VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

Актуальность: В последнее время на орбиту Земли выводится все больше и больше спутников, но по истечении срока службы эти спутники продолжают вращаться вокруг Земли, а затем падают обратно. Однако, как правило, это падение не контролируется, и область падения описывается очень туманно. Данная ситуация очень опасна и может привести к человеческим жертвам, а так же к техногенным катастрофам.

Проблема: Если первые спутники были сравнительно малы и после входа в атмосферу Земли сгорали, то современные спутники могут долететь до земли и соответственно нанести вред людям. Поэтому тема нашего проекта: «Искусственные спутники. Предотвращение их падения на землю».

Цель исследования: изучение эффективных способов ликвидации отработавших спутников.

Объект исследования: способы уничтожения неиспользуемых искусственных спутников Земли.

Предмет исследования: технические устройства для ликвидации спутников Земли.

Гипотеза: Если создать устройство способное уничтожать спутник после истекшего срока службы, то возможно удастся предотвратить возникновение катастроф.

Задачи исследования:

1. Предметно-ориентированный анализ информации, литературы и интернет-сайтов.

2. Исследование существующих технических решений проблемы «отработавших спутников».

3. Изобретение полезной модели для ликвидации «отработавших спутников».

Для решения перечисленных задач использовались следующие методы исследования: наблюдение, анализ, синтез, моделирование, вывод. Теоретическую основу исследования составляют основные идеи работ ученого В. И. Феодосьева

Глава 1. Проблемы, возникающие в результате падения искусственных спутников Земли

1.  

   1. ЧС, связанные с искусственными спутниками.

Обычно искусственные спутники Земли входят в плотные слои атмосферы и сгорают в них вдалеке от густонаселенных районов или же над поверхностью океана. Однако так обстоит дело не всегда.

В 1960 году большой кусок советского «Спутника 4» упал прямо на перекресток дорог в американском городе Манитовок, штат Висконсин. В июне 1969 г. Множество мелких фрагментов спутника упало на палубу японского грузового судна. В 1978 году части конструкции советского «Космоса 954» оставили радиоактивный след в канадской провинции Северо-западные территории. Если вспомнить недавнюю историю, то в январе 1997 года огромный топливный бак ракеты «Дельта II» упал прямо во дворе жилого дома в Джорджтауне, штат Техас. Несколькими годами спустя точно такой же бак упал с неба в окрестностях Кейптауна, Южная Африка. И, наконец, в марте прошлого года титановый бак для сжатого газа с ракеты «Ариан» упал на дом в городе Касамбия, Уганда.

В настоящее время специалисты по эксплуатации спутников пытаются понять, каким образом относительно крупным фрагментам конструкции удается избежать полного сгорания при входе в плотные слои атмосферы. Для этого важно уяснить специфику процессов, происходящих с космическим кораблем во время его падения, и откорректировать математические модели, используемые при проектировании космических аппаратов. Для этих целей последние пару лет эксперты американской компании Aerospace Corporation, расположенной в г. Эль-Сегундо, Калифорния, ведут разработку «черного ящика» для спутников, аналогичного бортовым самописцам, устанавливаемым на самолетах, и предназначенного для сбора информации о процессе сгорания спутника на финальной фазе полета. В перспективе анализ информации, полученной таким образом, позволит разработать конструктивные принципы, позволяющие спутникам сгорать в атмосфере без остатка, избавив землян от вечного риска.

«Крупный спутник NASA может упасть на землю» - такими заголовками пестрили все СМИ в конце августа 2011 года.

Остатки 6-тонного американского спутника UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) могут упасть на Землю. Аппарат завершает свой полет в неуправляемом состоянии, сообщили в американской системе контроля космического пространства. Через две недели остатки спутника могут достигнуть Земли в полосе от 57 градусов северной до 57 градусов южной широты. Москва входит в зону риска. Спутник, изучавший верхние слои атмосферы, американцы запустили еще в 1991 году. С его помощью планировали исследовать причины возникновения озоновых дыр. Однако ежегодные расходы на эту программу, а это более 10 миллионов долларов, оказались неподъемными даже для Национального аэрокосмического агентства, чей бюджет традиционно является самым большим в мире. От дальнейшей эксплуатации спутника там решили отказаться. Специалисты NASA предлагали снять 6-тонный аппарат с орбиты при помощи одного из своих челноков. Но задумку так и не реализовали. Более того, выведенный из строя спутник был разрушен неизвестным предметом. По версии американцев, это был фрагмент советского спутника «Космос-1275». Так или иначе, остатки американского аппарата стремительно двигались к Земле. Изначально предполагалось, что они достигнут ее 19 сентября, однако прогноз из-за ускорения скорректировали на два дня. Наклонение орбиты спутника – примерно 57 градусов, поэтому его несгоревшие остатки могут упасть в огромной полосе: от 57 градусов северной широты до 57 градусов южной широты. Примерные предполагаемые координаты районов падения объектов, относящихся к космическому мусору, американская система контроля космического пространства выдает за несколько суток до соответствующего события.

