Околоземное космическое пространство

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