ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ АСТЕРОИДУ 2001 JV1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО
Центральный НИИ машиностроения
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ
АСТЕРОИДУ 2001 JV1
С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ОРБИТЫ
ВЗРЫВОМ
Ю.Ф. Колюка, Т.И. Афанасьева
Таруса, 2014
1
Основание и цели работы
Седьмая Рамочная Программа Еврокомиссии
Проект «NEOShield»:
Разработка миссии КА к потенциально опасным
космическим объектам (ПОО), сближающимся с
Землей, с целью демонстрации принципиальной
возможности изменения траектории движения ПОО
с отклонением их от Земли за счет определенного
воздействия на них современной космической
техники и технологий.
Оценка достигаемого эффекта
изменения параметров движения ПОО
для выбранного способа воздействия.
2
Цели и задачи миссии в варианте взрыва
 Техническая демонстрация принципа изменения
параметров орбиты ПОО с помощью ядерного взрыва
 Повышение уровня понимания физических процессов,
происходящих при ядерном взрыве вблизи астероида,
в том числе:
- испарения вещества астероида,
- динамики разлета испаренного вещества
 Регистрация изменения орбиты астероида после взрыва
Вторичные научные цели миссии
 Исследование астероида в дистанционном режиме:
определение химического состава вещества,
геологического строения, геоморфологии астероида
 Измерение размера и формы, картографирование
астероида
 Уточнение массы астероида
3
Требования к АСЗ – кандидату для демо-миссии
 Потенциально опасный для Земли объект:
- MOID (Minimum orbit intersection distance) ≤ 0.05 а.е.,
- минимальный размер ( в поперечнике) > 100-300 м
 Размер выбираемого для демо-миссии АСЗ - ПОО:
 ~ 100600 м (абсолютная звездная величина Н ~ 1924)
 Орбита астероида должна быть достаточно хорошо
известна
 Астероид должен достигаться в сроки не
превышающие 3-5 лет (при использовании
существующей или создаваемой в ближайшем будущем РКТ)
4
Выбор астероида 2001 JV1 в качестве объекта-цели
 Астероид открыт в 2001 г. в Паломарской обсерватории в
рамках проекта NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking) JPL
 Астероид наблюдался в двух появлениях (2001 и 2010 гг.),
в т.ч. и радиолокационным способом
 Параметры астероида как ПОО:
- MOID ~ 0.022 а.е. (3.3. млн. км),
-  ~ 130 м,
mA ~ 2.76×109 кг, Н ~ 21.4
- период обращения вокруг оси ~ 29 час.
 Орбита астероида уточнена в 2013 г. в JPL по всему составу
имеющихся наблюдений.
Параметры орбиты астероида (эклиптика J 2000):
Р ~ 2.225 года, а ~ 1.705 а.е., е ~ 0.435, q ~ 0.963 а.е., Q ~ 2.441 а.е.
i ~ 6.631º, ω ~ 200.961º, Ω ~ 92.324º, tπ ~ 2014.11.13,2904.
5
Орбита астероида 2001 JV1
6
Изменение R и d в пределах периода обращения
астероида 2001 JV 1
R- расстояние до Солнца
d – расстояние между
орбитами астероида и Земли
7
Изменение эклиптических координат λ, β и d в
пределах периода обращения астероида 2001 JV 1
8
Изменение расстояний ρА-З и расстояний d на
интервале времени 2020-2042 гг.
