Предотвращение столкновений (космический корабль)
Предотвращение столкновений космических аппаратов - это реализация и исследование процессов, сводящих к минимуму вероятность непреднамеренного столкновения космического корабля на орбите с другими орбитальными объектами. Наиболее распространенным предметом исследований и разработок по предотвращению столкновений космических аппаратов являются искусственные спутники на геоцентрических орбитах . Тема включает в себя процедуры, предназначенные для предотвращения накопления космического мусора на орбите, аналитические методы прогнозирования вероятных столкновений и процедуры предотвращения, позволяющие отвести космический корабль-нарушитель от опасности.
Орбитальная скорость вокруг крупных тел (таких как Земля ) высока, в результате чего значительная кинетическая энергия в столкновениях на орбите задействована . Например, при скорости околоземной орбиты ~7,8 км/с два перпендикулярно сталкивающихся космических корабля встретятся на скорости ~12,2 км/с. Практически ни один из известных структурно твердых материалов не выдерживает такого энергетического воздействия. Большая часть спутника мгновенно испарится в результате столкновения и разобьется на множество частей, с силой разбросанных во всех направлениях. Из-за этого любой космический корабль, столкнувшийся с другим объектом на орбите, скорее всего, будет серьезно поврежден или полностью уничтожен.
Необходимость
[ редактировать ]Если на орбите Земли будет накоплена критическая масса космического мусора, может произойти каскадная серия столкновений между орбитальными спутниками и другими объектами, получившая название синдрома Кесслера . Больше столкновений приведет к появлению новых меньших фрагментов, которые вызовут больше столкновений и так далее. Возникающая в результате петля положительной обратной связи создаст на орбите закрытые области из-за риска столкновения и в конечном итоге полностью заблокирует доступ в космос из-за рискованного подъема по заполненным обломками орбитам во время запуска.
Очень немногие из всех спутников, запущенных с помощью созданных человеком ракет-носителей и остающихся сегодня на околоземной орбите , все еще функционируют. По оценкам Управления космического мусора ЕКА, по состоянию на сентябрь 2021 года чуть более половины спутников в космосе все еще находятся в рабочем состоянии. [1]
| Спутники выведены на околоземную орбиту | Все еще в космосе | Все еще функционален |
|---|---|---|
| ~12,070 | ~7,500 | ~4,700 |
Хотя количество спутников, запущенных на орбиту, относительно невелико по сравнению с объемом доступного пространства на орбите вокруг Земли, случаются рискованные промахи и случайные столкновения. Столкновение спутников в 2009 году полностью уничтожило оба космических корабля и привело к образованию примерно 1000 новых кусков космического мусора размером более 10 см (4 дюйма) и множества меньших. [2]
На орбите вокруг Земли есть и другие более мелкие частицы материала, которые также могут нанести значительный ущерб спутникам. Это относительно небольшие объекты, такие как микрометеороиды , остатки столкновений спутников или небольшие естественные спутники.
| Объекты мусора регулярно отслеживаются | События, приводящие к фрагментации | Объекты обломков, по оценкам, находятся на орбите | ||
|---|---|---|---|---|
| >10 см | 1-10 см | 1 мм - 1 см | ||
| ~22,300 | >500 | >34 000 | ~900,000 | >128 миллионов |
Эти объекты кажутся безобидными, но даже крошечные частицы, такие как пятна краски, могут повредить космический корабль. [3] Пятна краски стали причиной необходимости замены окон после многих полетов космических кораблей . [4]
Многие компании запускают крупные спутниковые группировки для обеспечения высокоскоростной связи и доступа в Интернет с низкой околоземной орбиты , а именно группировки SpaceX Starlink запланированные и Amazon, в рамках Project Kuiper . 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
[ редактировать ]Для минимизации количества запущенных объектов, превращающихся в неуправляемый космический мусор, используется несколько передовых методов, методы которых различаются в зависимости от орбиты объекта. Большинство защитных мер гарантируют, что спутники и другие искусственные объекты остаются на своих рабочих орбитах только до тех пор, пока они работоспособны и управляемы. Эти обязанности ложатся на спутникового оператора, который связан международными соглашениями об утилизации орбитальных объектов.
