CC BY
20
НОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ЭРА I NEW SPACE AGE
yflK 629.78
DOI: 10.30981/2587-7992-2018-95-2-22-29
MULTI-PURPOSE EXPIDITIONS TOWARDS ASTEROIDS FLYING
NEAR THE EARTH
Anatoly V. ZAITSEV,
Honorary Member, The Russian Academy of Cosmonautics named after K.E. Tsiolkovsky; Academician, International Futures Research Academy (IFRA); CEO, NPP"Planetary Defence Centre", Khimki, Russia, zav-y@yandex.ru
Dmitry V. PETROV,
Dr. Sci. (Physics and Mathematics), ChiefDesigner, Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin All-Russian Research Institute of Technical Physics, Snezhinsk, Russia
Vladimir N. NOGIN,
Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Chief of Department, Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin All-Russian Research Institute of Technical Physics, Snezhinsk, Russia
Vasily P. ELSUKOV,
Laboratory Chief; the Russian Federal Nuclear Center
- Zababakhin n All-Russian Research Institute of Technical Physics, Snezhinsk, Russia
Dmitry A. KRASNOSLABODTSEV,
Research Associate, the Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin All-Russian Research Institute of Technical Physics, Snezhinsk, Russia
Vadim A. SIMONENKO,
Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Deputy Scientific Director, the Russian Federal Nuclear Center
- Zababakhin All-Russian Research Institute ofTech-nical Physics, Snezhinsk, Russia, v.a.simonenko@vniitf.ru
Alexander I. SOROKA,
JSC Space Systems ofInformation, Moscow, Russia, sorokaai@mail.ru
The paper argues in support of multi-purpose missions to near-Earth space objects to study their properties and to develop methods and means for establishing a planetary defense system. The characteristics of spaceships for the missions and their instrumentation and equipment are provided. Remote and on-site investigation methods are discussed, including gravity measurements and hyper-velocity impact experiments, and integration of collected results for the evaluation of object properties.
lK|flwOrds: asteroid-comet hazard, planetary dil|fe, spaceship, penetrator, hyper-velocity iJHmt, gravi-gradiometry
h
МНОГОЦЕЛЕВЫЕ ЭКСПЕДИЦИИ К АСТЕРОИДАМ, ПРОЛЕТАЮЩИМ ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ
НОТАЦИЯ Обосновывается возможность организации многоцелевых экспедиций к астероидам, пролетающим в околоземном космическом пространстве, с целью изучения их планетофизических характеристик, а также одновременной отработки методов и средств для создания системы планетарной защиты от таких объектов. Приведены характеристики космических аппаратов для осуществления этих экспедиций и состава их исследовательской аппаратуры. Рассмотрены методы дистанционных и прямых исследований, включающие измерения гравитационных параметров объектов и проведение гиперскоростных ударных экспериментов, а также вопросы интеграции полученных измерений для оценки свойств этих объектов.
Анатолий Васильевич ЗАЙЦЕВ,
почетный член Российской академии космонавтики имени К. Э. Циолковского (РАКЦ), академик Международной академии исследований будущего (МАИБ), генеральный директор НП «Центр планетарной защиты», Химки, Россия,
Дмитрий Витальевич ПЕТРОВ,
доктор физико-математических наук, главный конструктор - начальник конструкторского бюро № 1 Российского федерального ядерного центра - ВНИИ технической физики имени Е. И. Забабахина, Снежинск, Россия
Владимир Николаевич НОГИН,
кандидат физико-математических наук, начальник отдела Российского федерального ядерного центра - ВНИИ технической физики имени Е. И. Забабахина, Снежинск, Россия
Василий Павлович ЕЛСУКОВ,
начальник лаборатории Российского федерального ядерного центра - ВНИИ технической физики имени Е. И. Забабахина, Снежинск, Россия
лександрович \БОДЦЕВ,
удник Российского федерального ра - ВНИИ технической физики бабахина, Снежинск, Россия
Воздушно-космическая сфера I
ксандрович СИМОНЕНКО,
-математических наук, профессор, аучного руководителя Российского дерного центра - ВНИИ изики имени Е. И. Забабахина, ия,
vniitf.ru
ванович СОРОКА,
алист АО «Пространственные рмации», Москва, Россия,
pace Sphere Journal №2(95) 201 i
23
вполне реальной является
возможность полета к астероидам, обнаруженным примерно за 7-10 суток до их сближения с землей
Наличие угрозы катастрофических столкновений с Землей астероидов и ядер комет обусловливает необходимость создания системы планетарной защиты (СПЗ) от астероидно-кометной опасности (АКО). Для этого потребуется осуществить не только отработку всех компонентов системы, но и провести детальные исследования планетофизических характеристик данных небесных тел. Для этих целей уже осуществлен ряд космических проектов - Deep Impact, Stardust, Rosetta - и разрабатываются новые. Одним из них может стать проект «Космический патруль» [1], предусматривающий запуски относительно недорогих космических аппаратов (КА) малого класса к астероидам, пролетающим в сфере притяжения Земли. При этом будет осуществляться изучение астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), и одновременно будут отрабатываться методы и средства их разведки и перехвата.
