Околоземное космическое пространство
реклама
Российская академия наук Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша Мониторинг областей высоких орбит околоземного космического пространства в интересах обеспечения безопасности космической деятельности в условиях засоренности космоса Э.Л.Аким, В.М.Агапов, И.Е.Молотов, В.А. Степаньянц Второй международный специализированный симпозиум «Космос и глобальная безопасность человечества» 5-9 июля 2010 г. Околоземное космическое пространство С точки зрения практического использования Среда для решения научных, практических и исследовательских задач Ограниченный природный ресурс Среда деятельности, подчинённой различным интересам С точки зрения существования человечества Источник благ и опасности для цивилизации С точки зрения системного подхода к исследованию Сложная динамическая система с большим количеством объектов, факторов, условий и связей между ними 2 Космический мусор Все нефункционирующие КО искусственного происхождения В их числе: отработавшие ступени РН, нефункционирующие КА, фрагменты более 200 разрушений Около 23000 объектов размером более 10 см (по состоянию на середину 2010 г.) Более 600000 объектов размером 1-10 см 3 Защищаемые области ОКП Source – IAA Position Paper on Space Debris Mitigation Region A – LEO protected region Region B – GEO protected region 4 Источники возникновения и способы прекращения существования космического мусора ЗАПУСКИ ступени, полезные грузы, операционные фрагменты, выбросы частиц шлака РДТТ СХОД С ОРБИТЫ в результате торможения в верхней атмосфере РАЗРУШЕНИЯ КА и ступеней РН СТОЛКНОВЕНИЯ между объектами ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ УВОД С ОРБИТЫ с помощью специальных манёвров или с использованием аэродинамического торможения на материалы конструкции Каталогизировано около 36800 объектов размером более 8-10 см из которых на орбите находится более 15760. Ежегодный прирост 5 600-700 новых объектов. Резолюция Генеральной Ассамблеи ООН 62/217 Генеральная Ассамблея, …………………… учитывая, что проблема космического мусора волнует все государства, …………………… 26. одобряет руководящие принципы предупреждения образования космического мусора, принятые Комитетом по использованию космического пространства в мирных целях; 27. соглашается с тем, что добровольные руководящие принципы предупреждения образования космического мусора отражают существующую практику, выработанную рядом национальных и международных организаций, и призывает государства-члены применять эти руководящие принципы с помощью соответствующих национальных механизмов; 28. считает, что государствам-членам крайне необходимо уделять больше внимания проблеме столкновений космических объектов, в том числе с ядерными источниками энергии, с космическим мусором и другим аспектам проблемы космического мусора, призывает продолжать национальные исследования по этому вопросу, разрабатывать усовершенствованные технологии наблюдения за космическим мусором и собирать и распространять данные о космическом мусоре, считает также, что, по мере возможности, информацию по этому вопросу следует представлять НаучноТехническому подкомитету, и согласна с необходимостью международного сотрудничества для расширения соответствующих и доступных стратегий сведения к 6 минимуму воздействия космического мусора на будущие космические полеты; Компоненты задачи мониторинга ОКП для обеспечения безопасности КД - - - - Наблюдения объектов в ОКП (детерминированные и статистические), определение их орбитальных характеристик и физических свойств, источников образования Выявление ситуаций и прогнозирование Контроль выполнения засоренности развития мероприятий по опасных снижению Моделирование состояния засоренности ОКП и его динамики на длительных интервалах времени с учетом различных сценариев космической деятельности, оценка эффективности предлагаемых мероприятий по снижению засоренности и очистке ОКП 7 Особенности наблюдений объектов на высоких орбитах - - - - - Только оптические средства эффективны, но они имеют известные ограничения (погода, наблюдения только в темное время суток, помехи от фоновых источников света) Большая пространственная объектов на небесной сфере Широкий диапазон объектов (от 7 до переменностью и с движения (от единиц область видимых положений видимого блеска потенциально опасных 21 зв. величины) в сочетании с его переменной угловой скоростью видимого угл. сек в сек до 2° в сек) Невозможность ведения непрерывных наблюдений объектов в области ГСО. Возможность организации эффективных обзоров Необходимость пространственно-временного поиска объектов на сложных орбитах (ВЭО с перигеем ниже 400 км) или со сложными физическими свойствами (большое и переменное отношение площади к массе) 8 Наблюдение высоких околоземных орбит. Сеть НСОИ АФН Научная сеть оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений объектов техногенного происхождения 9 Особенности наблюдений высокоорбитальных фрагментов Magnitude 19 18.5 18 17.5 17 16.5 0 500 1000 1500 2000 Time (sec) 2500 3000 3500 4000 Объект 90082 (A/m=9.98 кв.