Суборбитальные траектории
[ редактировать ]Объекты, запущенные на суборбитальные траектории, будут быстро сведены с орбиты из-за сопротивления атмосферы. К ним относятся такие вещи, как спутники, запускаемые на зондирующих ракетах, предназначенных для быстрого возврата с орбиты, и ступени ракетного ускорителя, которые расходуют свое топливо до достижения орбитальной скорости. Спутники на суборбитальных траекториях обычно не требуют каких-либо преднамеренных действий со стороны оператора для обеспечения входа в атмосферу и удаления.
спроектирован Внешний бак космического корабля «Шаттл» так, чтобы быстро утилизироваться после запуска. Большой внешний резервуар остается прикрепленным к орбитальному аппарату космического корабля "Шаттл" с момента старта до тех пор, пока он и орбитальный аппарат не начнут двигаться со скоростью чуть ниже орбитальной и не достигнут высоты примерно 113 км (70 миль), после чего он отделяется и быстро следует по баллистической траектории. снова входя в атмосферу. Большая часть внешнего резервуара распадается из-за высокой температуры при входе в атмосферу, в то время как орбитальный аппарат использует двигатели управления реакцией для завершения вывода на орбиту. [5]
Низкая околоземная орбита
[ редактировать ]Подавляющее большинство искусственных спутников и космических станций вращаются на низких околоземных орбитах (НОО). [6] со средней высотой менее 2000 км (1200 миль). Спутники LEO расположены близко к более толстым частям атмосферы, где безопасный вход в атмосферу практически осуществим, поскольку Дельта-v, необходимая для торможения с LEO, невелика. Большинство спутников LEO используют остатки оставшегося на борту топлива для поддержания станции (используемого для поддержания орбиты спутника против таких сил, как сопротивление атмосферы, которые постепенно нарушают орбиту), чтобы выполнить спуск с орбиты и избавиться от себя. [7]
Легкость доступа к выводам с орбиты спутников LEO по окончании срока службы делает его успешным методом контроля риска космического мусора на LEO.
Средняя околоземная орбита и выше
[ редактировать ]Орбиты со средней высотой выше, чем НОО (такие как средние околоземные орбиты (MEO), геосинхронная орбита / геостационарная орбита (GSO/GEO) и другие виды) находятся далеко от более плотных частей атмосферы, что значительно увеличивает вероятность полного схода с орбиты. непрактично. Лишь немногие конструкции спутников имеют достаточный запас топлива, чтобы позволить себе такой маневр в конце своего срока службы.
Спутники, находящиеся на высотах ближе к нижней границе средней орбиты, могут использовать «правило 25 лет» для замедления с помощью бортовой двигательной установки, так что они упадут с орбиты в течение 25 лет, но это положение допускается только в том случае, если операторы спутников могут доказать с помощью статистического анализа, что вероятность того, что вход в атмосферу приведет к травмам людей или материальному ущербу, составляет менее 1/10 000. Утилизированные таким образом спутники возвращаются в атмосферу в районе южной части Тихого океана, вдали от населенных пунктов, называемом кладбищем космических кораблей . [8]
Кладбищенские орбиты
[ редактировать ]Космические аппараты, вращающиеся на больших высотах между НОО и высокой околоземной орбитой (ВЭО), чаще всего на очень специфичных и переполненных ГСО/ГСО, находятся слишком далеко, чтобы можно было использовать «правило 25 лет». GSO и GEO требуют, чтобы орбитальная плоскость была почти идеально экваториальной, а высота была как можно ближе к идеально круговой 35 786 км (22 236 миль), что означает, что пространство ограничено, и нельзя допустить, чтобы спутники оставались после истечения срока их полезного использования. Вместо того, чтобы замедляться для входа в атмосферу, большинство спутников на этих высотах слегка ускоряются и переходят на более высокие орбиты кладбища , где они навсегда останутся в стороне от взаимодействия с действующими спутниками.