До этого события была похожая ситуация. Специалисты NASA предупредили, что отработавший свой ресурс 3,5-тонный искусственный спутник может упасть на землю по непредсказуемой траектории и рассыпаться на множество осколков на большой территории. По прогнозам специалистов старый летательный аппарат, принадлежащий NASA, может войти в плотные слои атмосферы в период с 22 часов в среду до 7 часов в четверг по восточному стандартному времени (EST: -5 часов от Гринвича).

«Специалисты Главного центра контроля космического пространства Космических войск осуществляют непрерывный контроль изменения параметров орбиты американского космического аппарата UARS, который неконтролируемо падает на Землю». Золотухин отметил, что, по состоянию на четверг, падение несгоревших в плотных слоях атмосферы фрагментов космического аппарата ожидается 23 сентября 2011 года в акватории Тихого океана в районе с координатами 18 градусов южной широты и 173 градуса восточной долготы.

Напомним, ранее сообщалось, что в зону риска входит Москва.

17 сентября на Землю могут упасть остатки 6-тонного американского спутника UARS, запущенного в 1991 году. Москва расположена в зоне возможного падения. По словам американской Системе контроля космического пространства, спутник завершает свой полет в неуправляемом состоянии и близок к завершению своего существования. Ближе к 17 сентябрю американцы смогут уточнить район падения обломков. Первоначальной датой гибели спутника было назначено 19 сентября, но из-за ускорения падения аппарата в последние дни сроки пришлось пересмотреть. В российской ракетно-космической отрасли, заявив, что «вероятность падения обломков спутника на столицу – мизерная, близкая к нулю». Поскольку наклонение орбиты спутника примерно 57 градусов, его не сгоревшие остатки могут упасть в огромной полосе от 57 градусов северной широты до 57 градусов южной широты. Москва же расположена внутри этой зоны.

NASA не знает, как «приземлить» тяжелый орбитальный спутник. Национальное аэрокосмическое агентство столкнулось сразу с двумя проблемами, связанными с безопасностью использования спутников: как опустить на землю тяжелый орбитальный спутник, период функционирования которого подходит к концу, и что делать с еще незапущенным аппаратом, который в будущем при спуске может представлять угрозу для планеты.

Период функционирования этого почти 6-тонного спутника на орбите сравнительно короток, но при этом аппарат не оснащен системой управляемого спуска, позволяющей осуществить его вход в атмосферу над наименее заселенными районами – в 80-е года, когда создавался спутник, вопросу безопасного уничтожения тяжелых орбитальных спутников еще не уделялось столько внимания, сколько теперь.

Такой массивный аппарат полностью сгореть в атмосфере не сможет, и вполне вероятно, что отдельные его фрагменты упадут на поверхность Земли. NASA изучает возможность спуска UARS в грузовом отсеке «Шаттла», однако это весьма дорогое удовольствие. В противном же случае место падения аппарата сложно даже предугадать.

Пока NASA разбирался с UARS, неожиданно выяснилось, что еще один спутник не удовлетворяет текущим требованиям NASA по безопасности. Спутник Aura, запуск которого состоялся в июле 2004 года в рамках программы NASA по наблюдению за поверхностью Земли (Earth Observing System, EOS), создавался компанией TRW на платформе EOS Common Spacecraft.

Однако неожиданно выяснилось, что Aura при входе в атмосферу не развалится на множество небольших кусков; существует вероятность того, что несколько фрагментов спутника массой свыше двух с половиной тонн вполне могут долететь до Земли, представляя тем самым опасность.

Результаты компьютерного моделирования показывают, что в этом случае «хвост» из обломков может растянуться по поверхности почти на 300 км. Это связано с широким применением в конструкции аппарата элементов из титана, стали и бериллия, температура плавления которых относительно высока.

Представители NASA сообщили, что фрагменты спутника ExtremeUltravioletExplorer (EUVE) могут разлететься в полосе длиной до 1000 км, но никто не знает, где именно это произойдет, спутник EUVE не имеет необходимых систем управления движением.

