Управление движением астероидов. Р.Р.Назиров, Н.А.Эйсмонт ИКИ РАН
advertisement
Управление движением астероидов. Р.Р.Назиров, Н.А.Эйсмонт ИКИ РАН • • ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ - ИЗМЕНЕНИЕ ОРБИТЫ АСТЕРОИДА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЕГО СТОЛКНОВЕНИЯ С ЗЕМЛЕЙ КЛАСС АСТЕРОИДОВ – ТАК НАЗЫВАЕМЫЕ NEO – Near Earth Objectsастероиды, орбиты которых проходят вблизи орбиты Земли, и которые рассматриваются как опасные, если их диаметр превышает несколько десятков метров (более 20-30м). • Наиболее известный пример последнего времени – АПОФИС, его диаметр около 270 м. • Крупнейшие астероиды имеют диаметр в сотни километров. Количество астероидов растет с уменьшением их размеров. Число сближающихся с Землей объектов диаметром более км оценивается величиной в пределах 900 – 1200. Из них 70 % обнаружено, определены их орбиты и вероятность падения на Землю в ближайшие одно - два столетия. Удары километровых тел происходят раз в 600000 лет. Управление движением астероидов • Число более мелких опасных тел размером 200-400 м составляет 40000-50000. Пока найдено около 1600 таких тел, но их каталогизация затруднена из-за малости размеров. Характерное время между падениями тел диаметром ~200 м на Землю составляет ~60000 лет. [Катастрофические воздействия космических тел. Под ред. В.В.Адушкина и И.В.Немчинова, М., ИКЦ Академкнига,2005, стр. 12] • Проблема сегодняшнего дня – обнаружение и определение параметров орбит NEO с достаточной точностью. При регулярных сближениях с Землей (или иной планетой), как в случае с Апофисом, требования к точности знания орбиты резко возрастают. Причина – влияние гравитационного возмущения Земли, когда небольшие погрешности в знании положения перицентра приводят к значительным погрешностям в знании параметров орбиты после пролета. Управление движением астероидов • Решение проблемы – в дополнение к оптическим проведение дальномерных радиолокационных измерений, как это было сделано с Апофисом. • Кардинальное решение проблемы – размещение транспондера на астероиде, т.е. реализация посадки космического аппарата на астероид и его последующее функционирование на поверхности астероида. Как вариант – применение пенетратора. Управление движением астероидов • Способы управления движением астероида: - наведение космического аппарата на астероид с последующим их соударением; - изменение отражательных характеристик поверхности астероида; - применение солнечного паруса, связанного с астероидом. • Предлагаемый способ управления: на опасный астероид наводится астероид меньших размеров и за счет столкновения изменяет орбиту опасного астероида. • Идея наведения астероида-снаряда состоит в использовании гравитационного маневра у Земли для необходимого изменения параметров его орбиты, приводящего к столкновению с опасным астероидом. Управление движением астероидов • При ограничениях на перигейное расстояние область достижимых значений вектора скорости астероида лежит на поверхности сферического сектора. (При многократных маневрах с условием, что после каждого маневра обеспечивается кратность периода результирующей орбиты с периодом орбиты Земли, доступной становится практически вся сфера с радиусом, равным относительной скорости). Как примеры, если перигейное расстояние 7500 км, то для относительных скоростей на бесконечности 3, 6, 10 км/с угол поворота вектора скорости равен 117.56, 73.19, 40.6 градусов, соответственно. Управление движением астероидов • Выбором положения управляемого астероида на «бесконечности» относительно Земли при подлете определяется вектор относительной скорости после пролета, т.е. точка на сфере возможных скоростей астероида после пролета. • Таким образом, имеются два управляющих параметра, например, координаты пересечения картинной плоскости вектором скорости, проходящим через астероид-снаряд. Изменяя эти параметры, получаем траекторию попадания управляемого астероида в цель – представляющий опасность астероид. • Какова цена этого управления, измеряемая массой рабочего тела, необходимого для изменения управляющих параметров? Управление движением астероидов • • • Предположим, что управляемый астероид – это сфера радиусом 6м из материала плотностью 2 г/см3 , т.е. массой 1800 т. (Согласно [1], стр.76, астероидов такого размера и больше из класса сближающихся с Землей около 2 миллионов.) На этот астероид поместим космический аппарат с массой рабочего тела 4 т (грубо, для этого необходимо использовать два носителя «Протон») и двигательной установкой, имеющей удельный импульс 3000 м/с. Запас характеристической скорости у такого «естественного космического аппарата» 6.7 м/с Будем считать, что орбитальные параметры астероида близки к таковым у Апофиса. Управление движением астероидов • • Полагая, что оси системы координат в картинной плоскости направлены: одна - вдоль плоскости орбиты астероида и вторая ортогонально ей, оценим, что дает импульс в 4 м/с для поворота плоскости орбиты около прямой, ортогональной направлению на точку гравитационного маневра. При скорости в точке приложения импульса 30 км/с и расстоянии до точки маневра от линии поворота плоскости 1 АЕ точка в картинной плоскости перемещается ортогонально плоскости орбиты на 20000 км. Импульса в 1 м/с, сообщенного астероиду за один его орбитальный период до гравитационного маневра, достаточно для смещения астероида относительно Земли по другой координате в картинной плоскости на 88000 км. Это означает, что при указанном запасе характеристической скорости можно в случае идеальной реализации наведения астероида на параметры орбиты для реализации гравитационного маневра, можно выбирать астероиды, которые при следующем естественном пролете Земли будут приближаться к Земле на невозмущенные расстояния, меньшие указанных выше, если требуются максимальные маневры. Управление движением астероидов • • Таким образом, если остающихся 1.7 м/с характеристической скорости достаточно для коррекции, необходимой после гравитационного маневра, то описанная техника управления астероидом как снарядом для отклонения опасных объектов от первоначальной орбиты может быть реализуемой. Но при этом должны быть решены задачи обнаружения сближающихся с Землей астероидов на расстояния 100000 – 20000 км и определения их орбит при условии их очень малых размеров (10 -15 м)
