Концептуальная дизайн-система для предотвращения эффекта Кесслера

Язык труда и переводы:
УДК:
74.01.09
Дата публикации:
22 сентября 2021, 18:59
Категория:
А9. Промышленный дизайн
Авторы
Терехова Наталия Юрьевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Дюков Марк Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрены проблемы околоземного космического пространства, связанные с возникновением угроз от объектов, называемых космическим мусором. Выделены основные источники космического мусора на околоземных орбитах. Приведены примеры негативного воздействия космического мусора на функционирующие космические аппараты и станции. Дана общая статистика наблюдений за околоземным космическим пространством, полученная специализированными комплексами распознавания космических объектов. Предложены концептуальные дизайн-решения для предотвращения возникновения эффекта Кесслера.
Ключевые слова:
эффект Кесслера, концептуальная дизайн-система, дизайн-решение, источники космического мусора, околоземные орбиты
Основной текст труда

Актуальность проблемы околоземного космического пространства, связанной с объектами, являющимися следствием деятельности человека покоряющего космос, обусловлена не только важностью этих амбициозных проектов и программ, но и сопровождающим эту деятельность  все усиливающимся засорением орбит космическим мусором [1–12]. Под воздействием космического мусора происходит снижение качества функционирования космических аппаратов, выходом их из строя, потенциально возможны столкновения и взрывы действующих космических объектов. Проблема засорения околоземного космического пространства была впервые теоретизирована научным сотрудником НАСА Дональдом Кесслером, который в 1978 г. написал статью “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, констатировав, что воздействие космической деятельности на окружающую среду имеет глобальный характер, так как засорение космического пространства Земли негативно влияет на все страны прямо или косвенно участвующих в его освоении [13].

Причинами формирования космического мусора могут послужить как различные природные явления, так и действия человека на Земле. Под космическим мусором подразумеваются все рукотворные искусственные объекты или их фрагменты, находящиеся в космосе, которые стали неисправны, не функционируют, не служат никаким полезным целям, но являются потенциально опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты и станции, особенно пилотируемые [14]. Такие опасные объекты или вещества появляются при неконтролируемом сходе космических объектов с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы. К космическому мусору также относят объекты природного происхождения: космическую пыль, метеоры. Объекты космического мусора потенциально представляют прямую опасность не только для космоса, но и для Земли.

Цель настоящего исследования — найти возможные концептуальные дизайн-решения для утилизации космического мусора и предотвращения эффекта Кесслера.

В настоящее время интенсивность освоения космического пространства только увеличивается, основываясь на множестве различных национальных проектов, нацеленных на изучение и исследование космического пространства. Реализация амбициозных космических долгосрочных проектов может стать невозможна при возникновении эффекта Кесслера, который гипотетически описывает развитие событий на околоземной орбите, когда космический мусор, появившийся в результате многочисленных запусков искусственных спутников, приведет к полной непригодности ближнего космоса для практического использования.

Обеспечение свободы космического пространства от космического мусора должно носить комплексный характер с учетом специфических особенностей различных видов космических объектов, условий их эксплуатации и последующей утилизации. Общими принципами обеспечения свободы, безопасности и экологии космического пространства являются:

  • своевременное прогнозирование появления космического мусора и выявление угроз для космического пространства, космических объектов и Земли;
  • реализация оперативных и долгосрочных мер по предупреждению угроз, связанных с объектами космического мусора;
  • осуществление мер, направленных на недопущение либо минимизацию материального ущерба от космического мусора;
  • проведение специализированной подготовки служб по отработке координации действий на Земле и в космосе по защите от влияния космического мусора;
  • инвентаризация международных требований по обеспечению космической безопасности, связанной с космическим мусором;
  • разработка и реализация комплекса мер по повышению уровня свободы, безопасности, экологичности космического пространства;
  • поиск концептуальных дизайн-решений, связанных с утилизацией космического мусора и  предотвращению эффекта Кесслера.

Проблема появления космического мусора из года в год только возрастает. Статистика последних лет показывает, что 60 % его возникновения связана с взрывами ступеней космических ракет и столкновениями космических объектов [11, 12, 14]:

  • 1980 г.  уничтожение спутника Фэнъюнь-1 (Китай) — более 100 обломков;
  • 2003 г.  взрывы ступени космической ракеты из Индии — около 300 обломков;
  • 2009 г. столкновение двух космических устройств Iridium 33 и Космос — свыше 2000 обломков;
  • 2018 г.  разрушился разгонный блок Transtage SSN (Space Surveillance Network) ракеты Титан IIIC (NSSDC_ID 1969‐013B) — свыше 60 новых обломков;
  • 2018 г. разрушился разгонный блок ЦентаврSSN №40209 ракеты Атлас-5 (NSSDC_ID 2014‐055B) — около 500 новых объектов космического мусора.

Объекты, попавшие в космос, не остаются там навсегда. На них воздействует космическое излучение, микрометеориты. Космический мусор постепенно теряет высоту и сгорает в плотных слоях атмосферы. Исследования показывают, что каждые 10 лет перечень опасных обломков уменьшается на 200–300 пунктов, но, к сожалению, с большей скоростью появляются новые.