9
Возможность существования спутника у
астероида 2001 JV1




rсфА
А
сф
r
> А
 mA 
5 
R
= A  m 
 S 
0.6 км ≤
А
rsat
rсфА
2
-8
= RА0.4538810
≤ 1.6 км
≥ 300 м
зХарактеристики движения
КА по
орбите
вокруг астероида
JV1
Характеристики
движения
КА
по орбите
вокруг2001
астероида
2001 JV1
А
Радиус орбиты rsat , м
300
400
500
Орбитальная скорость, м/с
0.025
0.021
0.019
Период обращения, час
21.13
32.53
45.47
10
10
Сценарий демонстрационной миссии
 Для снижения рисков негативного влияния космической среды
на работоспособность ядерного зарядного устройства
рассматриваются схемы межпланетных перелетов,
обеспечивающие доставку КА к астероиду в как можно более
короткие сроки. Предпочтение отдается прямому перелету, при
условии его технической реализуемости
 КА доставляется в определенную точку в окрестности астероида,
где он может совершить безопасный маневр торможения, в
результате которого скорости КА и астероида будут, в основном,
выровнены, а оставшаяся относительная скорость позволит КА
достаточно медленно сближаться с астероидом
 В период сближения с использованием бортовых измерительных
средств и наземных средств траекторного контроля
осуществляется прецизионная навигация КА относительно
астероида и реализуется технология выхода на режим
сопровождения полета некооперируемого объекта
11
Сценарий демонстрационной миссии (2)
 КА в течение заданного периода времени совершает полет
вблизи и вокруг астероида и выполняет запланированную
программу дистанционных исследований этого объекта
 С использованием высокоточных бортовых угловых и
дальномерных измерений астероида уточняется его орбита до
проведения взрыва
 При нахождении над заданной точкой поверхности астероида от
КА отделяется автономный модуль с зарядным устройством,
который начинает медленно выходить на заданную высоту
проведения взрыва, а КА в результате небольшого маневра
удаляется от астероида на безопасное расстояние (~ 100-200 км)
 По команде с базового КА (или по заложенной в автономном
модуле программе) реализуется взрыв, который регистрируется на
базовом КА
 КА выходит на режим полета в достаточной близости от
астероида и реализует специальную программу бортовых
навигационных измерений, которые позволят определить эффект
изменения орбиты астероида
12
Условия осуществления миссии
 КА выводится на межпланетную траекторию с помощью системы
«Протон-М/Бриз-М» с космодрома «Байконур»
 КА проектируется на основе опробованной платформы,
разработки НПО им. С.А. Лавочкина
 Масса КА после выведения на межпланетную траекторию
составляет mКА~2000 кг, из них запас топлива mТ~700 730 кг
Удельный импульс ДУ КА - Isp ~ 304320 c
 Скорость отлета КА от Земли V∞≤7000 м/c
 Импульс торможения при подлете к астероиду ∆VТ≤1000 м/с
13
Условия воздействия на астероид с помощью взрыва
 Ядерный заряд содержится в специальном отделяемом
модуле КА, способном совершать автономный полет
 Незадолго до взрыва модуль с зарядным устройством
отделяется от базового КА и остается вблизи выбранной
точки над поверхностью астероида
 Выбор места осуществления взрыва определяется
необходимым направлением импульса скорости ∆VА,
возникающего в результате этого взрыва
 Для демонстрации возможности воздействия выбирается
отнесенный ядерный взрыв, проводимый на небольшом
(30 – 100 м) расстоянии от поверхности астероида
 Мощность взрыва должна соответствовать условию
изменения скорости астероида ∆VА≤5 см/с (во избежание
возможной нежелательной фрагментации этого тела)
14
Выбор места приложения и направления ∆VA
∆VА≤0.00005 км/с ,
14.3 км/с ≤ VA ≤ 36.4 км/с,
1.Приложение импульса в направлении В, ортогональном
