Предотвращение столкновений (космический корабль) - Collision avoidance (spacecraft)

Предотвращение столкновения космических аппаратов реализация и изучение процессов, сводящих к минимуму вероятность выхода на орбиту космический корабль непреднамеренное столкновение с другими орбитальными объектами. Наиболее частым объектом исследований и разработок в области предотвращения столкновений космических аппаратов являются искусственные спутники в геоцентрические орбиты. Предмет включает процедуры, разработанные для предотвращения скопления космического мусора на орбите, аналитические методы для прогнозирования вероятных столкновений и процедуры предотвращения для маневрирования космического корабля-нарушителя вдали от опасности.

Орбитальные скорости вокруг больших тел (например, Земля ) работают быстро, что приводит к значительным кинетическая энергия участие в столкновениях на орбите. Например, в среднем Низкая околоземная орбита При скорости ~ 7,8 км / с два перпендикулярно сталкивающихся космических корабля будут иметь общую относительную скорость столкновения ~ 12,2 км / с. Практически ни один из известных конструктивно твердых материалов не способен противостоять такому энергетическому удару, большая часть которого будет мгновенно испарена при столкновении и разбита на мириады кусков, выброшенных силой во всех направлениях. Из-за этого весьма вероятно, что любой космический корабль, сталкивающийся с другим объектом на орбите, будет серьезно поврежден или полностью разрушен.

Необходимость

Каскадная серия столкновений между орбитальными спутниками и другими объектами может произойти, если позволить критической массе космического мусора накапливаться на околоземной орбите, получившей название Синдром Кесслера. Эти столкновения создадут новые более мелкие обломки, которые значительно увеличат вероятность дальнейших столкновений и создадут петля положительной обратной связи. Это создаст закрытые области на орбите из-за повышенного риска столкновения и в конечном итоге полностью заблокирует доступ в космос из-за рискованного подъема по орбитам, заполненным мусором, во время запуска.

Очень немногие из всех спутников, запущенных искусственные ракеты-носители которые остаются в Околоземная орбита сегодня все еще функционируют. По оценкам Управления космического мусора ЕКА, по состоянию на февраль 2020 года подавляющее большинство спутников в космосе не работают.[1]

Оценочные данные о количестве запущенных человеком спутников, предоставленные Управлением космического мусора ЕКА[1]
Спутники выведены на околоземную орбитуВсе еще в космосеВсе еще работает
~9,600~5,500~2,300

Хотя количество спутников, запущенных на орбиту, относительно невелико по сравнению с объемом пространства, доступного на орбите вокруг Земли, происходят опасные промахи и случайные столкновения. В Столкновение спутников 2009 г. полностью уничтожил оба космических корабля и привело к созданию примерно 1000 новых кусков космического мусора размером более 10 см (4 дюйма) и множества более мелких.[2]

На орбите вокруг Земли есть другие более мелкие частицы материала, которые также могут нанести значительный ущерб спутникам. Это относительно небольшие объекты, такие как микрометеороиды, остатки столкновения спутников или небольшие естественные спутники.

Оценочные данные о количестве космического мусора, предоставленные Управлением космического мусора ЕКА.[1]
Объекты мусора регулярно отслеживаютсяСобытия, приводящие к фрагментацииОбломки объектов, находящихся на орбите
> 10 см1-10 см1 мм - 1 см
~22,300>500>34,000~900,000> 128 миллионов

Эти объекты кажутся безобидными, но даже крошечные частицы, такие как случайные пятна краски, могут нанести ущерб космическому кораблю.[3] которые вызвали необходимость замены окон после многих Космический шатл полеты.[4]

Многие компании запускают большие спутниковые группировки, чтобы обеспечить высокоскоростную связь и доступ в Интернет из Низкая околоземная орбита, а именно SpaceX с Starlink и Amazon запланировано Проект Койпер созвездия. Планируется, что каждая из этих систем будет использовать десятки тысяч спутников, что значительно увеличит общее количество спутников и усугубит проблему космического мусора.

