Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Предотвращение столкновения космических аппаратов - это реализация и изучение процессов, сводящих к минимуму вероятность непреднамеренного столкновения космического корабля с другими орбитальными объектами. Наиболее распространенной темой исследований и разработок в области предотвращения столкновений космических аппаратов являются искусственные спутники на геоцентрических орбитах . Предмет включает процедуры, разработанные для предотвращения скопления космического мусора на орбите, аналитические методы для прогнозирования вероятных столкновений и процедуры предотвращения для маневрирования космического корабля-нарушителя вдали от опасности.

Орбитальные скорости вокруг больших тел (таких как Земля ) высоки, что приводит к значительной кинетической энергии , участвующей в столкновениях на орбите. Например, при средней орбитальной скорости на низкой околоземной орбите ~ 7,8 км / с два перпендикулярно сталкивающихся космических корабля будут иметь общую относительную скорость столкновения ~ 12,2 км / с. Практически ни один из известных конструктивно твердых материалов не способен противостоять такому энергетическому удару, большая часть которого будет мгновенно испарена при столкновении и разбита на мириады кусков, выброшенных силой во всех направлениях. Из-за этого весьма вероятно, что любой космический корабль, сталкивающийся с другим объектом на орбите, будет серьезно поврежден или полностью разрушен.

Необходимость [ править ]

Каскадная серия столкновений между орбитальными спутниками и другими объектами может произойти, если позволить критической массе космического мусора накапливаться на орбите Земли, получившей название синдрома Кесслера . Эти столкновения будут создавать новые более мелкие куски мусора, которые резко увеличивают вероятность дальнейших столкновений и создают петлю положительной обратной связи . Это создаст закрытые области на орбите из-за повышенного риска столкновения и в конечном итоге полностью заблокирует доступ в космос из-за рискованного подъема по орбитам, заполненным мусором, во время запуска.

Очень немногие из всех спутников, запускаемых искусственными ракетами-носителями, которые сегодня остаются на околоземной орбите , все еще функционируют. По оценкам Управления космического мусора ЕКА на февраль 2020 года, подавляющее большинство спутников в космосе не работают. [1]

Оценочные данные о количестве запущенных человеком спутников, предоставленные Управлением космического мусора ЕКА [1]
Спутники выведены на околоземную орбитуВсе еще в космосеВсе еще работает
~ 9,600~ 5 500~ 2300

Хотя количество спутников, запущенных на орбиту, относительно невелико по сравнению с объемом пространства, доступного на орбите вокруг Земли, происходят опасные промахи и случайные столкновения. 2009 спутникового столкновения полностью уничтожены как космические корабли и привело к созданию примерно 1000 новых кусков космического мусора размером более 10 см (4 дюйма) и множество мелких. [2]

На орбите вокруг Земли есть другие более мелкие частицы материала, которые также могут нанести значительный ущерб спутникам. Это относительно небольшие предметы , такие как микро метеороидах , остатки спутниковых столкновений, или небольших естественных спутников.

Расчетные количественные данные по оценкам космического мусора, предоставленные Управлением космического мусора ЕКА [1]
Объекты мусора регулярно отслеживаютсяСобытия, приводящие к фрагментацииОбломки объектов, находящихся на орбите
> 10 см1-10 см1 мм - 1 см
~ 22 300> 500> 34 000~ 900 000> 128 миллионов

Эти объекты кажутся безобидными, но даже крошечные частицы, такие как случайные пятна краски, могут вызвать повреждение космического корабля [3], что вызвало необходимость замены окон после многих полетов космических шаттлов . [4]

Многие компании запускают крупные группировки спутников для обеспечения высокоскоростной связи и доступ в Интернет с низкой околоземной орбиты , а именно SpaceX «s Starlink и Amazon планировал проект Койпера созвездий. Планируется, что каждая из этих систем будет использовать десятки тысяч спутников, что значительно увеличит общее количество спутников и усугубит проблему космического мусора.