Возможность организации экспедиций к астероидам, сближающимся с землей
По данным NASA [2], в настоящее время обнаружено свыше 18 000 АСЗ, причем многие из них были замечены только при подлете и даже во время пролета сферы притяжения Земли. Например, в 2016 году было обнаружено 143 таких астероида, 52 из которых приблизились к Земле на расстояние меньшее, чем от Земли до Луны. При этом диапазон их скоростей в момент максимального сближения с Землей составлял от 1,44 до 32 км/с (рис. i), а размеры от 2 до 90 м.
Интервал времени от обнаружения АСЗ до их минимального сближения с Землей составил от 1 до 17 суток, что позволяет в ряде случаев осуществить запуск КА для их изучения. Конечно, для этого необходимо будет иметь в состоянии готовности КА и средства для их оперативного запуска. Анализ длительности операций по подготовке к пуску существующих ракет-носителей (РН) показывает, что подготовка технических средств и разработка программно-алгоритмического обеспечения запуска могут быть выполнены в течение нескольких суток. Длительность же подготовки РН на старте может составлять, как показано на примере возможностей РН «Зенит», около полутора часов [3], а при использовании конверсионной РН «Днепр» - еще меньше.
рис. 2. схема многоцелевой экспедиции к асз
Кроме подготовки к запуску КА, потребуется время для его перелета к АСЗ. Энергетически оптимальным будет перелет к АСЗ по эллиптической траектории. Например, длительность полета до орбиты Луны составит около пяти суток. При необходимости перелет к АСЗ может осуществляться также по ускоренным, гиперболическим траекториям.
Таким образом, вполне реальной является возможность полета к астероидам, обнаруженным примерно за 7-10 суток до их сближения с Землей. Кроме того, можно будет заранее выбрать из числа уже известных астероидов те из них, которые будут пролетать вблизи Земли в ближайшие годы, и заблаговременно подготовить экспедиции к ним.
ПРОЕКТ «КОСМИЧЕСКИЙ ПАТРУЛЬ»
В ходе реализации проекта «Космический патруль», при проведении экспедиций кАСЗ, планируется:
• изучение свойств АСЗ, включая доставку их грунта на Землю;
• изучение физики гиперскоростного удара (до 70-80 км/с);
• отработка кинетических средств воздействия на астероиды;
• отработка средств перехвата астероидов -КА-разведчиков и КА-перехватчиков.
При этом в ходе выполнения одной многоцелевой экспедиции могут быть осуществлены следующие эксперименты (рис. 2):
1) «Пролет» - по отработке КА-разведчика и дистанционных средств изучения небесных тел;
2) «Перехват» - по отработке средств перехвата опасных небесных тел (ОНТ);
3) «Удар» и «Внедрение» - по отработке кинетических средств воздействия на ОНТ и изучению их характеристик прямыми (контактными) методами при внедрении в грунт специальных зондов-пенетраторов [4, 5];
4) «Возврат» - по отбору и доставке образцов грунта АСЗ на Землю (в ряде случаев можно будет осуществить посадку КА на поверхность АСЗ).
Таким образом, околоземное космическое пространство можно будет использовать как своеобразный полигон для изучения свойств АСЗ и отработки средств воздействия на ОНТ с целью отражения угрозы их столкновений с Землей.
