Моделирование техногенного засорения околоземного космического пространства с использованием системного подхода
моделирование

Освоение космического пространства с помощью космических аппаратов различного целевого назначения позволило осуществить прорыв на качественно новый научный, технологический и информационный уровень, способствующий огромному прогрессу человеческой деятельности по многим направлениям. В настоящее время деятельность мировых стран в околоземном космическом пространстве (ОКП) играет важную роль в обеспечении их жизнедеятельности, национальной безопасности, экономического, научного и социального развития.

Исследование ОКП показывает, что на данный момент в нем сосредоточены десятки тысяч космических объектов естественного и искусственного происхождения [1-3].

Так, стремительное увеличение техногенных космических объектов (КО) и фрагментов их столкновений, привело к тому, что они стали представлять реальную угрозу действующим космическим аппаратам (КА) и Международной космической станции (МКС).


Данное обстоятельство подтверждается тем, что ежемесячно в центры управления полетов выдаются по 5-10 сообщений с предупреждениями об опасных сближениях КО с КА и МКС на расстоянии менее 15 км [3].

При этом скорость движения КО настолько высока, что даже самые мелкие частицы могут представлять значительную опасность для встречных КА. Данные обстоятельства усугубляются тем, что в ближайшие десятилетия в мире прогнозируется дальнейшее увеличение интенсивности космической деятельности в направлении наращивания количественного состава орбитальных группировок космических систем и комплексов различного целевого назначения, что в перспективе приведет к неуклонному возрастанию опасных сближений в космическом пространстве.

Поэтому моделирование техногенного засорения ОКП является своевременной и актуальной задачей.

В настоящее время одним из наиболее развитых подходов к реализации моделирования процессов в сложных организационных и организационно-технических системах, каким является процесс моделирования техногенного засорения ОКП является системный подход.

Освоение космического пространства с помощью космических аппаратов различного целевого назначения позволило осуществить прорыв на качественно новый научный, технологический и информационный уровень, способствующий огромному прогрессу человеческой деятельности по многим направлениям. В настоящее время деятельность мировых стран в околоземном космическом пространстве (ОКП) играет важную роль в обеспечении их жизнедеятельности, национальной безопасности, экономического, научного и социального развития.

Исследование ОКП показывает, что на данный момент в нем сосредоточены десятки тысяч космических объектов естественного и искусственного происхождения [1-3].

Так, стремительное увеличение техногенных космических объектов (КО) и фрагментов их столкновений, привело к тому, что они стали представлять реальную угрозу действующим космическим аппаратам (КА) и Международной космической станции (МКС). Данное обстоятельство подтверждается тем, что ежемесячно в центры управления полетов выдаются по 5-10 сообщений с предупреждениями об опасных сближениях КО с КА и МКС на расстоянии менее 15 км [3].

При этом скорость движения КО настолько высока, что даже самые мелкие частицы могут представлять значительную опасность для встречных КА. Данные обстоятельства усугубляются тем, что в ближайшие десятилетия в мире прогнозируется дальнейшее увеличение интенсивности космической деятельности в направлении наращивания количественного состава орбитальных группировок космических систем и комплексов различного целевого назначения, что в перспективе приведет к неуклонному возрастанию опасных сближений в космическом пространстве.

Поэтому моделирование техногенного засорения ОКП является своевременной и актуальной задачей.

В настоящее время одним из наиболее развитых подходов к реализации моделирования процессов в сложных организационных и организационно-технических системах, каким является процесс моделирования техногенного засорения ОКП является системный подход.

В настоящее время одним из наиболее развитых подходов к реализации моделирования процессов в сложных организационных и организационно-технических системах, каким является процесс моделирования техногенного засорения ОКП является системный подход.

Под системным подходом понимается метод, применяемый к анализу развития процессов, ситуаций или состояния функционирования объектов, которые имеют множество взаимосвязанных состояний или элементов, объединенных общностью целей, выполняемых функций и задач, единством управления и функционирования.