Методы снижения риска [ править ]

Чтобы свести к минимуму количество запускаемых объектов, превращающихся в неконтролируемый космический мусор, используются несколько передовых методов, которые различаются по технике в зависимости от орбиты объекта. Большинство защитных мер гарантируют, что спутники и другие искусственные объекты будут оставаться на своих рабочих орбитах только до тех пор, пока они являются функциональными и управляемыми. Эти обязанности ложатся на оператора спутников, который связан международными соглашениями по утилизации орбитальных объектов.

Суборбитальные траектории [ править ]

Объекты, запущенные на суборбитальные траектории, будут быстро смещены с орбиты из-за сопротивления атмосферы. К ним относятся такие вещи, как спутники, запускаемые на зондовых ракетах, предназначенные для быстрого возврата с орбиты, и ступени ракетных ускорителей, которые расходуют топливо до достижения орбитальной скорости. Спутники на суборбитальных траекториях обычно не требуют от оператора какой-либо преднамеренной заботы о возвращении в атмосферу и утилизации.

Внешний бак Спейс Шаттл предназначен для быстрого отчуждать себя после запуска. Большой внешний резервуар остается прикрепленным к орбитальному аппарату "Спейс шаттл" с момента старта до тех пор, пока он и орбитальный аппарат не начнут двигаться со скоростью чуть ниже орбитальной и достигнут высоты примерно 113 км (70 миль), после чего он отсоединяется и быстро следует по баллистической траектории. возвращение в атмосферу. Большая часть внешнего резервуара распадается из-за тепла при входе в атмосферу, в то время как орбитальный аппарат использует реактивные двигатели для завершения своего орбитального вывода. [5]

Низкая околоземная орбита [ править ]

Подавляющее большинство искусственных спутников и космических станций вращаются на низких околоземных орбитах (НОО) [6] со средней высотой менее 2000 км (1200 миль). Спутники на низкой околоземной орбите расположены близко к более толстым слоям атмосферы, где безопасный вход в атмосферу практичен, поскольку для замедления с низкой околоземной орбиты требуется небольшая Delta-v . Большинство спутников LEO используют остатки топлива, оставшегося на борту станции (используется для поддержания орбиты спутника против таких сил, как сопротивление атмосферы, которые постепенно возмущают орбиту), чтобы выполнить сжигание с орбиты и избавиться от себя. [7]

Легкость доступа для снятия спутников с низкой околоземной орбиты в конце срока службы делает его успешным методом контроля риска засорения космического мусора на НОО.

Средняя околоземная орбита и выше [ править ]

Орбиты со средней высотой выше, чем LEO (такие как Средняя околоземная орбита (MEO), Геостационарная орбита / Геостационарная орбита (GSO / GEO) и другие виды), далеки от более плотных частей атмосферы, что значительно увеличивает ожоги при полном выходе с орбиты непрактично. Немногие спутники имеют достаточный запас топлива, чтобы позволить себе такой маневр в конце своей жизни.

Спутники, находящиеся на высотах ближе к нижней границе СОО, могут использовать «правило 25 лет» для замедления с бортовой двигательной установкой, чтобы они выпали с орбиты в течение 25 лет, но это положение допускается только в том случае, если операторы спутников могут доказать статистическим анализом, что вероятность того, что вход в атмосферу в атмосферу приведет к травмам людей или материальному ущербу, составляет менее 1/10 000. Спутники, утилизированные таким образом, повторно входят в атмосферу в районе южной части Тихого океана, вдали от населенных пунктов, называемом кладбищем космических кораблей . [8]

Орбиты кладбища [ править ]

Космические аппараты, вращающиеся на больших высотах между НОО и Высокой околоземной орбитой (ВОО), чаще всего на высокоспециализированной и переполненной ГСО / ГСО, слишком далеки, чтобы использовать «правило 25 лет». ГСО и ГСО требуют, чтобы орбитальная плоскость была почти идеально экваториальной, а высота была как можно ближе к идеально круглой 35 786 км (22 236 миль), что означает, что пространство ограничено, и спутникам нельзя позволять истекать срок их полезного использования. Вместо того чтобы замедляться перед входом в атмосферу, большинство спутников на этих высотах немного ускоряются на более высокие орбиты захоронения, где они навсегда останутся вне пути взаимодействия с работающими спутниками.