Воздушно-космическая сфера I Aerospace Sphere Journal №2(95) 2018 25
рис. 3. ка-разведчик с зондами-пенетраторами
по современным представлениям наиболее вероятными средствами противодействия малым астероидам станут кинетические ударники, крупным - ядерные взрывные устройства
$ц и ■ яв ; Пжя #:.
/ Wik В i. .г ■
/ //
'ШШ
W :
, J /
Ä-'-vV i
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ-РАЗВЕДЧИК
Для реализации проекта необходимо создать КА-разведчик, на борту которого должны быть приборы для проведения траекторных измерений, получения изображений и ряд других. В частности, для осуществления эксперимента «Пролет» необходима установка лазерного дальномера и ротационного гравитационного вариометра [6], позволяющего определять плотностную неоднородность и массу ОНТ с погрешностью 5-10 % в зависимости от величины относительной скорости сближения (5-75 км/с) и на дальностях 5-50 км.
Для проведения экспериментов «Удар» и «Внедрение» в состав КА предполагается включить зонды-пенетраторы, предназначенные для проникания в грунт и изучения его свойств. В качестве базового образца низкоскоростного (до 80 м/с) пенетратора может быть использован пенетратор, разработанный для экспедиции «Марс-96». Высокоскоростной пенетратор, рассчитанный на внедрение в грунт со скоростями до 2,6 км/с, может быть создан на основе пенетратора для экспедиции «Луна-Глоб» [7]. Он может выдерживать перегрузки при соударении с поверхностью до 10 тысяч единиц.
Основой для создания КА-разведчика может послужить проект КА, представленный в работе [8]. Его масса составит 262 кг, включая бортовую исследовательскую аппаратуру массой 48 кг и два зонда-пенетратора массой по 15 кг. Общий вид КА-разведчика с высокоскоростными зондами-пенетраторами приведен на рис. 3.
Весьма перспективным для запуска КА-раз-ведчиков представляется использование РН «Днепр» - конверсионного варианта стратегической ракеты РС-20 («Воевода»). В случае до-оснащения ее разгонным блоком она обеспечит выведение КА не только на околоземные, но и на межпланетные траектории.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Определение свойств пролетающего тела -комплексная задача. Конечной целью является знание тех свойств, которые нужны для расчетно-теоретического предсказания результатов воздействия на тело выбранными средствами. По современным представлениям наиболее вероятными средствами противодействия малым телам будут кинетические ударники, крупным телам - ядерные взрывные
из-за трудности получения образцов астероидов для лабораторных исследований на начальном этапе придется обращаться к образцам-аналогам,
накопленным при падениях метеоритов 4
I
i
Ы-Щ
i
рис. 4. проникание металлического стержня в породу
0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 х
устройства. Для надежного прогнозирования результатов воздействия необходимо знание локальных свойств пород (в каждой точке объекта) и обобщенных, характеризующих укрупненную структуру тела. К локальным свойствам относятся данные о сжимаемости и разгрузке, которые систематизируются в виде уравнений состояния пород, упругие и прочностные характеристики пород. При получении локальных свойств ценными являются данные о химическом, оксидном и минералогическом составе пород. Обобщенные свойства отражают наличие неоднородностей (по плотности пород и составу), наличие разломов и пустот.
Ввиду трудностей получения образцов для лабораторных исследований на начальном этапе с необходимостью придется обращаться к образцам-аналогам, накопленным при падениях метеоритов. Именно для подбора аналогов ценными являются данные по химическому, оксидному и минералогическому составу. Эти данные могут быть получены с помощью оптических наблюдений результатов столкновений ударников малой массы с исследуемыми телами. Для изучения распределения плотности вещества могут быть использованы пенетра-торы большой длины (5-10 м и более). Определение уравнения состояния, упругих и прочностных характеристик на раннем этапе будет осуществляться по образцам-аналогам, взятым из метеоритов, имеющихся в запасниках. Дополнительно прочностные характеристики будут контролироваться по размерам кратеров, образованных ударниками, а уравнения состояния - по разлету вещества в ударных экспериментах.
Перечислим и прокомментируем предлагаемые методики (в дальнейшем их состав будет расширяться).