Пустые ступени ракет остаются на орбите
[ редактировать ]Исторически многие конструкции многоступенчатых ракет-носителей полностью расходовали топливо для выхода на орбиту и оставляли отработанные ступени ракеты на орбите, как в бывшем советском «Зенит» . семействе ракет [9] Эти верхние ступени представляют собой большие искусственные спутники, возвращение на которые, в зависимости от орбиты, может занять много лет.
Большинство современных проектов предусматривают достаточный запас топлива для сжигания при сходе с орбиты после вывода полезной нагрузки на орбиту. SpaceX компании Falcon 9 — это ракета-носитель, предназначенная для минимизации воздействия разгонной ступени на космический мусор. Ракета состоит из двух ступеней, первая из которых суборбитальная. Он возвращается в атмосферу через несколько минут после запуска, либо намеренно используя топливо, зарезервированное для этапа восстановления, для приземления и повторного использования, либо его оставляют продолжать двигаться по баллистической траектории и распадаются при входе в атмосферу.
Вторые ступени Falcon 9 обрабатываются с использованием различных методов в зависимости от орбиты. На низких околоземных орбитах вторая ступень использует оставшееся топливо для схода с орбиты и распада в атмосфере. Ступени, застрявшие на средних околоземных орбитах , таких как геостационарная переходная орбита (GTO) и геостационарная орбита (GEO), обычно не имеют достаточного количества топлива для схода с орбиты. Траектории GTO спроектированы таким образом, что орбита второй ступени естественным образом затухнет и снова войдет в атмосферу через несколько месяцев, в то время как ступени миссий, нацеленных на прямой вывод на ГСО, останутся там намного дольше. [10]
Методы прогнозирования столкновений
[ редактировать ]Большинство прогнозов риска столкновения рассчитываются с использованием баз данных орбитальных объектов с параметрами орбиты, такими как положение и скорость, измеренными с помощью наземных наблюдений. США Сеть космического наблюдения Министерства обороны ведет каталог всех известных орбитальных объектов, примерно равных по размеру мячу для софтбола 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 Министерства обороны США space-track.org. Архивировано 17 ноября 2020 г. в Wayback Machine НАСА и Координированном архиве космических научных данных . 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 большую планку погрешностей из-за сложных гравитационных эффектов, которые постепенно нарушают орбиту (сродни проблемам трех тел ), а также ошибок измерений наземного оборудования слежения. По этим причинам методы более точного измерения и оценки являются активной областью исследований.
НАСА проводит орбитальные прогнозы и оценивает риск столкновения известных объектов размером более 4 дюймов (10 см). Для критически важных объектов, таких как Международная космическая станция , проводится оценка риска того, что любой объект будет перемещаться в пределах прямоугольной области на полмили (1,25 км) выше/ниже и на 15 миль (25 км) впереди/позади по орбите и в обе стороны. космического корабля. Эту зону повышенного риска называют «коробкой для пиццы» из-за ее формы. [4]
Методы предотвращения столкновений
[ редактировать ]Современные методы предотвращения основаны на небольшом изменении орбиты, чтобы минимизировать риск столкновения, а затем возвращении космического корабля на предыдущую орбиту после того, как событие риска прошло. Точный метод, используемый для корректировки орбиты, различается в зависимости от того, какие элементы управления доступны на космическом корабле. Маневры по предотвращению столкновений иногда также называют маневрами по предотвращению мусора (DAM), когда объектом-нарушителем является космический мусор.
Космический корабль с бортовой двигательной установкой
[ редактировать ]НАСА использует маневры уклонения, если риск столкновения определен достаточно заранее и риск высок. Политика НАСА в отношении космических кораблей с экипажем, все из которых имеют бортовую двигательную установку, таких как « Спейс шаттл» и Международная космическая станция (согласована всеми международными партнерами), требует планирования маневров уклонения, если вероятность столкновения мала. [4]
- >1/100 000 и маневр не будет противоречить целям миссии.