Точно определить и отследить сколько нежелательных объектов и тем более небольших фрагментов летает на орбите, на данный момент технико-технологически практически невозможно. Космические аппараты выходят из строя, обломки космических объектов сгорают в атмосфере, фрагментируются, увеличивая и видоизменяя космический мусор. Но известно, что сегодня на орбите летает тысячи потенциально опасных объектов крупного размера и миллионы мелких фрагментов, а их общая масса составляет несколько тысяч тонн [11].

На данный момент существуют системы отслеживания космических объектов, такие как ESA Space Debris Telescope, TIRA (System), EISCAT, NASA Orbital Debris Program Office, «Крона», «Архыз», «Окно», в которых имеются инструменты, способные выделить объекты космического мусора. Визуализация данных системы NASA Orbital Debris Program Office показывает, что общее число объектов, относящихся к космическому мусору, к 2020 г. приближается к 20000 (рис. 1).

Рис. 1. Общее число космических объектов

На графике (см. рис. 1) показаны основные элементы, которые составляют космический мусор:

  • общее количество элементов космического мусора (Total objects);
  • космический мусор, появившийся в результате выхода оборудования из строя (Fragmentation Debris);
  • космический мусор естественного происхождения (Spacecraft);
  • остатки космического мусора от различных миссий (Mission-related Debris);
  • космический мусор, появившийся в результате запусков ракет (Rocket Bodies).

Исходя из этих визуализированных данных, можно сделать вывод о том, что количество космического мусора больше всего появляется в результате выхода оборудования из строя и может сложиться ситуация, приближающая эффект Кесслера. Эффективные методы утилизации космического мусора для предотвращения эффекта Кесслера пока не найдены, но есть концептуальные решения, которые могут послужить началом решения этой сложной системной задачи.    

Роскосмос разработал концептуальное решение для ловли космического мусора с использованием специальных спутников и паутиновидной сети (рис. 2). Устройство представляет собой сеть в форме конуса с крупными ячейками, основание которой закреплено раздвижной рамкой и имеет двигатели для маневрирования. Вершина конуса тросом присоединена к космическому аппарату. Когда сеть покрывает космический мусор со всех сторон, рамка сжимается, и объекты оказываются зафиксированы. Далее осуществляется буксировка объектов космического мусора либо для торможения и входа в плотные слои атмосферы, либо разгоняя объекты космического мусора для перевода его на орбиту захоронения. На данный момент такой вариант не подходит для сбора мелких элементов, размер которых в диаметре составляет около 1 см из-за большего размера ячеек сети.

Рис. 2. Забор космического мусора с помощью паутиновидной сети

Существует еще ряд рациональных идей для утилизации космического мусора. Например, установка мощного лазера с непрерывным действием, позволяющая корректировать скорость движения и траекторию обломков, но такая система позволяет работать лишь с большими обломками, такими как ступени ракет и отработанные аппараты [9].

Для ловли и фиксации космического мусора также возможно использование спутников с магнитными установками [9]. Теорема Ирншоу утверждает, что совокупность точечных зарядов не может поддерживаться в стабильной стационарной равновесной конфигурации только за счет электростатического взаимодействия зарядов. Если противодействовать силе тяжести при помощи магнетизма возможно, то создать устойчивое равновесие непросто. Теорема Ирншоу «запрещает» статичным парамагнетикам и ферромагнетикам порождать стабильную левитацию. Без дополнительных условий поворот двух постоянных магнитов даже на небольшой угол приведет к тому, что они развернутся друг к другу противоположными полюсами, отталкивание превратится в притяжение, что приведет к потере обломков. Существует несколько путей, которые позволяют обойти этот запрет. Один из них — помещать в магнитное поле диамагнетик — это вещества, намагничивающееся против направления внешнего магнитного поля. Он в отличие от парамагнетика намагничивается не вдоль внешнего поля, а противоположно ему, и теорема Ирншоу «не запрещает» ему устойчиво зависать в воздухе, а при небольших отклонениях от равновесного положения собственное поле диамагнетика может перестраиваться так, чтобы возвращать его в равновесие, таким образом, фиксируя частицы. Возможно стабилизировать частицы при помощи обратной связи, т. е. следить за тем, где находится предмет и регулировать величину магнитного поля. Подобным образом на Земле работают поезда на магнитной подушке.

Для смещения с орбит космического мусора можно использовать спутники с оборудованием, принцип работы которого основан на давлении света, который имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов, каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками) может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.

С помощью систем отслеживания возможно обозначить места скопления космических отходов и пронаблюдать за их перемещением, что тоже является сложной задачей, так как размеры отслеживаемого космического мусора могут быть меньше 1 см. Эта проблема также относится к сложной системной задаче.

Создание концептуальной дизайн-системы по утилизации космического мусора основывается на вышеуказанных методах и решениях с возможностью фиксации более крупного мусора.