Методы снижения рисков

Чтобы свести к минимуму количество запускаемых объектов, превращающихся в неконтролируемый космический мусор, используются несколько передовых методов, которые различаются по технике в зависимости от орбиты объекта. Большинство защитных мер гарантируют, что спутники и другие искусственные объекты будут оставаться на своих рабочих орбитах только до тех пор, пока они являются функциональными и управляемыми. Эти обязанности ложатся на оператора спутников, который связан международными соглашениями по утилизации орбитальных объектов.

Суборбитальные траектории

Объекты, запущенные на суборбитальные траектории, будут быстро смещены с орбиты из-за сопротивления атмосферы. К ним относятся такие вещи, как запуск спутников Звуковые ракеты разработан для быстрого возврата с орбиты и ступеней ракет-носителей, которые расходуют топливо до достижения орбитальной скорости. Спутники на суборбитальных траекториях обычно не требуют от оператора какой-либо преднамеренной заботы о возвращении в атмосферу и утилизации.

В Внешний бак Space Shuttle спроектирован так, чтобы быстро утилизироваться после запуска. Большой внешний резервуар остается прикрепленным к орбитальному аппарату "Спейс шаттл" с момента старта до тех пор, пока он и орбитальный аппарат не начнут двигаться со скоростью чуть ниже орбитальной и достигнут высоты примерно 113 км (70 миль), после чего он отсоединяется и быстро следует по баллистической траектории. возвращение в атмосферу. Большая часть внешнего резервуара распадается из-за тепла при входе в атмосферу, в то время как орбитальный аппарат использует Двигатели управления реакцией для завершения орбитального вывода.[5]

Низкая околоземная орбита

Подавляющее большинство искусственных спутников и космических станций на орбите в Низкие околоземные орбиты (ЛЕО),[6] со средней высотой менее 2000 км (1200 миль). Спутники на низкоорбитальной околоземной орбите находятся близко к более толстым частям атмосферы, где безопасный вход в атмосферу практичен, поскольку Дельта-v Требуемое для замедления с НОО невелико. Большинство спутников LEO используют остатки топлива, оставшегося на борту станции (используется для поддержания орбиты спутника против таких сил, как сопротивление атмосферы, которые постепенно возмущают орбиту), чтобы выполнить сжигание с орбиты и избавиться от себя.[7]

Легкость доступа для снятия спутников с низкой околоземной орбиты в конце срока службы делает его успешным методом контроля риска засорения космического мусора на НОО.

Средняя околоземная орбита и выше

Орбиты со средней высотой выше LEO (например, Средние околоземные орбиты (MEO), Геосинхронная орбита /Геостационарная орбита (GSO / GEO) и другие виды) далеки от более плотных частей атмосферы, что делает полное сжигание с орбиты значительно более непрактичным. Немногие спутники имеют достаточный запас топлива, чтобы позволить себе такой маневр в конце своей жизни.

Спутники, находящиеся на высотах ближе к нижней границе СОО, могут использовать «правило 25 лет» для замедления с бортовым двигателем, чтобы он выпал с орбиты в течение 25 лет, но это положение разрешено только в том случае, если операторы спутников могут доказать статистическим анализом, что вероятность того, что вход в атмосферу в атмосферу приведет к травмам людей или материальному ущербу, составляет менее 1/10 000. Спутники, утилизированные таким образом, повторно входят в атмосферу в районе южной части Тихого океана вдали от населенных пунктов, называемых Кладбище космических кораблей.[8]

Орбиты кладбища

Космический аппарат, движущийся по орбите на больших высотах между НОО и Высокая околоземная орбита (HEO), чаще всего в узкоспециализированных и переполненных GSO / GEO, слишком далеки, чтобы использовать «правило 25 лет». ГСО и ГСО требуют, чтобы орбитальная плоскость была почти идеально экваториальной, а высота была как можно ближе к идеально круглой 35 786 км (22 236 миль), что означает, что пространство ограничено, и спутникам нельзя позволять истекать срок их полезного использования. Вместо того, чтобы замедляться перед входом в атмосферу, большинство спутников на этих высотах немного ускоряются в сторону большей кладбищенские орбиты где они навсегда останутся вне зоны взаимодействия с действующими спутниками.

