтому большинство исследователей, занимающихся моделированием механического загрязнения ОКП, стремятся как можно более подробно описывать процессы, происходящие в ОКП. Это, в свою очередь, приводит к усложнению моделей, проблемам поиска и регулярного обновления исходных данных, отсутствию информации по некоторым составляющим моделируемых процессов, что общим термином обозначается как «неопределенность». Наличие неопределенности порой становится непреодолимым препятствием в получении прогнозов развития механического загрязнения ОКП с приемлемой для практики точностью.

Неопределенность имеет различные источники (составляющие неопределенности). В частности, к ним относятся неопределенности [2]: текущих количественных характеристик и распределений КО разных категорий (по размеру, массе, материалу, форме и т. д.) на орбитах; количества, характеристик и исходных распределений КО, которые будут запущены в ближайшем и особенно в отдаленном будущем; уровня солнечной активности и его влияния на параметры атмосферы; характеристик фрагментов, образующихся в результате взрывов и столкновений КО; особенности темпов образования продуктов возрастной деградации поверхностей КО; неточности и иногда неоднозначности самой измерительной информации. Например, темп будущих запусков, размеры перспективных КА и распределение их орбит нельзя предсказать точно ввиду зависимости от таких факторов, как цели миссий и требования к ним; появление новых технологий; мировое экономическое и политическое развитие. Из-за неопределенности прогноза солнечной активности и, следовательно, атмосферного сопротивления движению КО в низкоорбитальной области трудно точно оценить количество объектов, которые сойдут с орбит по естественным причинам.

Вторым недостатком сложных и подробных моделей (помимо существенной неопределенности) является быстрое устаревание ввиду, по крайней мере, двух причин. Во-первых, всякая, даже самая полная модель, учитывающая все важнейшие влияющие на качество ее результатов факторы, должна быть тщательно откалибрована. Для этого нужно располагать реальными измерениями моделируемой среды хотя бы в отдельных ее областях. Однако из-за необъятных размеров ОКП, сложной взаимной и внутренней структуры потоков КМ в разных областях космоса, весьма непростой динамики этой структуры, недостаточности средств наблюдения - вся совокупность полученных на сегодня данных измерений оценивается как относительно скудная, не дающая адекватного представления о засоренности космической среды. Во-вторых, космическая среда постоянно изменяется ввиду свойственной ей динамики, постоянного вброса очередных порций КМ при запусках ИСЗ, высвобождения новых объектов в процессе полета и функционирования КА, разрушений КО и т. п. Причем каждый тип вброса имеет свои индивидуальные закономерности изменения параметров среды. Эти изменения имеют практически непредсказуемые характеристики (количество, распределение масс и векторов скоростей КО). Поэтому модель должна постоянно совершенствоваться, а ее калибровка — регулярно обновляться с участием новых полученных измерений, что требует затрат времени и финансовых вложений.

Выходом из описанной ситуации для долгосрочного прогнозирования может быть применение менее сложных моделей, учитывающих только глобальную тенденцию, в частности, при прогнозировании срока «жизни» орбит ОКП в условиях механического загрязнения космическим мусором. Описание такой модели приведено в статье [14] и подробно прокомментировано ниже в четвертой главе.

Выводы по главе III

В основу современного подхода к моделированию динамики развития процесса механического загрязнения ОКП положен принцип сравнения интенсивностей процессов генерирования и регенерирования космического мусора. При этом полагается, что многофакторность процессов генерации и регенерации космического мусора обусловливают необходимость полимодельного подхода к моделированию процесса механического загрязнения ОКП, заключающегося в применении нескольких десятков частных моделей, описывающих различные аспекты засорения ОКП космическим мусором.

Можно выделить три поколения моделей прогнозирования динамики засоренности ОКП. При этом от поколения к поколению прослеживается тенденция усложнения структур моделей, подробного учета новых факторов и явлений.

В то же время повышение степени сложности и подробности моделей обостряет проблему неопределенности, заключающейся в ограниченных возможностях нахождения необходимых для применения моделей исходных данных. Наличие неопределенности становится непреодолимым препятствием в получении прогнозов развития механического загрязнения ОКП с приемлемой для практики точностью. При этом результаты применения разных моделей могут отличаться на порядок и более.

Кроме того, сложные и подробные модели быстро устаревают и нуждаются в регулярной калибровке, требующей времени и финансовых вложений на уточнение исходных данных и параметров моделей.

Выходом из ситуации может быть применение менее сложных моделей, учитывающих только глобальную тенденцию, в частности, при прогнозировании срока «жизни» орбит ОКП в условиях механического загрязнения космическим мусором.

Глава IV. СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СРОКА «ЖИЗНИ» ОРБИТ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С УЧЕТОМ

ПРОГРЕССИРУЮЩЕЙ ЗАСОРЕННОСТИ ОКОЛОЗЕМНОГО

КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА КОСМИЧЕСКИМ МУСОРОМ

На основе рассмотрения процессов генерации и регенерации космического мусора, описанных в главе 2, можно констатировать [14], что для длительного интервала наблюдения за процессом засорения ОКП КМ характерны три стадии формирования космического мусора: I – стадия накопления критической плотности КМ, II- стадия каскадного размножения КМ и III – стадия стабилизации плотности КМ. Первая стадия характеризуется относительно невысокой скоростью роста числа объектов космического мусора (ОКМ). Причинами появления ОКМ на данной стадии являются: процессы эрозии внешних элементов конструкции КА; отделившиеся в процессе вывода КА на орбиту и не сгоревшие в плотных слоях атмосферы составные части ракет-носителей, разгонных блоков; осколки взорвавшихся на орбите КА; технологические элементы оборудования, случайно отделившиеся от орбитальных станций в процессе выполнения работ в открытом космосе; фрагменты разрушенных КА в ходе испытаний средств поражения военного назначения. На второй стадии наблюдается ускорение процесса образования ОКМ за счет столкновения крупных фрагментов КМ с разрушением последних. Третья стадия характерна для ситуации, когда подавляющее большинство крупных фрагментов КМ разрушено, новых КА на рассматриваемую орбиту не выводится, а мелкие фрагменты сталкиваются, не образуя осколков.

