Оценка числа столкновений в ОКП и их последствий НТЦ «КОСМОНИТ»

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 A0
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  hDd dt  FDd  nh, h  hcat  Q d , t 
FDd


 4
D2 d 2
  D  d 
2
D1 d1

 f d   dd  f D   dD 

ph.t   u t , t0   ph0 , t0  
dh dt  Sb   atm h, t   f a, e, i 
t
 u t ,    ph,  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