Однако ученые из космического агентства утверждают, что риск нанесения ущерба не велик, поскольку в большинстве случаев падающие спутники сгорают в атмосфере.

«Вероятность того, что несколько уцелевших осколков EUVE упадут в густонаселенные районы и нанесут повреждения, очень мала» – прокомментировал ситуацию Рональд Мамот (RonaldMahmot) специалист из центра контроля космических полетов NASA в Гринбелте, Марилэнд, откуда изначально осуществлялось управление полетом спутника. «Намного вероятнее, что уцелевшие куски упадут в океан или на землю, не причинив никакого вреда».

Ожидается, что аппарат начнет разрушаться, когда достигнет высоты в 50 миль (80 км).Расчетный участок входа в атмосферу простирается с севера от Орландо, Флорида на юг до Брисбейна, Австралия. Ученые, наблюдающие за спутником EUVE, получат более точные координаты точки входа примерно за 12 часов до падения. Запущенный в 1992 году летательный аппарат, прослужил на много больше планируемых трех лет. Его задачей было исследование крайнего ультрафиолетового спектра для лабораторий NASA и позже для Калифорнийского университета в Беркли. Спутник прекратил функционирование в декабре 2001 года.

Неконтролируемое падение обломков американского космического аппарата UARS ожидается в конце сентября в акватории Тихого океана, сообщает «Интерфакс» со ссылкой на официального представителя управления пресс-службы и информации Минобороны РФ по Космическим войскам полковник Алексея Золотухина.

Спутник NASA упал на ЗемлюПохоже, что спутник EUVE, запущенный на орбиту нашей планеты 10 лет назад NASA (американским национальным аэрокосмическим агентством), уже упал на Землю.

Ожидалось, что обломки аппарата разлетятся больше чем на тысячу квадратных километров. Представители NASA вели пристальное наблюдение за тем, как аппарат сходил с орбиты. Они на 90% уверены в том, что к настоящему времени EUVE прекратил существование. Об этом в интервью телекомпании CNN заявила пресс-секретарь NASA Долорес Бейсли.

Ориентировочно в 7:25 по московскому времени спутник вошел в верхние слои атмосферы над территорией Египта или Саудовской Аравии, большей частью сгорел, и лишь небольшие его фрагменты упали на поверхность Земли. Ранее специалисты предполагали, что обломки спутника могут достичь поверхности планеты на территории Австралии. Общий вес EUVE составлял около 3,5 т. С помощью этого аппарата изучались отдаленные области галактики.

В итоге мы выяснили, что данная проблема не нова и человечество уже сталкивалось с ней, но из-за частных случаев падения спутников особо не интересовала общественность, сильное внимание привлек только спутник UARS, самый большой из упавших спутников.

Глава 2. Методы и приемы ликвидации искусственных спутников в мире

2.1. Существующие способы ликвидации искусственных спутников

Недавно министерство обороны США выпустило специальный доклад под названием «Catcher'sMitt», в котором проанализировало предложенные теми или иными разработчиками методы вылавливания и уничтожения космического мусора – магнитные сети, огромные зонтики, лазеры и прочие хитрости. Специалисты пришли к выводу, что пока к имеющимся технологиям лучше не обращаться, мол, от них толка нет, и ближайшее время не будет. А нужно просто продолжать следить за поведением помойки. И если что, то уворачиваться.

В настоящее время стандарт безопасности НАСА предписывает учитывать возможность падения орбитального аппарата на Землю при его конструировании. Стандарт, в частности, ограничивает использование на борту тугоплавких материалов, таких, как титан, бериллий или нержавеющая сталь. Однако нормы следовало бы пересмотреть, поскольку, с одной стороны, даже детали из сверхпрочных материалов могут при падении рассыпаться на столь мелкие частицы, что они не будут представлять никакого вреда, а с другой стороны, даже плавящиеся при относительно низкой температуре металлы, такие, как алюминий, вполне могут долететь до Земли в виде огромных глыб. Многое зависит от формы и массы элементов конструкции. Однако, по мнению разработчиков «черного ящика», выработка единых требований к конструкции космических аппаратов не предполагается ввиду значительных различий в их размерах и, в меньшей степени, в функциональном назначении. Политика НАСА и правительства США в этом смысле отличается гибкостью и предполагает лишь определение конкретных стандартов безопасности, методы, достижения которых определяются самими разработчиками.

Практическая часть

2.2. Расчет энергии необходимой для разрушения спутника.