На орбите остались пустые ступени ракеты [ править ]

Исторически сложилось так, что многие конструкции многоступенчатых пусковых установок полностью расходуют топливо для достижения орбиты и оставляют отработанные ступени ракет на орбите, как в бывшем советском семействе ракет « Зенит ». [9] Эти верхние ступени представляют собой большие искусственные спутники, на повторный вход в которые в зависимости от орбиты может уйти много лет.

Большинство современных конструкций включают достаточный запас топлива для сгорания с орбиты после вывода полезной нагрузки на орбиту. SpaceX «S Фалькон 9 является ракета - носитель , чтобы минимизировать эффект верхней ступени по проблеме космического мусора. Ракета состоит из двух ступеней, первая из которых суборбитальная. Он повторно входит в течение нескольких минут после запуска, либо намеренно используя топливо, зарезервированное для подъема ступени, чтобы приземлиться для повторного использования, либо его оставляют, чтобы продолжить свою баллистическую траекторию и распасться при входе в атмосферу.

Вторые ступени Falcon 9 обрабатываются разными методами в зависимости от орбиты. Для низкой околоземной орбиты вторая ступень использует оставшееся топливо для сгорания с орбиты и разложения в атмосфере. Ступени, выброшенные на средние околоземные орбиты , такие как геостационарные переходные орбиты (GTO) и геостационарные орбиты (GEO), обычно не имеют достаточного количества топлива для выхода с орбиты. Траектории ГТО спроектированы таким образом, что орбита второй ступени естественным образом распадется и снова войдет в атмосферу через несколько месяцев, в то время как этапы миссий, нацеленных на прямое попадание на ГСО, останутся намного дольше. [10]

Методы прогнозирования столкновений [ править ]

Большинство прогнозов риска столкновения рассчитываются с использованием баз данных орбитальных объектов с такими параметрами орбиты, как положение и скорость, измеренными с помощью наземных наблюдений. Сеть космического наблюдения Министерства обороны США ведет каталог всех известных орбитальных объектов, приблизительно равных по размеру софтболу или больше. Информация о более мелких предметах космического мусора менее точна или неизвестна. [4]

Как только точная орбита объекта становится точно известна, SSN Министерства обороны публикует известные параметры для публичного анализа на сайте space-track.org Министерства обороны и в Скоординированном архиве данных космической науки НАСА . Затем орбиту объекта можно спроецировать в будущее, оценив, где он будет расположен, и вероятность его близкого столкновения с другим орбитальным объектом. Долгосрочные проекции орбиты имеют большие погрешности из-за сложных гравитационных эффектов, которые постепенно возмущают орбиту (сродни темам в задаче трех тел ), и ошибок измерения наземного оборудования слежения. По этим причинам методы более точного измерения и оценки являются активной областью исследований.

НАСА проводит орбитальные проекции и оценивает риск столкновения с известными объектами размером более 4 дюймов (10 см). Для критически важных объектов, таких как Международная космическая станция , проводится оценка риска того, что любой объект будет пересекать прямоугольную область на полмили (1,25 км) выше / ниже и на 15 миль (25 км) вперед / назад по орбите и в любую сторону. космического корабля. Эта зона повышенного риска известна как «коробка для пиццы» из-за ее формы. [4]

Методы предотвращения столкновений [ править ]

Современные методы предотвращения столкновения основаны на небольшом изменении орбиты для минимизации риска столкновения и последующем возвращении космического корабля на предыдущую орбиту после того, как событие риска прошло. Точный метод, используемый для корректировки орбиты, зависит от того, какие элементы управления доступны на космическом корабле. Маневры предотвращения столкновения иногда также называют маневрами предотвращения столкновения (DAM), когда нарушающий объект является предметом космического мусора.

Космический аппарат с бортовой двигательной установкой [ править ]

НАСА использует маневры уклонения, если риск столкновения определен заранее и риск высок. Политика НАСА в отношении пилотируемых космических кораблей, которые все имеют бортовую двигательную установку, таких как космический шаттл и Международная космическая станция (согласованные всеми международными партнерами), требует планирования маневров уклонения, если вероятность столкновения составляет [4]

  • > 1/100 000, и маневр не будет противоречить целям миссии.
  • > 1/10 000, и маневр больше не подвергнет опасности экипаж.