Пустые ступени ракеты, оставшиеся на орбите

Исторически многие многоступенчатый Конструкции пусковых установок полностью израсходовали топливо для выхода на орбиту и оставили отработанные ступени ракеты на орбите, как в бывшем Советском Союзе. Зенит семейство ракет.[9] Эти верхние ступени представляют собой большие искусственные спутники, на возвращение которых в зависимости от орбиты может потребоваться много лет.

Большинство современных конструкций включают достаточный запас топлива для сгорания с орбиты после вывода полезной нагрузки на орбиту. SpaceX с Сокол 9 Ракета-носитель предназначена для минимизации воздействия ее разгонного блока на космический мусор. Ракета состоит из двух ступеней, первая из которых суборбитальная. Он повторно входит в течение нескольких минут после запуска, либо намеренно используя топливо, зарезервированное для подъема ступени, чтобы приземлиться для повторного использования, либо его оставляют, чтобы продолжить свою баллистическую траекторию и распасться при входе в атмосферу.

Вторые ступени Falcon 9 обрабатываются разными методами в зависимости от орбиты. Для Низкие околоземные орбиты, вторая ступень использует оставшееся топливо для вылета с орбиты и разложения в атмосфере. Этапы застряли в Средние околоземные орбиты, любить Геостационарные переходные орбиты (GTO) и Геостационарная орбита (GEO), как правило, не имеют достаточно топлива, чтобы покинуть орбиту. Траектории ГТО спроектированы таким образом, что орбита второй ступени естественным образом распадется и снова войдет в атмосферу через несколько месяцев, в то время как этапы миссий, нацеленных на прямое попадание на ГСО, останутся намного дольше.[10]

Методы прогнозирования столкновений

Большинство прогнозов риска столкновения рассчитываются с использованием баз данных орбитальных объектов с такими параметрами орбиты, как положение и скорость, измеренными с помощью наземных наблюдений. Соединенные Штаты Сеть космического наблюдения Министерства обороны США ведет каталог всех известных орбитальных объектов, примерно равный софтбол по размеру или больше. Информация о более мелких предметах космического мусора менее точна или неизвестна.[4]

Как только точная орбита объекта известна, SSN DoD публикует известные параметры для публичного анализа в DoD space-track.org и НАСА Скоординированный архив данных космической науки. Затем орбиту объекта можно спроецировать в будущее, оценив, где он будет расположен, и вероятность его близкого столкновения с другим орбитальным объектом. Долгосрочные проекции орбиты имеют большие погрешности из-за сложных гравитационных эффектов, которые постепенно возмущают орбиту (сродни эффектам Проблема трех тел ) и погрешности измерения наземной аппаратуры слежения. По этим причинам методы более точного измерения и оценки являются активной областью исследований.

НАСА выполняет орбитальные проекции и оценивает риск столкновения с известными объектами размером более 4 дюймов (10 см). Для критически важных активов, таких как Международная космическая станция оценивается риск того, что любой объект будет пересекать прямоугольную область на полмили (1,25 км) выше / ниже и на 15 миль (25 км) вперед / назад по орбите и по обе стороны от космического корабля. Эта зона повышенного риска известна как «коробка для пиццы» из-за ее формы.[4]

Методы предотвращения столкновений

Современные методы предотвращения столкновения основаны на небольшом изменении орбиты для минимизации риска столкновения и последующем возвращении космического корабля на предыдущую орбиту после того, как событие риска прошло. Точный метод, используемый для корректировки орбиты, зависит от того, какие элементы управления доступны на космическом корабле. Маневры по предотвращению столкновений иногда также называются маневрами по предотвращению засорения (DAM), когда нарушающий объект является предметом из космического мусора.

Космический аппарат с бортовой силовой установкой

НАСА использует маневры уклонения, если риск столкновения определен заранее и риск высок. Политика НАСА в отношении космических кораблей с экипажем, у которых есть бортовые двигатели, такие как Космический шатл и Международная космическая станция (согласовано всеми международными партнерами) требует планирования маневров уклонения, если вероятность столкновения[4]

  • > 1/100 000, и маневр не будет противоречить целям миссии.
  • > 1/10 000, и маневр больше не подвергнет опасности экипаж.