4.1. Разработка математической модели прогнозирования

предельного срока «жизни» орбит космических аппаратов

на основе логистической кривой роста

Для математического моделирования процесса образования ОКМ введем следующие показатели: - начальное значение плотности ОКМ, фиксируемое на момент начала первой стадии []; - текущее значение плотности ОКМ []; - максимальное установившееся значение плотности ОКМ по завершении третьей стадии []; - значение скорости возрастания плотности ОКМ в текущий момент времени []; - текущее значение удельной, то есть отнесенной к текущему значению плотности ОКМ , скорости возрастания плотности ОКМ []; - начальное значение удельной скорости возрастания плотности ОКМ, фиксируемое на момент начала первой стадии [].

Как следует из приведенных выше рассуждений, скорость в зависимости от времени и стадии формирования КМ изменяется нелинейно, т.е. сначала возрастает, затем уменьшается до нуля.

А вот для удельной скорости , равной , характерен линейный вид зависимости (см. рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Линейная зависимость, иллюстрирующая

снижение удельной скорости роста плотности ОКМ

Из рисунка 4.1 следует, что удельная скорость роста плотности ОКМ, равная в начальный момент , по мере роста плотности ОКМ снижается, и при = становится равной нулю, т.е. процесс размножения ОКМ останавливается, а плотность ОКМ стабилизируется, асимптотически приближаясь к числу . Эта зависимость математически может быть записана в виде уравнения прямой, изображенной на рис. 4.1:

, (4.1)

где . Приняв во внимание, что =, можно записать

или (4.2)

(4.3)

Уравнение (4.3) носит название уравнения Ферхюльста [16], впервые примененного бельгийским математиком П. Ферхюльстом в 1838 году для описания роста численности населения.

Ответим на вопрос, по какому закону во времени будет изменяться плотность ОКМ , если скорость изменения изменяется по закону, описываемому уравнением Ферхюльста. Для этого решим дифференциальное уравнение (4.3) методом разделения переменных.

Умножим правую и левую часть уравнения (4.3) на и раскроем скобки в правой части: ; вынесем в правой части за скобки: . Разделив левую и правую части на , запишем: или

. (4.4)

Проведя интегрирование обеих частей уравнения (4.4) и введя константу , можно записать первообразные для левой и правой частей (4.4) в виде:

. (4.5)

Имеем: или

. (4.6)

Величину новой константы определим следующим образом. В момент времени начальное значение плотности ОКМ, фиксируемое на момент начала первой стадии, равно . Тогда, подставив и в (4.6), получаем:

(4.7)

Далее, подставив (4.7) в (4.6) имеем:

. (4.8)

Так как , , то можно записать

. (4.9)

Теперь, преобразовав (4.9), несложно получить формулу зависимости плотности ОКМ от времени:

. (4.10)

Разделим числитель и знаменатель (4.10) на произведение . Тогда

. (4.11)

Обратимся к монографии Е.М. Четыркина [13]. На стр. 50 отмечается, что S –образная логистическая кривая записывается в виде:

, (4.12)

Она центрально симметрична относительно точки перегиба, при ордината стремится к нулю, а при - к асимптоте . Кривая имеет перегиб в точке , значение логистической функции в этой точке .

Если сравнить (4.12) и (4.10), то можно увидеть, что выражение (4.11) по форме тождественно выражению (4.12) при ; ; . Тогда можно найти координату точки перегиба функции (4.11): и значение функции (4.11) в этой точке . График изменения функции (4.11) во времени приведен на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 – Форма логистической кривой, описывающей

изменение плотности ОКМ во времени по закону Кесслера

На рисунке 4.2 стадия I начинается с нулевой отметки времени. Для того, чтобы процесс засорения ОКМ «стартовал» с момента , выражение (4.11) должно быть записано в виде:

. (4.13)

Введем параметр , равный предельному значению плотности ОКМ, при достижении которого использование околоземной орбиты становится невозможным по критериям опасности или нерентабельности затрат на защиту КА от ОКМ.

Тогда предельным сроком «экологической жизни» околоземной орбиты будем называть интервал времени от начала ее использования до достижения предельного уровня засорения орбиты космическим мусором.

Остаточный срок «экологической жизни» околоземной орбиты соответственно есть интервал времени от текущего значения времени до достижения предельного уровня засорения орбиты.

Используя выражение (4.13), выведем аналитическую формулу для расчета предельного срока «экологической жизни» околоземной орбиты. Для этого составим и решим относительно следующее уравнение:

(4.14)

Из (4.14) после преобразования имеем: , откуда:

(4.15)

или

(4.16)

Способ оценивания предельного срока «экологической жизни» околоземной орбиты поясняет рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Способ оценивания предельного срока «экологической жизни» околоземной орбиты по критерию достижения предельного уровня

засорения орбиты космическим мусором

Так как (см. рис. 4.3), то ()