Разрабатываемая система состоит из спутника, установки для формирования магнитного поля и лазерных систем. Особое внимание в дизайн-решении уделено упрочнению корпуса спутника, так как велика вероятность непосредственного взаимодействия с ним космического мусора. Для достижения этой цели предполагается использовать новые материалы, например, пенометаллы. Это новый класс материалов с низкой плотностью и новыми физическими, механическими, тепловыми, электрическими и акустическими свойствами. Разновидностью пенометаллов является пеноалюминий.

Для оценки эффективности применения пеноалюминия для дизайн-решения была апробирована методика оценки ударной стойкости элементов противометеороидной защиты (ПМЗ) на базе использования лазерного ускорителя частиц. При достаточной мощности и правильном подборе режимов работы ускорителя можно реализовать реальную ударную нагрузку на спутник, оценив тем самым возможность пробития отдельных элементов ПМЗ.

Применение пеноалюминия в корпусе спутника необходимо для усиления его прочности. Объект (защитный экран) из пеноалюминия был подвержен неоднократным испытаниям. Эксперимент был проведен с применением лазерной установки Perfect Laser, марки PEDB-400B с использованием различных режимов (изменялся диаметр светового пучка, время воздействия и мощность лазера). Результаты эксперимента приведены в таблице.

Результаты эксперимента с применением лазерной установки Perfect Laser

Номер эксперимента

Диаметр, мм

Время воздействия, с

Мощность, Вт (%)

1

13

32,9

6 (20)

2

20

152

3

25

356

4

25

50,9

30 (100)

20

73,9

15

129,1

5

6,5

24,8

30 (100)

13

49,9

20

46,7

6

6,5

10

15 (50)

5

20

3,5

30

2

91

 

В случае эксперимента 6 при мощности воздействия лазера 15 Вт (50 % от полной мощности лазера) с частотой воздействия ν = 40 кГц в образце образовалось отверстие диаметром 2 мм. В случае эксперимента  4 при диаметре 15 мм и мощности лазера 30 Вт (полная мощность лазера) в образце частично образовалось отверстие. Эксперименты 1, 2, 3 не показали заметных изменений на образце.

Как видно из проведенных исследований, пеноалюминий может обеспечить надежную защиту от довольно крупных объектов космического мусора. Появление космического мусора обусловленного техническими неисправностями космических объектов и другими, в том числе природного происхождения показал, что это потенциально опасное явление, которое наносит колоссальный ущерб экономикам стран, ведущих активную деятельность в освоении космического пространства, может нанести проблемы Земле, а также негативно повлиять на дальнейшее развитие космической сферы.

Литература
  1. Вениаминов С.С., Червонов А. Космический мусор — угроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2012. 192 с.
  2. Космический мусор. В 2-х кн. Кн. 1. Методы наблюдений и модели космического мусора. Кн. 2. Предупреждение образования космического мусора / под ред. Г.Г. Райкунов. М.: Физматлит, 2014. 244; 188 с.
  3. Назаренко А.И. Моделирование космического мусора. М: ИКИ РАН, 2013. 216 с.
  4. Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. М: Университетская кн., 2010. 104 с.
  5. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Пияков А.В., Пияков И.В. Регистрация космической пыли искусственного и естественного происхождения // Прикладная физика. 2009. № 1. С. 86–102.
  6. Шустов Б.М. О роли науки в изучении и парировании космических угроз // Вестник РАН. 2019. Т. 89. № 8. С. 777–800.
  7. Astromaterials Research & Exploration Science. Orbital Debris Program Office. URL: https://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/ (дата обращения 20.02.2020).
  8. NASA Studies Laser for Removing Space Junk. MIT Technology Review. URL: https://www.technologyreview.com/2011/03/14/196356/nasa-studies-laser-for-removing-space-junk/ (дата обращения 20.02.2020).
  9. Галиновский А.Л., Вышегородцева А.С., Чжэньюань Ц., Семенякина А.А. Методы контроля и диагностики композиционных материалов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2021. № 6. С. 17–34. DOI: 10.31044/1684-2561-2021-0-6-17-34
  10. Чем космический мусор на орбите опасен для действующих спутников? Высокие технологии, космос, новости, познавательное. URL: https://knowhow.pp.ua/space_junk_is_dangerous/ (дата обращения 20.02.2020).
  11. Drolshagen D., Koschny D., Drolshagen S., Kretschmer, J. Poppe В. Mass accumulation of earth from interplanetary dust, meteoroids, asteroids and comets // Planetary and Space Science. 2017. Vol. 143. Pр. 21–27.
  12. No Immediate Solution in Orbital Trash, An Exponential Growing Problem. 29 moons.com. URL: https://tur.29moons.com/orbital-trash-problem-with-no-immediate-solution-growing-exponentially-225914 (дата обращения 20.02.2020).
  13. Kessler D.J. Collisional Cascading: The Limits of Population Growth in Low Earth Orbit // Advances in Space Research. 1991. Vol. 11. Iss. 12. Pр. 63–66.
  14. Klinkrad H. Space Debris. Models and Risk Analysis. Chichester: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. 430 p. DOI: 10.1007/3-540-37674-7
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.