НТЦ «КОСМОНИТ» ОАО «Российские космические системы» Оценка числа столкновений в ОКП и их последствий Назаренко А.И., Усовик И.В. Москва 2015 1 Оглавление 1. Известные случаи столкновений. 2. Методика оценки ожидаемого числа (вероятности) столкновений (алгоритм Д.Кесслера и его развитие). 3. Столкновения в области низких орбит. 4. Каскадный эффект. 5. Влияние мер по ослаблению техногенного засорения ОКП. 6. Сравнение с результатами зарубежных исследователей. 7. Столкновения в области геостационарных орбит. 8. Выводы и рекомендации . 2 1. Известные случаи столкновений Вероятной причиной аварии КА «Блиц» является его столкновение с мелким фрагментом космического мусора массой ≈0.035 г и размером менее 2.5–5.0 мм. Результаты моделирования показывают, что на высоте полета КА «Блиц» число объектов размером менее 2.5 – 5 мм на 4 – 5 порядков превышает число каталогизированных объектов. 2015 ИКИ 3 2. Методика оценки числа столкновений D.J. Kessler "Derivation of the Collision Probability between Orbiting Objects: The Lifetimes of Jupiter's Outer Moons". Icarus, Vol. 48, 1981, pp. 39-48. D.J. Kessler and B. G. Cour-Palais (1978). "Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of aDebris Belt". Journal of Geophysical Research 83: 63. Концентрация 1-го КО в точке (R,b) Число столкновений 2-КО в единицу времени 2015 ИКИ 4 Развитие методики (статистический подход) 1. Концентрация (r , b ) N F (b ) (h p , e) Ф( h p , e, r ) p(h p ) p(e) h p e 2 r h h p e 2 2 2.Статистические распределения вектора скорости p(A), p(Vt), p(Vr). T 2 1 3. Удельный поток КМ относительно Q (t) p(t,A)Vrel (t,A) dA dt T заданного объекта t 0 A0 4. Распределение направлений потока 5. Число столкновений в единицу времени 6. Прогнозирование высотного распределения pQrel Az Vrel Az pVrel Az Vrel Az pVrel Az dAz dN h, h hDd dt FDd nh, h hcat Q d , t FDd 4 D2 d 2 D d 2 D1 d1 f d dd f D dD ph.t u t , t0 ph0 , t0 dh dt Sb atm h, t f a, e, i t u t , ph, new d t0 5 3. Столкновения в области низких орбит Суммарное число столкновений КО из 2-й группы 2.8 2.6 2.4 2.2 Среднее число столкновений в разных группах: группа 1 - 9660 группа 2 - 2.7 группа 3 - 323 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Годы Эволюция числа столкновений, jd=8 На рисунке представлены суммарные оценки среднего числа взаимных столкновений каталогизированных КО (группа 2. jd=8) на интервале времени с 1990 г. по 2012 г. Суммарное число взаимных столкновений (математическое ожидание) достигло значения 2.7. Для объектов из других групп оно составило 9660 (группа 1, jd=4..7) и 323 (группа 3). 6 4. Каскадный эффект N m A m / M e B Модификация модели фрагментации 1 m m u U M 1 2 V imp2 2 2 m1 m 2 Удельная энергия столкновения: Число фрагментов массой >m N=1400 1.4 Вес стенки бака 1.58 кг 500.0 1.2 N(>m)(L) M(>m)(R) 1.0 50.0 B=-0.68 0.8 5.0 m=0.01 g 0.5 0.005 Взрыв модели топливного бака Фрагменты стенки бака Аналитическая аппроксимация 0.6 0.4 0.050 0.500 5.000 Маса фрагментов m, г 50.000 500.000 Суммарная масса фрагментов массой >m, kg Msum=1.5 kg Средний прирост числа КО после столкновения 1.6 5000.0 uj k Sj Размеры КО, см 5E5 0.10-0.25 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0-2.5 2.5-5.0 5.0-10 10-20 >20 50000.0000 5000.0000 500.0000 50.0000 5.0000 0.5000 0.0500 0.0050 Группа 2 Каталогизированные КО 0.0005 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Высота, км 7 Влияние столкновений на распределения по высоте и размерам Каскадный эффект – уже начался 1.5E5 1.4E5 1.2E5 1.1E5 Без учета столкновений С учетом столкновений 1E5 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Высота, км Количество объектов в 100-км слое 1800 SDPA 2013 Фрагменты размером от 10 до 20 см 1600 1400 1200 Без учета столкновений С учетом столкновений 1000 800 600 400 200 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Высота, км 3000 SDPA 2013 2750 Количество объектов в 100-км слое Количество объектов в 100-км слое Фрагменты размером от 2.5 до 5.0 см SDPA 2013 1.3E5 Фрагменты размером боле 20 см (каталогизированные) 2500 2250 2000 Без учета столкновений С учетом столкновений 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Characteristics of space debris flux according to the data of various sources and the SDPA estimates with accounting for mutual collisions Высота, км 8 5. Влияние мер по ослаблению техногенного засорения ОКП. Принятие адекватных административных и технических решений в ответ на угрозы, вызванные космическим мусором, является одной из задач, которую необходимо решать уже сейчас. Для обоснованности принимаемых решений необходимо иметь прогнозы загрязнения околоземного космического пространства при различных сценариях его дальнейшего освоения. С использованием Российской модели космического мусора Space Debris Prediction Analysis (SDPA), были проведены расчеты эволюции КМ для различных сценариев дальнейшей космической деятельности, на интервале прогноза 50 лет, что соответствует времени активного освоения космического пространства. Разработанные сценарии представлены в таблице: 9 1.