По состоянию на август 2020 года МКС провела 27 маневров по предотвращению столкновений с момента своего первого запуска в 1999 году и со временем имеет тенденцию к росту. Класс мусора, наиболее опасный для Орбитальный сегмент США от 1 до 10 см.[3] Популяция мусора в этом диапазоне размеров значительна, и ее сложно точно отследить с помощью существующих методов, что требует дальнейших исследований.

Эти маневры уклонения почти всегда выполняются стрельбой из бортовых Двигатели управления реакцией, хотя некоторые другие системы ориентации спутников и космических аппаратов, такие как Магниты, Колеса реакции, и Гироскопы контрольного момента могут быть задействованы. МКС может также использовать главные двигатели стыкованного грузового космического корабля - обычно КА "Прогресс" или Автоматическая транспортная машина. Маневры незначительно изменяют орбитальную траекторию и обычно проводятся за несколько часов до события риска, чтобы дать эффект от изменения орбиты.[4]

Когда два оператора спутников уведомляются о потенциальном столкновении, один или оба оператора могут принять решение маневрировать своим спутником, например. ESA и SpaceX в 2019 году.[11]

В недавних исследованиях были разработаны алгоритмы, помогающие избегать столкновений в крупных спутниковых группировках.[12] хотя неизвестно, проводились ли такие исследования в какой-либо активной группировке GNC.

Прерывание стыковки

Другой способ использования маневра предотвращения столкновения - прервать автоматическую стыковку, и такая процедура встроена в программное обеспечение, управляющее стыковкой. Автоматизированные транспортные средства на МКС. Это может быть инициировано экипажем на борту космической станции в качестве аварийной блокировки в случае проблемы во время стыковки.[13] Этот маневр был продемонстрирован вскоре после запуска первого квадроцикла, Жюль Верн, а затем во время демонстрации подходов к станции, которую он провел в конце марта 2008 года.

Космический аппарат без бортовой двигательной установки

Большинство спутников, запускаемых человеком без бортовой двигательной установки, имеют небольшие размеры. CubeSats которые полагаются на альтернативные устройства для управления ориентацией. В масштабе небольших объектов, таких как CubeSats, силы, связанные с большой относительной площадью поверхности, пропорциональной массе, становятся значительными. КубСаты часто запускаются в Низкая околоземная орбита, где атмосфера по-прежнему обеспечивает небольшое аэродинамическое сопротивление.

Аэродинамическое сопротивление малых спутников в Низкая околоземная орбита может использоваться для небольшого изменения орбиты, чтобы избежать столкновений с обломками, путем изменения площади поверхности, подверженной атмосферному сопротивлению, чередуя конфигурации с низким и высоким сопротивлением для управления замедлением.[14]

Осложняющие факторы

Попытки уменьшить возможные столкновения осложняются факторами, в том числе:

  • по крайней мере один из объектов-нарушителей не имеет возможности удаленного управления из-за того, что он не функционирует
  • по крайней мере, один из оскорбительных объектов - естественный спутник, например астероид
  • событие риска не прогнозируется с достаточным временем, чтобы действовать

Все эти события по-разному ограничивают стратегические возможности снижения риска столкновения. Очень немногое может предотвратить проецируемое столкновение, если оба объекта не имеют возможности управления. Если только один из объектов является работающим спутником, он будет единственным участником маневра уклонения, значительно сокращая или полностью израсходовав оставшиеся запасы топлива. У спутника также может быть недостаточно топлива для правильного выполнения маневра, что снижает его эффективность.

Маневры для предотвращения столкновений требуют значительного времени на планирование и выполнение, что может стать проблемой, если риск не спрогнозирован заранее. Движение космического корабля часто бывает слабым, и для изменения его орбиты требуются длительные ожоги, а изменение скорости часто требует значимой доли полной орбиты для получения необходимого эффекта.