По состоянию на август 2020 года МКС провела 27 маневров по предотвращению столкновений с момента своего первого запуска в 1999 году и со временем имеет тенденцию к росту. Наиболее опасными для американского орбитального сегмента являются обломки размером 1–10 см. [3] Популяция мусора в этом диапазоне размеров значительна, и ее трудно точно отследить с помощью существующих методов, что требует дальнейших исследований.

Эти маневры почти всегда проводятся стрельбами из бортовых подруливающего контроля реакции , хотя некоторая другая спутниковая и космические аппараты ориентации система , такие как Magnetorquers , маховики и гироскопы момент управлений может быть вовлечена. МКС может также использовать главные двигатели стыкованного грузового космического корабля - обычно космического корабля "Прогресс" или автоматизированного транспортного корабля . Маневры слегка изменяют орбитальную траекторию и обычно проводятся за несколько часов до события риска, чтобы дать эффект от изменения орбиты. [4]

Когда два оператора спутников уведомляются о потенциальном столкновении, один или оба оператора могут принять решение маневрировать своим спутником, например. ESA и SpaceX в 2019 году. [11]

В недавних исследованиях были разработаны алгоритмы, помогающие избежать столкновений в крупных спутниковых созвездиях [12], хотя неизвестно, проводились ли такие исследования в каких-либо активных группировках GNC .

Прерывание стыковки [ править ]

Еще одно применение маневра предотвращения столкновения - прервать автоматическую стыковку, и такая процедура встроена в программное обеспечение, которое контролирует стыковку транспортных средств автоматической пересадки с МКС. Это может быть инициировано экипажем на борту космической станции в качестве аварийной блокировки в случае проблемы во время стыковки. [13] Этот маневр был продемонстрирован вскоре после запуска первого квадроцикла « Жюль Верн» , а затем во время демонстрационных подходов к станции, которые он провел в конце марта 2008 года.

Космический корабль без бортовой двигательной установки [ править ]

Большинство запускаемых человеком спутников без бортовой двигательной установки - это небольшие спутники CubeSat, которые используют альтернативные устройства для управления ориентацией. В масштабе небольших объектов, таких как CubeSats, силы, связанные с большой относительной площадью поверхности, пропорциональной массе, становятся значительными. КубСаты часто запускаются на низкую околоземную орбиту , где атмосфера по-прежнему обеспечивает небольшое аэродинамическое сопротивление.

Аэродинамическое сопротивление малых спутников на низкой околоземной орбите можно использовать для небольшого изменения орбит, чтобы избежать столкновений с мусором, путем изменения площади поверхности, подверженной атмосферному сопротивлению, чередуя конфигурации с низким и высоким сопротивлением для управления замедлением. [14]

Осложняющие факторы [ править ]

Попытки уменьшить возможные столкновения осложняются факторами, в том числе:

  • по крайней мере один из объектов-нарушителей не имеет возможности удаленного управления из-за того, что он не функционирует
  • по крайней мере, один из оскорбительных объектов - естественный спутник, например астероид
  • событие риска не прогнозируется с достаточным временем, чтобы действовать

Все эти события по-разному ограничивают стратегические возможности снижения риска столкновения. Очень немногое может предотвратить проецируемое столкновение, если оба объекта не имеют возможности управления. Если только один из объектов является работающим спутником, он будет единственным участником маневра уклонения, значительно сокращая или полностью израсходовав оставшиеся запасы топлива. У спутника также может быть недостаточно топлива для правильного выполнения маневра, что снижает его эффективность.

Маневры для предотвращения столкновений требуют значительного времени на планирование и выполнение, что может стать проблемой, если риск не спрогнозирован заранее. Движение космического корабля часто бывает слабым, и для изменения его орбиты требуются длительные ожоги, а изменение скорости часто требует значимой доли полной орбиты для получения требуемого эффекта.

