Существование облаков мусора на орбите космической станции

Существование облаков мусора на орбите космической станции.
Окончательные результаты ударного детектора ЕвроМир 95.
Карл Р. Мааг, Сунил П. Дешпанде, Николас Л. Джонсон
Резюме. Полетный эксперимент был добавлен как часть программы ESA,
EuruMir 95 на космической станции МИР. Цель эксперимента состояла в том,
чтобы достичь лучшего понимания влияния эффектов космической окружающей среды на материалы. В дополнение к активному перечислению соударений частиц и траекторий, в этом эксперименте было намечено, что гиперскоростные частицы будут захвачены и возвращены неповрежденными на
Землю. Были выполнены послеполетные измерения на возвращенном материале, чтобы определить плотность потока, диаметры, и последующие эффекты на различных оптических, теплозащитных и структурных материалах.
Кроме того, датчики активно измерили поток атомарного кислорода, изменение и эффекты загрязнения в течение миссии.
1 Введение
Космическая среда становится главным предметом беспокойства для большинства космических систем, ныне рассматриваемых, включая Международную космическую станцию. Это беспокойство является следствием комбинации фундаментальных проблем. Ультрафиолетовая радиация (УФ) имеет
место на всех орбитах. УФ нагревает поверхностные материалы на невысоких уровнях и может изменить химическую структуру восприимчивых материалов. На низкой околоземной орбите (LEO) присутствует атомарный водород (AO). Атомы AO вызывают эрозию поверхности и окисление восприимчивых материалов. Мусорная среда является динамическим процессом, в котором фрагментация вследствие столкновений создает дополнительные объекты различных размеров. Столкновения с космическим мусором создает
опасность структурным материалам, датчикам, рефлекторной и рефракторной оптике, солнечным батареям и т.д.
Сегодня потенциальные соударения орбитального космического мусора искусственного происхождения с КА представляют одну из наиболее серьезных угроз космической среды для космических полетов. В будущем в связи с
ростом популяции мусора из-за увеличения космических полетов вероятность столкновений мусора с КА может стать критической проблемой.
Во время полета STS-44 Спейс шатл скорректировал свою высоту на 26 км
чтобы избежать столкновения с отработанной верхней ступенью. Объект, который был слегка вне данного эллипсоида столкновений , как было определено являлся телом ракеты«Космос-851». «Космос-851» был запущен 27 августа 1976 года на орбиту с наклоном в 810 . Данные от экспериментальных
датчиков во время этого почти столкновения наводят на мысль, что в окрестности этого объекта существует облако частиц микронного размера. Также
данные наводят на мысль, что плотность потока была почти на 2 порядка величины больше, чем у фонового потока, обычно наблюдаемый([1]).
В добавок для подтверждения существования облаков мусора ([2]) анализы
химических остатков соударений по LDEF обнаружили, что задняя поверхность платформы бомбардировалась достаточным количеством мусора искусственного происхождения. Однако для того, чтобы это случилось ударяющие частицы пыли должны быть на эллиптических орбитах. Большинство
данных также наводит на мысль, что орбиты должны иметь перигеи ниже,
чем орбита LDEF и значительно более высокие апогеи. Морфология кратеров
подтверждает, что частицы должны иметь диаметр 10 микрометров или
больше. Наиболее правдоподобные источники следующие: 1) частицы, возникающие при работе твердотопливных ракетных двигателей (SRM) и 2) частицы, возникающие на орбитах«Молнии». При 63,4 0 орбиты «Молнии» могут быть причиной для высоко эллиптичных кратеров, наблюдавшихся на
ориентированных на юг зажимах поддонов.
Во время полета STS-56 шатл поддерживал высоту большинства полетов, где
направление минус Z для шатла было направлено параллельно локальной
вертикали [(-ZLV направление) грузовой отсек всегда обращен к земле]. В то
же время правое крыло было направлено в направлении полета [(+YVV
направление) правое крыло по вектору скорости]. Этот прибор выставлялся в
нескольких окнах орбитального шатла чтобы выделить направления частиц.
Замечательно, что окна STS получили десять (10) зарегистрированных гиперскоростных соударений по окнам, обращенным в направлении, противоположном направлению полета [3]. Интересно отметить, что несколько ударов
были эллиптическими по форме. Даже хотя направление эллиптичности не
определялось факт, что есть эллиптические кратеры наводит на мысль, что
косые удары в тепловые панели могут обеспечить способ оценить направленность удара.