1. Оптические измерения. Данная методика позволяет определить геометрию объекта и его размеры, а также при наличии соответствующего оборудования дает возможность определять спектральный состав излучения вещества, разогретого при ударе.
2. Гравиметрия. Методика позволяет определить массу тела вдоль траектории пролета, что в совокупности с геометрическими данными дает возможность определить усредненную плотность вещества. С помощью гравиметрии можно также обнаружить местонахождение разломов и оценить пористость.
3. Воздействие на объект с помощью ударников. В качестве ударника могут выступать, например, металлические шары. Удар таким телом приводит к образованию кратера. С помощью математического моделирования рассчитывается весь процесс образования кратера. Такие расчеты достаточно хорошо откалиброва-ны. Окончательные форма и глубина кратера определяются значением прочности, которая необходима для решения задач разрушения тела. Дополнительный интерес представляет оценка прочности тела в зависимости от масштаба взаимодействия. Поэтому предполагается серия из трех-четырех ударников для проверки влияния масштабного эффекта.
Помимо оптических наблюдений общей картины развития явления удара большую ценность представляют оптические измерения в разных спектральных диапазонах. По горячей части
Воздушно-космическая сфера I Aerospace Sphere Journal №2(95) 2018 27
рис. 5. траектории движения выделенных элементов грунта на фоне окончательного размера кратера (в относительных единицах)
Окончательный размер Окончательный размер
кратера по Ртек = 0,5 ГПа I I кратера по Ртек = 0,3 ГПа
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
Выделенная линия
для регистрации давлений
рис. 6. поля областей и векторы скоростей при образовании кратера
-8000.00 -6000.00 -4000.00 -2000.00 0.00 2000.00 4000.00
спектра определяется поэлементный состав вещества, по холодной - минеральный состав.
Планируется использовать также технологию проникания металлического стержня в грунт. Скорость проникания будет существенно зависеть от плотности грунта. По ходу проникания измеряется расход (длина) стержня во времени. Изменения скорости расхода будут обусловлены изменением плотности. Математическое моделирование позволит рассчитать весь процесс образования каверны и в этом случае (см. рис. 4).
На рис. 5 представлены схемы образования кратера, траектории движения выделенных элементов грунта и размеры в зависимости от прочности в случае удара сферическим телом. На рис. 6 - поля расчетных областей и векторы скоростей при образовании кратера.
ВЫВОДЫ
1. Рост числа обнаруженных АСЗ открывает возможности для организации многоцелевых экспедиций к ним при их пролетах в околоземном космическом пространстве.
2. В ходе этих многоцелевых экспедиций возможно проведение широкого спектра экспериментов как по изучению АСЗ дистанционными и прямыми (контактными) методами, включая доставку образцов грунта на Землю, так и одновременно по отработке методов и средств системы планетарной защиты.
3. При проведении ударных экспериментов, в частности с применением зондов-пенетрато-ров, могут быть обеспечены скорости соударения от десятков метров в секунду до десятков километров с секунду.
4. Экспериментальные программы, включающие эксперименты с ударниками, пенетрато-рами, оптическими средствами и гравиметрией, в совокупности с накопленными данными по метеоритам дадут возможность определять локальные и обобщенные свойства малых тел, необходимые для предотвращения катастрофических последствий в случае сближения их с Землей по столкновительной орбите.
5. Осуществление многоцелевых экспедиций к пролетающим вблизи Земли астероидам существенно сократит сроки, снизит стоимость и повысит эффективность проведения космических экспедиций к малым небесным телам и послужит отработке средств планетарной защиты.
Литература
1. Kovtunenko V., Rogovsky G., Chesnokov A., Sukhanov K., Papkov O., Bojor Ju., Zaitsev A., Kotin V., Magli-nov I., Feshin I. (1995). Space Patrol Project as a First Stage of the Earth Asteroid Protection System Deployment. IAF-95-Q.5.09. 10 p., ill.
2. https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/totals.html (Дата обращения: 17.04.2018).
3. Меньшиков В. Байконур // Авиация и космонавтика. 1993. N 4. С. 8.
4. Петров Д. В., Симоненко В. А., Шубин О. Н. Способы экспериментального исследования свойств астероидов при космических миссиях // Известия Челябинского научного центра. 1997. Космическая защита Земли. Специальный выпуск. С. 4.