Результаты моделирования показали, что в будущем основным источником образования нового КМ, будут являться взаимные столкновения. 2. Популяция мелких объектов будет увеличиваться независимо от принимаемых мер. 10 Post Mission Disposal (PMD) и Активное Удаление Космического Мусора (АУКМ) Число объектов Число столкновений 11 6. Сравнение с результатами зарубежных исследователей SDPA, Projection of the LEO Populatiom 45000 Effective Number of Objects in LEO 40000 35000 Collisions objects >10 cm in size >10 cm, Scenario 2 (Reg Launches) >20 cm, No Launches >10 cm, Scenario 1 (No Launches) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2200 2220 Year Здесь представлены результаты прогнозирование по модели SDPA для двух граничных сценариев и по моделям других космических агентств при различных сценариях, учитывающих меры по ограничению техногенного засорения. Как видно из данных графиков, а также графиков на предыдущем слайде, результаты наших прогнозов хорошо согласуются с зарубежными. 12 7. Столкновения в области геостационарных орбит 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 3.0 Объекты с международным номером Широта, гр -0.05 0.05 Максимальная коцентрация = 2.69 Е-7 1/ км3 0.4 0.3 0.2 0.1 Значения коэффициента k(d) Нормированная концентрация 0.9 Данные Российского каталога Модель SDPA 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 35705 35725 35745 35765 35785 35805 35825 35845 35865 35885 Высота, км Зависимость концентрации известных КО от высоты 0.10 0.25 0.50 0.75 1.00 2.00 Средний наблюдаемый диаметр объектов, м Нормированная зависимость числа КО от их размеров Результаты определения средней скорости столкновений: 0.615 км/сек (d> 75 см) 0.719 км/сек (d< 75 см); Вероятность взаимных столкновений каталогизированных объектов размером более 75 см составляет 0.00627 за год. Это означает, что средний интервал между такими столкновениями равен ≈ 160 лет. Вероятности столкновений каталогизированных КО с объектами размером от 2.5 см до 75 см на 2-3 порядка меньше. 13 8. Выводы и рекомендации 1. Оценка влияния взаимных столкновений КМ в области низких орбит свидетельствует о невозможности обеспечения “Stability of the Future LEO Environment” в части объектов КМ размером менее 10 см. 2. Реализация мер по ослаблению техногенного засорения ОКП (90% PMD и АУКМ 8) позволит избежать каскадного эффекта для КМ размером более 10 см. 3. Экспериментальное подтверждение каскадного эффекта на высотах 700 – 1000 км является актуальной задачей. 14 Печальная история о космическом мусоре Скажи-ка дед наш, ведь не сразу Узнали в мире про заразу С названием Space Debris. Да дети. Это долго длилось, Не сразу четко проявилось, Пока настолько накопилось, Что беды начались. Защита от врагов – ракета. Спасибо авторам за это. Все дело – в дальности стрельбы. Она летает за полмира, Не то, что прежняя мортира. Теперь уж злобная задира Не выдержит борьбы. Сейчас их тысячи летают И множество задач решают, Но вот настал момент, Когда случилось столкновение Двух спутников, их разрушение На мелкие осколки за мгновение – И это - прецедент. После победы в сорок пятом Мы были радостью объяты: Народ наш молодец! Однако были и другие, Они Россию не любили, Кулак в кармане затаили: И вам придет конец! На этом бы остановиться, Спокойно жить и не стремиться Подняться выше всех. О космосе мечтали люди. Решений не было «на блюде». Хотя такой полет был чудом, Мы верили в успех. Беда здесь в том, что столкновения Приводят к росту загрязнения Пространства над Землей. Процесс идет без замедления, Нет средств его предотвращения И в результате, без сомнения, Возникнет плотный слой. Но были люди в наше время, Великое, святое племя – Участники войны. Они броню не продавали, Случайных милостей не ждали, Они секретный способ знали, И были тем сильны. Как только спутники создали, Открылись всем такие дали . . . И гонка началась. Возникли новые задачи: Разведка, космос, связь в придачу. И, несмотря на неудачи Она продолжилась. Да, были люди в наше время, Какое-то чудное племя, Их лозунг: «Все сейчас». Какая ждет судьба обломки? Останется ли что потомкам? Иль будут жить они в потемках? Не думали об этих «мелочах». 15 НТЦ «КОСМОНИТ» ОАО «Российские космические системы» Спасибо за внимание! Москва 2015 16