Вследствие высокого наклонения этого полета, а именно i= 57 0 задняя поверхность окон шатла подвергалась потоку частиц, который можно связать с
орбитами «Молний». Тот факт, что STS-56 летал в положении –ZLV в продолжение большей части полета, делает поверхности тыловых окон доступными не только для частиц удаляющихся от Земли, но и тех частиц, которые
приближаются к Земле по пути к перигею в южной полусфере. Факт, что орбиты «Молнии» находятся на критических наклонениях и поэтому сопротивляются прецессии, означает, что мусор, связанный с орбитой с углом наклона
i= 63,4 0 , будет иметь тенденцию оставаться на устойчивой орбите. Близкое
соответствие наклона орбиты полета STS-56 с наклоном орбит «Молнии»
может привести к увеличению вероятности столкновения для задних поверхностей тепловых панелей.
Последние данные от европейкой системы EuReCa и полетов космического
телескопа «Хабл» [4] дают понять, что потоковые модели стабильны для
предсказания числа соударений (потока), которое КА получит от малых частиц (т.е. меньше 0,8 мм в диаметре), в то время как модели предсказывают
потоки почти в 10 раз меньше, чем измеренные для частиц более 1,0 мм.
Данные, наблюдаемые для больших размеров значительно выше предсказываемых величин. Это подразумевает одну из следующих вещей: 1) плотность
популяции частиц больших размеров выше, чем предполагалось на этих
больших высотах (и следовательно те немедленно выше их) и/или 2) интенсивность роста для больших размеров эквивалентна или выше, чем для частиц меньших размеров и/или 3) эти соударения вызваны пересечением полезной нагрузки с облаками орбитального мусора, склоняющими интегральный поток к искусственно большей величине.
Вследствие этих основных беспокойств и наших последних находок стало
ясно, что полетный эксперимент на космической станции «Мир» как часть
программы Европейского космического агенства (ESA) даст лучшее понимание воздействия космической среды на материалы.
Полет ESA ЕвроМир 95 теперь завершен запуском астронавта ESA (Томас
Рейтер) на «Мир» в сентябре 1995 года, для рекорда ESA шесть месяцев
находился на «Мире». Другой рекорд был нарушен в этом полете для ESA.
Астронавтом ESA был совершен первый EVA, длившийся приблизительно 6
часов.
Как часть комплекса экспериментов ЕвроМир 95 комплект полезной нагрузки, содержащий поверхности для наблюдения среды низкой околоземной орбиты (LEO) был помещен на внешнюю платформу, называемую ESEF.
Платформа ESEF была прикреплена к модулю «Спектр», ранее запущенному
к «Миру». Однажды навсегда состыкованный с «Миром», модуль «Спектр»
направлен в положение –Y, которое из-за отношения градиента гравитации
может быть направлением вектора скорости. Платформа ESEF принципиально направлена в направлении надира на «Мире». («Мир» летает по круговой
орбите на высоте от 350 до 450 км с наклоном 51,6 0 ).
Платформа была разработана Институтом Астрофизики Парижского университета 11, Орсэй, Франция и основана на КМР1, который успешно летал на
«Сатурне 7». Платформа имеет 7 мест, из которых 6 приспособлены для экспериментального оборудования и одно занято блоком электроники платформы.
Рисунок 1 показывает платформу, пристыкованную к модулю «Спектр». Фотография сделана со «Спйс Шатла» во время полета STS-71. Блок механизмов и касета, которая содержит экспериментальные поверхности, может быть
прикреплена к любому или ко всем шести экспериментальным местам. Кассеты были вакуумированы до запуска к «Миру» и по команде открыты блоком контроля платформы (расположен внутри «Мира») для экспозиции поверхностей. Блок механизмов содержал в себе блоки открывания кассет.
Во время полета ЕвроМир 95 Томас Рейтер установил 2 кассеты с блоками
механизмов, блок электроники платформы и другой экспериментальный
блок, называемый ICA, на платформе во время своего EVA [5]. Он также работал с командным блоком внутри «Мира» чтобы открыть кассеты и начать
экспериментальную фазу.
Командный блок был использован для закрытия кассет. Второй EVA был совершен, чтобы забрать и вернуть их на Землю для раздачи основным исследователям. Платформа, блок электроники и командный блок остались на
«Мире» для возможных дальнейших экспериментов в будущем.
3. Основные результаты ICA.