В процессе анализа техногенного засорения околоземного космического пространства (ОКП) на основе моделирования обычно рассматриваются следующие вопросы:

- оценка текущего уровня засорения объектами разных размеров;

- моделирование эволюции техногенного засорения для различных сценариев дальнейшей космической деятельности;

- оценка вероятности столкновения космических аппаратов с космическими объектами разных размеров и возможных последствий опасных столкновений;

-определение характеристик потока КО разных размеров через зоны обзора наземных и бортовых измерительных средств.

Главная цель применения моделей – показать, что будет, если мы перестанем запускать вообще, если будем принудительно уводить КО с орбиты, если исключим возможности взрыва КА, РН и РБ, или если не исключим и т.д.

Основным источником информации о засорённости ОКП является каталог космических объектов [3]. Возможность обнаружения и каталогизации космических объектов обусловливается характеристиками средств мониторинга ОКП. На сегодняшний день в каталог заносятся объекты размерами более 10 см для низкоорбитальных областей и более 1 м для геосинхронных орбит. На основе анализа данных каталога за разные годы были выявлены наиболее засорёненные области ОКП.

Наиболее засоренными орбитами являются:

- низкие орбиты, начиная от высот 300-400 км, где осуществляются полеты пилотируемых КА и орбитальных станций;

- солнечно-синхронные орбиты, для проведения наблюдения земной поверхности с постоянными заранее выбранными условиями освещенности;

- орбиты с высотами 800-1000 км и 1200-1500 км, используемые для разных целей (научных, связных и др.);

- области средневысотных орбит, на которых развертываются глобальные навигационные спутниковые системы;

- высокоэллиптические орбиты КА типа «Молния», позволяющие обеспечить длительные интервалы прямой связи между удаленными абонентами на протяженных территориях в Северном полушарии;

- геостационарные орбиты, предоставляющие широкие возможности по организации связи, телевещания ретрансляции данных, проведению наблюдений и т.д.

На сегодняшний день средства мониторинга ОКП России способны обнаружить объекты размерами более 30 см и очень редко 5-10 см, в следствие чего в каталоге России – 9000 КО. В данном случае имеются ввиду КО, автоматически сопровождаемые средствами системы контроля космического пространства. Объекты размерами от 1 до 10 см пока не занесены в каталог КО, из-за отсутствия необходимого количества информации, но по-прежнему представляют угрозу безопасности полета КА ввиду огромных космических скоростей. Было установлено, что столкновение (прежде всего, в низкоорбитальной области) с объектами размеры которых:

- от 1- 3 см, может привести к выходу из строя КА;

- более 3 см, неизбежно приведет к катастрофе с образованием еще большего количества космического мусора.

Отсутствие в каталоге информации о параметрах движения объектов размерами от 1 до 10 см обусловлено недостаточным количеством измерений, полученных от средств мониторинга ОКП. Для занесения объекта в каталог необходимо систематическое получение измерительной информации. В мире существует всего несколько средств, способных обнаружить КО данного диапазона. Это американские радары Goldstone и Haystack, европейский радар FGAN, Аресибо, шведско-норвежский бистатический локатор, MODEST с ртутным зеркалом и российские THA-1500 (Медвежьи озера) и П-2500 (Уссурийск). Из них Haystack и FGAN участвовали в специальных международных кампаниях по проведению эксперимента, в котором указанные радары в «парковом» режиме получали измерительную информацию о малоразмерных фрагментах КМ. Вся информация была занесена в отдельную базу данных и распространена между участниками эксперимента. Однако этой информации явно недостаточно для того, чтобы полностью охарактеризовать движение малоразмерных КО в пространстве и её получения не систематично, что не позволяет выполнять условия для занесения КО в каталог. Таким образом, в каталоге нет информации об объектах размерами от 1 до 10 см, соответственно, для описания их движения и расчета влияния на полет КА на сегодняшний день необходимо применять математические модели.

На данный момент в мире уже разработано несколько моделей, описывающих процессы, связанные с техногенным засорением ОКП, такие как: LEGEND, ORDEM, MASTER, SDPA и др.