м/кг) Наблюдения на телескопе ЗТШ (2.6 м) 10 Особенности наблюдений высокоорбитальных фрагментов Объект 90053 (A/m = ~10 кв.м/кг) Наблюдения на телескопе ЗТШ (2.6 м) 11 Обзоры области ГСО Ситуационная схема для планирования обзоров области ГСО 12 Наблюдение высоких околоземных орбит. Центр обработки данных в ИПМ Элемент АСПОС ОКП (Сегмент мониторинга опасных ситуаций в области ГСО, ВЭО и СВО) Основные решаемые задачи: - планирование работы НСОИ АФН и выдача заданий на проведение наблюдений - сбор получаемой измерительной информации - идентификация измерений с известными объектами, выявление новых объектов - уточнение параметров орбитального движения - прогнозирование движения всей совокупности объектов и выявление потенциально опасных ситуаций, расчет параметров, характеризующих опасную ситуацию - оперативное взаимодействие с Центральным ядром 13 Состояние изученности популяции техногенных объектов в области ГСО Всего сетью НСОИ АФН отслеживается – 1467 объектов в области ГСО (по сравнению с 1016 объектами для которых данные предоставляются СККП США посредством специального Web-сервиса SpaceTrack), включая космические аппараты – 892 391 - функционирующие 501 – не функционирующие ступени РН, РБ, апогейные ДУ – 250 более чем 15 различных типов (модификаций) фрагменты и объекты неизвестного типа – 325 (только 20 фрагментов в области ГСО официально каталогизировано системой ККП США) 14 Number of operational GEO spacecraft Распределение функционирующих КА в области ГСО по наклонению орбиты 300 279 250 200 150 100 50 21 16 13 10 14 6 0 1 2 3 4 5 6 7 7 3 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 5 2 2 2 0 1 Inclination (upper limit), 112 КА (почти 29% всех функционирующих КА в области ГСО) находятся на наклонных орбитах 15 Выявление и прогнозирование развития опасных ситуаций Рассматриваемые опасные ситуации: - сближения орбитальных объектов с функционирующими КА - неуправляемый сход с орбиты крупных объектов или объектов с опасными материалами в составе конструкции 16 Выявление и прогнозирование развития опасных ситуаций. Сближения на орбите Сближения с функционирующими КА - объектов космического мусора - других функционирующих КА Опасные сближения - необходимость выработки «единого языка» общения участников космической деятельности (критерии опасности, методы количественных оценок опасности) - необходимость координации между операторами 17 Функционирующие КА в окрестности 70 в.д. 18 Выявление и прогнозирование развития опасных ситуаций. Сближения на орбите Сложности прогнозирования развития опасной ситуации сближения объектов с требуемым уровнем достоверности - отсутствие априорной информации о физических характеристиках объектов космического мусора - отсутствие априорной информации о планируемых динамических операциях для КА, управляемых другими операторами - сложность получения достаточного количества измерений по функционирующим КА в области ГСО между динамическими операциями для построения орбиты требуемой точности 19 Популяция защищаемой области ГСО Функционирующие КА - 35.6% общей популяции защищаемой области ГСО (57.2% объектов постоянно находящихся в этой области) 20 Контроль выполнения рекомендаций по снижению засорённости Руководящие принципы предупреждения образования космического мусора Руководящий принцип 1: Ограничение образования мусора при штатных операциях Руководящий принцип 2: Сведение к минимуму возможности разрушений в ходе полетных операций Руководящий принцип 3: Уменьшение вероятности случайного столкновения на орбите Руководящий принцип 4: Избежание преднамеренного разрушения и других причиняющих вред действий Руководящий принцип 5: Сведение к минимуму возможности разрушений после выполнения программы полета, вызываемых запасом энергии Руководящий принцип 6: Ограничение длительного существования космических аппаратов и орбитальных ступеней ракет-носителей в районе низкой околоземной орбиты (НОО) после завершения их программы полета Руководящий принцип 7: Ограничение длительного нахождения космических аппаратов и орбитальных ступеней ракет-носителей в районе геосинхронной орбиты (ГСО) после завершения их программы полета 21 Контроль выполнения Руководящего принципа 1. Примеры В течение 5 лет работы сеть НСОИ АФН обнаружила около двух десятков