плоскости орбиты
периодические отклонения от
первоначальной плоскости орбиты на величины
∆ρВ ≤ RA (t)[∆V А /VA(t0)]
При сближениях с Землей ∆ρВ не будет превосходить нескольких
сотен километров
2.Приложение импульса в плоскости орбиты
изменение параметров a и е:
a
aVA
2
V A cos 
a
S
-0.3910-5 ≤ ∆е ≤ 0.3910-5
Наибольшее изменение орбиты будет при направлении ∆V А вдоль
VA(t0). При ∆V А ~ 5 см/с в районе сближения с Землей астероид
может отклоняться от первоначального положения:
- по радиальной составляющей – на единицы тысяч км,
- вдоль орбиты – на единицы радиусов Земли
м15
м17
Характеристики орбитального движения астероида
2001 JV1 в период миссии 2021 года
R - расстояние от Солнца
d - расстояние между орбитами Земли и астероида
Beta
3.5
70
65
3
60
55
2.5
50
45
2
40
1.5
30
25
1
b (deg)
R, d (AU)
35
20
15
0.5
10
5
0
0
-5
-0.5
01/01/2021
02/03/2021
01/05/2021
30/06/2021
29/08/2021
28/10/2021
27/12/2021
25/02/2022
26/04/2022
25/06/2022
-10
24/08/2022
Date
16
Энергетические характеристики «перехватывающего»
перелета к астероиду 2001 JV1 при стартах в начале
марта и начале мая 2021 года
35
30
Vст, Vподлета, км/c
25
20
DV2-1
DVst-1
DV2-2
DVst-2
15
10
5
0
01/05/2021
Date
16/05/2021
31/05/2021
15/06/2021
30/06/2021
15/07/2021
30/07/2021
14/08/2021
29/08/2021
13/09/2021
17
26/06/2022
27/05/2022
27/04/2022
28/03/2022
26/02/2022
27/01/2022
28/12/2021
28/11/2021
29/10/2021
29/09/2021
30/08/2021
31/07/2021
Delta V, m/c
Энергетические характеристики перелета к астероиду
при старте 28.06.2021 для разных дат подлета
12
11
10
9
8
7
6
DV st
5
DV f
Sum DV
4
3
2
1
0
Date
18
Характеристики баллистических схем полета к
астероиду 2001 JV1 при старте 28.06.2021 для
разных дат подлета
Дата
подлета
Время
Угол
∆V
V∞
∆V
∆V,
перелета, перелета, старта, отлета, подлета,
км/с
сут
град
км/с
км/с
км/с
14.11.2021
137
119
5.274
7.079
0.991
6.265
25.12.2021
178
136
5.312
7.150
0.656
5.968
23.02.2022
238
155
5.255
7.044
0.574
5.829
15.03.2022
258
160
5.207
6.956
0.638
5.845
22.04.2022
296
169
5.053
6.663
1.002
6.055
19
Условия для бортовой навигации при подлете КА к
астероиду 2001 JV1 в период миссии 2021 года
1
2.5E+06
R
0.9
U
0.8
2.0E+06
0.6
1.5E+06
0.5
0.4
1.0E+06
Фаза астероида U
Расстояние КА-астероид R, км
0.7
0.3
0.2
5.0E+05
0.1
0.0E+00
01/01/2022
31/01/2022
02/03/2022
Дата
01/04/2022
01/05/2022
0
31/05/2022
20
Гелиоцентрическая орбита перелета КА к астероиду
2001 JV1 при старте 28.06.2021
21
Заключение
 Предложена концепция осуществления демонстрационной миссии к
потенциально опасному астероиду с целью изменения его орбиты взрывом
в части баллистики и навигации КА и оценки эффекта воздействия на ПОО
 Исследована динамика и особенности движения и сближения с Землей
астероида 2001 JV1 - возможного кандидата для демо-миссии
 Оценена возможность и характеристики движения КА вблизи астероида
2001 JV1 по орбите его искусственного спутника
 Установлена зависимость изменения параметров орбиты и условий
сближения астероида 2001 JV1 с Землей от места и направления
приложения к нему импульса скорости ∆VА, возникающего в результате
ядерного взрыва вблизи астероида
 Выполнен анализ потребных энергетических затрат для реализации
миссии полета к астероиду 2001 JV1 для разных вариантов перелетов при
старте КА в период 2021 года
 Спроектирована баллистическая схема полета КА к астероиду 2001 JV1,
отвечающая требованиям демонстрационной миссии к ПОО, которая може
быть практически реализована в 2021-2022 гг. на основе существующих
(или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетнокосмической техники, космических технологий и инфраструктуры
22