Например, маневры, обычно проводимые Международной космической станцией для предотвращения столкновений, часто требуют примерно 150-секундных ожогов [15] и значительных нарушений работы экипажа из-за обязательной медленной перенастройки солнечных панелей станции во избежание повреждения двигательными установками. Грубо говоря, по оценкам, самое быстрое время реакции МКС из нормального режима работы составляет около 5 часов 20 минут [16] с учетом ~ 3-часового периода настройки реконфигурации станции и ~ 2-х часов времени подготовки после сжигания, чтобы позволить изменение скорости вступило в силу.

Эффекты на окнах запуска [ править ]

Предотвращение столкновений является проблемой во время окон запуска космического полета . Как правило, перед запуском спутника необходимо выполнить и одобрить оценку столкновения при запуске (COLA). У окна запуска есть период затемнения COLA во время интервалов, когда транспортное средство не может взлететь, чтобы гарантировать, что его траектория не приведет его слишком близко к другому объекту, уже находящемуся в космосе. [17]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c «Космический мусор в цифрах» . www.esa.int . Проверено 22 октября 2020 .
  2. ^ «Какой бардак! Эксперты размышляют над проблемой космического мусора - USATODAY.com» . usatoday30.usatoday.com . Проверено 27 октября 2020 .
  3. ^ a b Филипп, Анц-Мидор; Снимает, Деби (август 2020 г.). «Ежеквартальные новости орбитального мусора» (PDF) . Космический центр имени Джонсона НАСА . Проверено 12 ноября 2020 года .
  4. ^ a b c d e Гарсия, Марк (13 апреля 2015 г.). «Космический мусор и человеко-космические корабли» . НАСА . Проверено 16 ноября 2020 .
  5. ^ Уилсон, Джим. «НАСА - Внешний резервуар» . www.nasa.gov . Проверено 27 октября 2020 .
  6. ^ Сампайо, JC; Wnuk, E .; де Мораес, Р. Вильена; Фернандес, СС (2014). "Резонансная орбитальная динамика в области НОО: в центре внимания космический мусор" . Математические проблемы инженерии . 2014 : 1–12. DOI : 10.1155 / 2014/929810 . ISSN 1024-123X . 
  7. ^ "Продолжительность жизни спутников | Европейская космическая съемка" . Проверено 27 октября 2020 .
  8. ^ "Орбиты кладбища и загробная жизнь спутника | Национальный экологический спутник, данные и информационная служба NOAA (NESDIS)" . www.nesdis.noaa.gov . Проверено 27 октября 2020 .
  9. ^ "Верхние ступени топ-листа самого опасного космического мусора" . SpaceNews . 2020-10-13 . Проверено 27 октября 2020 .
  10. ^ "запуск - Что происходит со второй ступенью Falcon 9 после отделения полезной нагрузки?" . Обмен стеком по исследованию космоса . Проверено 27 октября 2020 .
  11. ^ Космический корабль ЕКА избегает потенциального столкновения со спутником Starlink
  12. ^ Чанпин, Данг; Бо, Рен; Хун, Яо; Пу, Го; Вэй, Тан (2014-08-08). «Стратегия предотвращения столкновения космических кораблей» . Материалы конференции IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control 2014 . Яньтай, Китай: IEEE: 1961–1966. DOI : 10.1109 / CGNCC.2014.7007479 . ISBN 978-1-4799-4699-0.
  13. ↑ Жюль Верн демонстрирует безупречный маневр по предотвращению столкновений
  14. ^ Омар, Санни Р .; Бевилаква, Риккардо (30 декабря 2019 г.). «Предотвращение столкновения космических аппаратов с использованием аэродинамического сопротивления» . Журнал наведения, управления и динамики . 43 (3): 567–573. DOI : 10.2514 / 1.G004518 . ISSN 1533-3884 . 
  15. ^ «НАСА изменяет положение космической станции, чтобы избежать столкновения с массивным мусором» . национальная почта . Проверено 15 ноября 2020 .
  16. ^ "Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)" . ntrs.nasa.gov . Проверено 16 ноября 2020 .
  17. ^ «Центр состояния миссии - Отчет о запуске Delta 313» . Космический полет сейчас.

Внешние ссылки [ править ]

  • Интерактивная визуализация мусора от stuffin.space

См. Также [ править ]

  • Космический мусор
  • Избежание столкновения
  • Управление космическим движением