слабых ранее не известных объектов в области ГСО, которые представляют собой операционные (технологические) фрагменты, отделенные в ходе штатных операций (некоторые – совсем недавно). Среди них: - крышка системы охлаждения аппаратуры наблюдения КА MSG 2 cooler cover (обнаружена сетью НСОИ АФН непосредственно сразу после отделения, официально каталогизирована КК ВВС США несколько месяцев спустя) - солнцезащитные крышки ИК-телескопов КА типа «Имеюс» (DSP) - фрагмент КА FENGYUN 2D (крышка системы охлаждения?) (официально каталогизирован КК ВВС США через 1.5 года после обнаружения объекта сетью НСОИ АФН) - фрагмент КА FENGYUN 2E (крышка системы охлаждения?) (обнаружен сетью НСОИ АФН в июле 2009, до сих пор официально не каталогизирован) 22 Фрагмент КА FENGYUN 2D 23 Обеспечение реализации и контроль выполнения Руководящего принципа 3 Во избежание случайных столкновений функционирующих КА друг с другом или с другими не функционирующими объектами необходимо получение как можно более точной орбитальной информации, требуемой при анализе ситуации и принятии решения о её парировании Сегмент АСПОС ОКП в ИПМ и НСОИ АФН обеспечивают: • регулярные наблюдения КА на ГСО, размещающихся в одной точке, но управляемых разными операторами • проведение регулярного поиска и слежения за нефункционирующими объектами, пересекающими защищаемую область ГСО • выявление потенциально опасных сближений и оценку их параметров 24 Функционирующие КА в окрестности 70 в.д. 25 Контроль выполнения Руководящего принципа 7 Длительное постоянное или периодическое нахождение отработавших КА и ступеней РН (РБ) в защищаемой области ГСО может явиться следствием: - недостатка топлива в баках ступени РН (РБ) после отделения КА на целевой орбите - недостатка топлива в баках КА в конце срока активного функционирования для проведения маневра увода на орбиту захоронения с рекомендуемыми параметрами - аварии (аномалии) бортового оборудования, приведшей к невозможности проведения маневров - некорректного выбора параметров орбиты захоронения вследствие невозможности (или некорректности) оценки неуправляемого движения относительно центра масс на длительных интервалах 26 Контроль выполнения Руководящего принципа 7 Основываясь на потоке измерений от сети НСОИ АФН и постоянно обновляемой орбитальной информации Сегмент АСПОС ОКП в ИПМ способен решать следующие задачи: - подтверждать факт проведения (не проведения) завершающих операций в конце срока активного функционирования - проводить оценку долгосрочной эволюции объекта, включая вариации модуля и направления вектора светового давления вследствие изменения ориентации объекта - контролировать, удовлетворяет ли орбита увода отработавшей ступени РН (РБ) или КА рекомендациям, изложенным в Руководящих принципах 27 Контроль выполнения Руководящего принципа 7. Примеры работы Сегмента АСПОС ОКП в ИПМ В 2009-2010 гг. был осуществлен контроль целого ряда операций выведения КА в область ГСО с последующим уводом ступеней РН (РБ) и увода отработавших КА на орбиту захоронения. Наиболее характерные события: Обнаружение (без какой-либо априорной информации) и ежесуточный контроль операций по уводу КА Экспресс А3 на орбиту захоронения в период с 21.08.2008 по 31.08.2008. Службы слежения КК ВВС США потеряли объект 20.08.2008 и официально выдали первое уточнение орбиты захоронения 27.09.2009. Обнаружение факта вероятного возникновения проблем с КА USA 197 (DSP F23), который не провёл очередную коррекцию удержания в точке стояния, и впоследствии не провёл манёвр увода на орбиту захоронения. Обнаружение РБ Бриз-М в запусках 11.02.2008 и 28.01.2010 на орбитах увода после отделения КА. Данные объекты до сих пор не каталогизированы КК ВВС США. 28 Пример контроля ситуации с аварийным КА DSP F23 29 Выводы - - - - - В рамках работ по созданию АСПОС ОКП на качественно новом уровне начат регулярный мониторинг области высоких орбит в интересах обеспечения безопасности космической деятельности Работы проводятся системно Сегментом АСПОС ОКП в ИПМ им. М.В.Келдыша РАН в тесном взаимодействии с Центральным ядром АСПОС ОКП в ЦУП ЦНИИИмаш Информационную основу решения задач мониторинга области высоких орбит в настоящее время составляют наземные оптические средства сети НСОИ АФН Полученные результаты получили высокую оценку зарубежных коллег и по некоторым параметрам превосходят результаты, получаемые сетью контроля космического пространства США. В частности, уже обнаружено и регулярно контролируется более 350 ранее не известных фрагментов в области ГСО, которые американская ККП не контролирует Требуется дальнейшее развитие информационных средств для обеспечения регулярного мониторинга орбит ВЭО и СВО 30