- >1/10 000 и маневр не будет представлять дополнительную угрозу для экипажа
По состоянию на август 2020 года МКС провела 27 маневров по предотвращению столкновений с момента своего первого запуска в 1999 году, и со временем эта тенденция растет. Наиболее опасными для орбитального сегмента США являются обломки размером от 1 до 10 см. [3] Популяция обломков в этом диапазоне размеров значительна, и ее трудно точно отследить современными методами, что требует дальнейших исследований.
Эти маневры уклонения почти всегда выполняются путем запуска бортовых реактивных двигателей некоторые другие системы ориентации спутников и космических кораблей, такие как магнитные двигатели , реактивные колеса и гироскопы управляющего момента , хотя могут быть задействованы и . МКС также может использовать главные двигатели пристыкованного грузового космического корабля — обычно космического корабля «Прогресс» или автоматического транспортного корабля . Маневры слегка меняют орбитальную траекторию и обычно проводятся за несколько часов до опасного события, чтобы дать возможность эффектам изменения орбиты проявиться. [4]
Когда два спутниковых оператора уведомлены о потенциальном столкновении, один или оба оператора могут решить маневрировать своим спутником, например. ЕКА и SpaceX в 2019 году. [11]
Недавние исследования разработали алгоритмы, помогающие избегать столкновений в крупных спутниковых группировках. [12] хотя неизвестно, проводились ли такие исследования в каком-либо активном созвездии GNC .
Стыковка прерывается
[ редактировать ]Еще одним применением маневра предотвращения столкновения является прерывание автоматической стыковки, и такая процедура встроена в программное обеспечение, которое контролирует стыковку автоматических транспортных кораблей с МКС. Это может быть инициировано экипажем на борту космической станции в качестве аварийного отключения в случае возникновения проблемы во время стыковки. [13] Этот маневр был продемонстрирован вскоре после запуска первого вездехода « Жюль Верн» , а затем во время демонстрационных подходов к станции, которые он провел в конце марта 2008 года.
Космический корабль без бортовой двигательной установки
[ редактировать ]Большинство спутников, запускаемых человеком, без бортовой двигательной установки представляют собой небольшие спутники CubeSat , в которых используются альтернативные устройства для контроля ориентации. В масштабах небольших объектов, таких как CubeSat, силы, связанные с большой относительной площадью поверхности, пропорциональной массе, становятся значительными. КубСаты часто запускаются на низкую околоземную орбиту , где атмосфера все еще оказывает небольшое аэродинамическое сопротивление.
Аэродинамическое сопротивление небольших спутников на низкой околоземной орбите можно использовать для небольшого изменения орбиты, чтобы избежать столкновений с мусором, путем изменения площади поверхности, подвергающейся атмосферному сопротивлению, чередуя конфигурации с низким и высоким сопротивлением для управления замедлением. [14]
Осложняющие факторы
[ редактировать ]Попытки смягчить потенциальные столкновения осложняются такими факторами, как
- по крайней мере один из объектов-нарушителей не имеет возможности удаленного управления из-за своего отсутствия
- по крайней мере один из объектов-нарушителей является естественным спутником, например астероидом.
- рисковое событие не прогнозируется с достаточным временем для принятия мер
Все эти события по-разному ограничивают стратегические возможности снижения риска столкновений. Очень немногое может предотвратить прогнозируемое столкновение, если оба объекта не имеют возможности управления. Если только один из объектов является действующим спутником, он будет единственным участником маневра уклонения, что значительно сократит или полностью израсходует оставшиеся запасы топлива. У спутника также может быть недостаточно топлива для правильного выполнения маневра, что снижает его эффективность.
Маневры по предотвращению столкновений требуют значительного времени на планирование и выполнение, что может стать проблемой, если риск не прогнозируется достаточно заранее. Движение космических кораблей часто бывает слабым, и для изменения их орбиты требуется длительное вращение, а для изменения скорости часто требуется значительная часть полной орбиты, чтобы произвести требуемый эффект.