LEGEND -это трехмерная модель распределения космического мусора в ОКП, разработанная специалистами NASA. Основной ее задачей является моделирование распространения КМ в пространстве на длительные промежутки времени вперед. В основе вычислений лежит детерминированный подход, опирающийся на собранную специалистами базу данных о всех КО, запущенных в космос с 1957 г. по нынешнее время. Дополнительно в модели учитываются:

- осколки космического мусора более 1 мм образовавшиеся в результате взрывов в космосе, произошедших с момента запуска первого спутника, информация о которых формируется на основе специальной модели разрушений NASA Standart Breakup Model;

- будущие запуски КА и связанные с ними сопутствующие КО, такие как РБ и ступени РН;

- осколки космического мусора, которые могут образовываться в результате потенциальных столкновений и взрывах на орбите в будущем, информация о которых также формируется на основе NASA Standart Breakup Model.

Все эти данные примешиваются к данным, полученным в результате прогноза движения объектов из каталога, и на базе всей этой информации, используя аппарат математической статистики модель рассчитывает основные характеристики засорёненности ОКП.

Модель ORDEM представляет суммарные характеристики КМ в области низких орбит на высотах от 200 до 2000 км. Данная модель является инструментом для оценки риска столкновений космических аппаратов с частицами различных размеров (от 0.01 мм до 1 м) и используется при проектировании КА и операций в космическом пространстве. Модель постоянно совершенствуется и калибруется по данным наблюдений каталога, специальных наблюдательных кампаний и анализа экспонированных в космосе поверхностей. Результатами вычислений данной модели является поток частиц космического мусора через поперечное сечение, его угловое распределение и соотношение между скоростью и углом азимута возможных столкновений.

Модель MASTER основана на квази-детерминистских принципах и использует достаточно полные методы прогнозирования и разбиения пространства для получения пространственных распределений плотностей и скоростей частиц в трехмерном объеме в диапазонах высот от низких (~200  км) до геостационарных орбит. Учитываются частицы размером от 1 микрона и выше.

Основой модели космического мусора является использование распределений частиц, порожденных при более чем 130 известных разрушениях, которые прогнозируются на определенную эпоху. На эту эпоху осуществляется смешивание с остальными элементами каталога по КО. При прогнозировании движения частиц учитываются зональные гармоники геопотенциала, притяжение Солнца и Луны, атмосферное торможение с учетом солнечной активности, и световое давление с учетом тени Земли.

Основными выходными данными этой модели являются данные о прохождениях этих частиц-представителей через пространственные ячейки (высота, широта, долгота восходящего узла), на основе которых строятся требуемые распределения потока частиц космического мусора.

Статистическое описание засоренности ОКП, полученное в результате расчетов, сделанных на указанных моделях, позволяет представить картину распределения техногенного вещества в ОКП в целом, выявить наиболее засоренные области ОКП, исследовать эволюцию КМ на длительных интервалах времени и оценить риски столкновения КА с объектами КМ в общем. Однако оно не позволяет решать задачу обоснования требований к системам предупреждения об опасных ситуациях в ОКП, таких как:

- точность сопровождения КО;

- пропускная способность СККП по контролю опасных ситуаций в ОКП.

Для определения этих характеристик необходимо использование полного вектора состояния КО.

Таким образом, для обоснования требований к системе предупреждения об опасных ситуациях необходимо моделировать ее работу в условиях наличия информации об объектах размерами от 1 до 10 см и более. Для этого при помощи модели создается расширенный каталог на 600 000 объектов, в котором содержится координатная и некоординатная информация о них.

Предполагается, что данный каталог должен будет наиболее адекватным образом отображать ситуацию, происходящую в ОКП, содержать вектора для 600000 объектов с моделируемыми характеристиками точности их определения и моделируемую некоординатную информацию по этим объектам.

Литература:

1. Мониторинг техногенного засорения околоземного пространства и предупреждения об опасных ситуациях, создаваемых космическим мусором / под ред. Ю.Н. Макарова. Монография. – ЦНИИмаш, 2015. – 244 с.

2. Хуторовский З.Н. Риск столкновений на низких высотах с учетом некатализированных объектов. Сб.: «Околоземная астрономия», М, 1998.

3. Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор – угроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2012. – 190 c.