Последние данные от датчиков удара МОМ подтверждают существование
облаков орбитального мусора. Эта информация рассматривается из-за близости в высотах и наклонениях для «Мира» и международной космической
станции. Данные от этих экспериментов намекают на существование двух
облаков разумных размеров мусорных частиц малого размера с импульсами в
пределах от 4  10 11 кг  м с до 5  10 10 кг  м с . Средний поток от 8.96  10 5 до
1.79  10 4 ударов в секунду во время периодов покоя. Во время пересечения
станции «Мир» с облаком поток менялся. Максимальный измеренный поток
был 2.67 ударов в секунду. На рисунке 3 показаны данные ударов от блока
ICA в период с 24.10.95 по 16.01.96. Данные получены с помощью датчика
МОМ3. МОМ3 был прикреплен к ICA и несмотря на то, что не обращен в
направлении вектора скорости легко преодолевал направление полета один
раз на оборот.
Периодичность легко различима во время пересечения первого облака. Датчики записывали значительное число ударов каждые 84 часа. В дальнейшем
удары наблюдались на каждом восьмом – десятом обороте.
Первое облако наблюдалось в течение чуть более трех недель. После первого
облака все было спокойно в течение 7 недель и затем датчики обнаружили
пересечение со вторым облаком. Удары, зарегистрированные 20 ноября 1995
года, скорее всего связаны с метеорным потоком Леонид. Поток и импульс
соответствуют опубликованным данным. Структура облаков похожа, хотя
первое измеренное облако давало два малых «предварительных всплеска».
Было видно, что первое облако прецессирует к западу в течение полета.
3.1 Поиск «родительских» источников.
Определение «родительских» источником облаков стало основным приоритетов при предварительной обработке данных. НАСА/JSC контактировало
для поддержки этих исследований.
Во время исследований НАСА/JSC проверяли данные для поиска наводящих
на мысль корреляций для событий на интервале в 84 часа [7,8].
После отыскания НАСА/JSC орбит (группы по двум линиям элементов) всех
КА из американского каталога космических объектов с периодами, подобными облаку, было найдено только 11 объектов в каталоге с периодами более
80 часов. Основными субъектами были «Астрон» и его ракетное тело (РТ),
«Гранат» и его РТ и «Интербол 1», «Магион 4» и их РТ.
Используя проверенную программу SATRAK командования аэрокосмических сил, программа COMBO была запущена для станции «Мир» и
перечисленных выше спутников. Никаких устойчивых корреляций не было
найдено. Пересечения плоскости орбиты также проверялось в случае малых
частиц, дрейфующих около орбиты. Были отобраны периоды большого количества соударений. Программа COMBO была снова запущена для «Мира»
и полного каталога спутников (включая отслеживаемые но некаталогизиро-
ванные объекты). Показано, что все замкнутые приближения вблизи этих
времен будут статистическими по природе. Нет ни повторяющихся спутников, ни очевидных геометрических условий, то есть проходов спереди или
справа по ходу «Мира». Перепроверка данных не выявила источников ни в
классе орбит «Молний», ни в классе GTO, которые могли быть источником
большого числа мелких частиц в частности от факелов твердотопливных ракетных двигателей.
Был проведен специальный анализ для известного мусора в окрестности
«Мира», включая тот, что создан во время выходов. Снова не было найдено
никаких корреляций.
Анализ будет продолжен в поисках других менее очевидных потенциальных
источников частиц.
Заключение
Расположенные в космосе системы, подвергаемые чрезвычайным воздействиям окружающей среды в районе низких околоземных орбит (НЗО), избегут катастрофических отказов только если материалы, которые составляют
их, могут обеспечить "щит" против эффектов непрерывного гиперскоростного воздействия. Обширные исследования проведены, чтобы охарактеризовать
эффекты влияния на материалы, подвергнутые гиперскоростным воздействиям большими массами. Даже при том, что ударники с большой массой дают
самую высокую вероятность возникновения катастрофического события,
число объектов с большой массой, с которыми можно было бы столкнуться
выставленной поверхности на НЗО, как полагают, является весьма маленьким. Однако, распределение объектов по размерам, с которыми поверхность
столкнется на НЗО, не было адекватно задано, особенно для той части распределения, которое содержит наибольшее число объектов, то есть для Самых маленьких. Чтобы обеспечивать на месте данные, дающие распределение по размерам самых многочисленных объектов на НЗО, был разработан и
помещен на борту КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ МИР прибор ESEF/ICA.
Два облака маленьких частиц были обнаружены в течение периода 100 дней
на космической станции МИР. Пока нет свидетельств, что можно найти
связь времен частых ударов, зафиксированных ICA, с данными каталога, то
есть фактом, что большая плотность частиц, пересекших станцию, имеет отношение к ISS. Измеренные импульсы этих частиц предполагают, что размеры и скорости их таковы, что они могут принести повреждения оптике и поверхностям теплового контроля.