Например, маневры, обычно проводимые Международной космической станцией во избежание столкновений, часто требуют около 150 секунд работы. [15] и значительные помехи для работы экипажа из-за обязательной медленной реконфигурации солнечных панелей станции, чтобы избежать повреждения двигательными установками. Грубо говоря, расчетное максимально быстрое время реакции МКС из нормального режима работы составляет около 5 часов 20 минут. [16] чтобы учесть ~3-часовой период установки реконфигурации станции и ~2-часовой период подготовки к работе после сжигания, чтобы изменение скорости вступило в силу.
Влияние на окна запуска
[ редактировать ]Предотвращение столкновений является проблемой во время окон запуска космических полетов . Обычно оценку столкновений при запуске перед запуском спутника необходимо провести и утвердить (COLA). Говорят, что окно запуска имеет период затемнения COLA в промежутках, когда аппарат не может взлететь, чтобы гарантировать, что его траектория не приведет его слишком близко к другому объекту, уже находящемуся в космосе. [17]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с «Космический мусор в цифрах» . www.esa.int . Проверено 10 октября 2021 г.
- ^ «Какой беспорядок! Эксперты размышляют над проблемой космического мусора — USATODAY.com» . usatoday30.usatoday.com . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б Филипп, Анз-Мидор; Шутс, Деби (август 2020 г.). «Ежеквартальные новости об орбитальном мусоре» (PDF) . Космический центр НАСА имени Джонсона . Проверено 12 ноября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Гарсия, Марк (13 апреля 2015 г.). «Космический мусор и пилотируемые космические корабли» . НАСА . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ Уилсон, Джим. «НАСА — Внешний резервуар» . www.nasa.gov . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ Сампайо, JC; Внук, Э.; де Мораес, Р. Вильена; Фернандес, СС (2014). «Резонансная орбитальная динамика в регионе НОО: космический мусор в фокусе» . Математические проблемы в технике . 2014 : 1–12. дои : 10.1155/2014/929810 . ISSN 1024-123X .
- ^ «Продолжительность жизни спутников | Европейская космическая съемка» . 11 марта 2019 года . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ «Орбиты кладбищ и загробная жизнь спутников | Национальная служба экологических спутников, данных и информации NOAA (NESDIS)» . www.nesdis.noaa.gov . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ «Верхние ступени топ-списка самого опасного космического мусора» . Космические новости . 13.10.2020 . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ «запуск. Что происходит со второй ступенью Falcon 9 после отделения полезной нагрузки?» . Обмен стеками по исследованию космоса . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ Космический корабль ЕКА уклоняется от потенциального столкновения со спутником Starlink.
- ^ Чанпин, Данг; Бо, Рен; Хун, Яо; Пу, Го; Вэй, Тан (8 августа 2014 г.). «Стратегия предотвращения столкновений групповых космических аппаратов» . Материалы китайской конференции IEEE по наведению, навигации и управлению 2014 г. Яньтай, Китай: IEEE. стр. 1961–1966. дои : 10.1109/CGNCC.2014.7007479 . ISBN 978-1-4799-4699-0 . S2CID 863378 .
- ^ Жюль Верн демонстрирует безупречный маневр предотвращения столкновений.
- ^ Омар, Санни Р.; Бевилаква, Риккардо (30 декабря 2019 г.). «Предотвращение столкновений космических аппаратов с использованием аэродинамического сопротивления» . Журнал руководства, контроля и динамики . 43 (3): 567–573. дои : 10.2514/1.G004518 . ISSN 1533-3884 .
- ^ «НАСА корректирует положение космической станции, чтобы избежать столкновения с массивным мусором» . национальная почта . Проверено 15 ноября 2020 г.
- ^ «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)» . ntrs.nasa.gov . 24 октября 2016 г. Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ «Центр статуса миссии — отчет о запуске Дельта 313» . Космический полет сейчас.