Например, маневры, обычно проводимые Международная космическая станция во избежание столкновений часто требуется примерно 150 секунд прожига[15] и значительные нарушения в работе экипажа из-за обязательной медленной перенастройки солнечных панелей станции во избежание повреждения силовыми установками. Грубо говоря, по оценкам, самое быстрое время реакции МКС при нормальной работе составляет около 5 часов 20 минут.[16] чтобы учесть ~ 3-часовой период настройки реконфигурации станции и ~ 2 часа времени подготовки после сжигания, чтобы изменение скорости вступило в силу.

Влияние на окна запуска

Во время космического полета важно избегать столкновений запускать окна. Обычно Оценка столкновения при запуске (COLA) необходимо выполнить и утвердить перед запуском спутника. У окна запуска есть COLA период отключения электроэнергии во время интервалов, когда транспортное средство не может взлететь, чтобы убедиться, что его траектория не приведет его слишком близко к другому объекту, уже находящемуся в космосе.[17]

Рекомендации

  1. ^ а б c «Космический мусор в цифрах». www.esa.int. Получено 2020-10-22.
  2. ^ "Какой бардак! Эксперты задумываются о проблеме космического мусора - USATODAY.com". usatoday30.usatoday.com. Получено 2020-10-27.
  3. ^ а б Филипп, Анц-Мидор; Снимает, Деби (август 2020 г.). "Ежеквартальные новости о космическом мусоре" (PDF). Космический центр имени Джонсона НАСА. Получено 12 ноября, 2020.
  4. ^ а б c d е Гарсия, Марк (13 апреля 2015 г.). «Космический мусор и человеко-космические корабли». НАСА. Получено 2020-11-16.
  5. ^ Уилсон, Джим. «НАСА - Внешний резервуар». www.nasa.gov. Получено 2020-10-27.
  6. ^ Sampaio, J.C .; Wnuk, E .; де Мораес, Р. Вильена; Фернандес, С. С. (2014). "Резонансная орбитальная динамика в области НОО: в центре внимания космический мусор". Математические проблемы в инженерии. 2014: 1–12. Дои:10.1155/2014/929810. ISSN  1024–123X.
  7. ^ "Срок службы спутников | Европейские космические снимки". Получено 2020-10-27.
  8. ^ "Орбиты кладбища и загробная жизнь спутников | Национальная служба экологических спутников, данных и информации NOAA (NESDIS)". www.nesdis.noaa.gov. Получено 2020-10-27.
  9. ^ «Верхние ступени топ-листа самого опасного космического мусора». SpaceNews. 2020-10-13. Получено 2020-10-27.
  10. ^ "Запуск - Что происходит со второй ступенью Falcon 9 после отделения полезной нагрузки?". Обмен стеком по исследованию космоса. Получено 2020-10-27.
  11. ^ Космический корабль ЕКА увернулся от возможного столкновения со спутником Starlink
  12. ^ Чанпин, Данг; Бо, Рен; Хун, Яо; Пу, Го; Вэй, Тан (2014-08-08). «Стратегия предотвращения столкновений космических кораблей в строю». Материалы конференции IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control 2014 г.. Яньтай, Китай: IEEE: 1961–1966. Дои:10.1109 / CGNCC.2014.7007479. ISBN  978-1-4799-4699-0.
  13. ^ Жюль Верн демонстрирует безупречный маневр по предотвращению столкновений
  14. ^ Омар, Санни Р .; Бевилаква, Риккардо (30 декабря 2019 г.). «Предотвращение столкновения космических аппаратов с использованием аэродинамического сопротивления». Журнал по наведению, контролю и динамике. 43 (3): 567–573. Дои:10.2514 / 1.G004518. ISSN  1533-3884.
  15. ^ «НАСА изменяет положение космической станции, чтобы избежать столкновения с массивными обломками». национальная почта. Получено 2020-11-15.
  16. ^ «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)». ntrs.nasa.gov. Получено 2020-11-16.
  17. ^ «Центр состояния миссии - Отчет о запуске Delta 313». Космический полет сейчас.

внешние ссылки

Смотрите также