5. Zaitsev A. V., Dobrov A. V., Kotin V. A., Simonov I. V. Impact experiment for project Space Patrol. International Journal of Impact Engineering, 1997. Vol. 20. Proceedings of the 1996 Hypervelocity Impact Symposium,
pp. 839-848.
6. Сорока А. И. Гравитационно-градиентные методы исследования плотностной неоднородности космических тел естественного и искусственного происхождения // Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел солнечной системы. Сб. научн. трудов конференции (г. Обнинск, 25-29 октября 1999 г.). М.: Косминформ, 2000. С. 308-318.
7. Галимов Э. М. Космические исследования в ГЕОХИ имени В. И. Вернадского. Достижения, проблемы, перспективы [Электронный ресурс]. URL: http://testpilot.rU/espace/bibl/ziv/1999/6/geohi.html (Дата обращения: 17.04.2018).
8. Asushkin V. A., Ishin S. V., Pichkhadze K. M., Tikhonov V. A., Vlasenko O V., Zaitsev A. V. (2005) Some Issues on Development of Space Defense Facilities Against Asteroids and Comets. Proceedings of European Conference For Aerospace Sciences (EUCASS). 2005. CD, EUCASS, 2.01.04.
References
1. Kovtunenko V., Rogovsky G., Chesnokov A., Sukhanov K., Papkov O., Bojor Ju., Zaitsev A., Kotin V., Magli-nov I., Feshin I. (1995). Space Patrol Project as a First Stage of the Earth Asteroid Protection System Deployment. IAF-95-Q.5.09. 10 p., ill.
2. https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/totals.html (Retrieval date: 17.04.2018).
3. Men'shikov V. Baykonur. Aviatsiya i kosmonavtika, 1993, No 4, P. 8.
4. Petrov D.V., Simonenko V.A., Shubin O.N. Sposoby eksperimental'nogo issledovaniya svoystv asteroidov pri kosmicheskikh missiyakh. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra, 1997. Kosmicheskaya zashchita Zemli. Spetsial'nyy vypusk, p. 4.
5. Zaitsev A. V., Dobrov A. V., Kotin V. A., Simonov I. V. Impact experiment for project Space Patrol. International Journal of Impact Engineering, 1997. Vol. 20. Proceedings of the 1996 Hypervelocity Impact Symposium, pp. 839-848.
6. Soroka A.I. Gravitatsionno-gradientnye metody issledovaniya plotnostnoy neodnorodnosti kosmicheskikh tel estestvennogo i iskusstvennogo proiskhozhdeniya. Okolozemnaya astronomiya i problemy izucheniya malykh tel solnechnoy sistemy (Obninsk, October 25-29, 1999). Moscow, Kosminform, 2000, pp. 308-318.
7. Galimov E.M. Kosmicheskie issledovaniya v GEOKhI imeni V.I. Vernadskogo. Dostizheniya, problemy, perspek-tivy. Available at: http://testpilot.ru/espace/bibl/ziv/1999/6/geohi.html (Retrieval date: 17.04.2018).
8. Asushkin V. A., Ishin S. V., Pichkhadze K. M., Tikhonov V. A., Vlasenko O V., Zaitsev A. V. (2005) Some Issues on Development of Space Defense Facilities Against Asteroids and Comets. Proceedings of European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). 2005. CD, EUCASS, 2.01.04.
© Зайцев А. В., Петров Д. В., Ногин В. Н., Елсуков В. П., Краснослабодцев Д. А., Симоненко В. А., Сорока А. И., 2018
История статьи:
Поступила в редакцию: 23.04.2018 Принята к публикации: 07.05.2018
Модератор: Бурдакова Т. В. Конфликт интересов: отсутствует
Для цитирования:
Зайцев А. В., Петров Д. В., Ногин В. Н., Елсуков В. П., Краснослабодцев Д. А., Симоненко В. А., Сорока А. И. Многоцелевые экспедиции к астероидам, пролетающим вблизи Земли // Воздушно-космическая сфера. 2018. №2(95). С. 22-29.
Воздушно-космическая сфера I Aerospace Sphere Journal №2(95) 2018 29