Для примера принимаем:

Масса спутника m = 1000 кг

Высота орбиты спутника h=200 км = 2 Х 10⁵ м

Материал спутника – титан

Исходные данные:

Радиус земли R_З. = 6400 км =6.4 Х 10⁶ м

Ускорение свободного падения у поверхности земли g_o= 9.81 м/с²

Высота атмосферы h_А = 30 км = 3 Х 10⁴ м

Удельная теплота плавления титана λ = 554 кДж/кг

Удельная теплоемкость титана. С= 0.611 кДж/кг

Температура плавления титана t_пл. = 1660⁰ С

Расчет

Ускорение свободного падения на высоте 200 км

G(h)=g₀/(1+h/R_з)² =9.81/(1+2*10⁵/6.4*10⁶⁾²=9.22 м/с²

Скорость вращения спутника вокруг Земли

V= (g(h)x*(R_з + h))^1/2 =(9.22*(6.4*10⁶+2*10^5)1/2=7.8 км/с

Потенциальная энергия спутника

Е_п = m*g*h =1000 * 9.22 * 2*10⁵ = 1.8 ГДж

Кинетическая энергия спутника

E_к = (m*V²)/2= (1000*7800²)/2 = 30 ГДж

Таким образом, механическая энергия спутника

E_м=E_п+E_к = 30 ГДж+1.8 ГДж=31.8 ГДж

При входе в атмосферу механическая энергия спутника переходит в тепловую энергию, которая идет на нагрев спутника и плавление

Количество энергии на нагрев

Q_наг=C*m*(t_пл –(-273⁰ С))= 0.611*1000*(1660+273)=1181063 КДж ≈1,2 ГДж

Количество энергии на плавление

Q_пл= λ*m=554*1000≈0,6ГДж

Суммарная тепловая энергия необходимая для расплавления титанового спутника массой 1000кг составляет

∑Q=Q_наг+ Q_пл=1,2 + 0,6=1,8 ГДж

Таким образом, механической энергии спутника вполне достаточно для уничтожения спутника.

Однако процесс входа спутника в атмосферу является достаточно сложным процессом, где большинство величин переменные, а именно: масса, плотность атмосферы, скорость падения спутника, что в расчете не учтено. Также не учтена энергия, уходящая на нагрев воздуха, соприкасающегося со спутником, энергия на унос материала спутника, световая и звуковая энергии. Следует также отметить, что спутник рассматривался как материальная точка, поэтому его аэродинамические свойства не учитывались. Для более точного расчета необходима сложная вычислительная техника.

Однако, однозначно можно сделать выводы что основная энергия будет уходить на нагрев воздуха обтекающего спутник, что может привести к недостатку энергии, что может стать следствием неполного сгорания спутника. С другой стороны важным фактором является площадь соприкосновения спутника с атмосферой, поэтому для более полного сгорания необходимо увеличить площадь соприкосновения с атмосферой.

Аналогично сгоранию спутника можно рассмотреть горение дерева. Для примера возьмем горение дерева, при его расколе на более мелкие части скорость сгорания увеличивается в разы по сравнению с цельным куском.

2.3. Задачи, решаемые полезной моделью

Полезная модель может быть использована в космической технике для исключения падения на землю крупных фрагментов космических аппаратов, отработавших свой ресурс.(Приложение №1)

Известен способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления (см. патент РФ №2092409 с приоритетом от 16.11.1993)

Сущность изобретения: на орбиту выводят и развертывают крупногабаритную пленку, ориентируя её плоскость нормально к направлению полета и поддерживая натяжение и ориентацию пленки, в том числе после соударения со встречными объектами, посредством реактивных двигателей, установленных на концах выдвижных штанг каркаса, соединенных с прямоугольной пленкой по меньшим её сторонам.

Данное устройство является дорогостоящим, так как для его вывода на орбиту требуется специальная ракета.

Известен так же способ разрушения фрагментов космического мусора (см. патент РФ №2204508 с приоритетом от 22.04.2002) заключающийся в том, что на пути следования фрагментов космических аппаратов устанавливается препятствие в виде искусственного облака, состоящего из мелкодисперсных частиц. В качестве материала частиц используется взрывчатое вещество.

Данный способ так же дорогостоящий и не обеспечивает разрушения космических аппаратов на заранее заданные фрагменты.

Решаемой задачей настоящей полезной модели является обеспечение разделения космического аппарата на определенные фрагменты, которые гарантированно сгорают в плотных слоях атмосферы.

Технический результат достигается тем, что с внутренней стороны корпуса космического аппарата в заданном порядке установлен детонирующий удлиненный заряд кумулятивного типа с детонатором, воспламенителем и механизмом предохранения, связанными с системой задействования, который позволяет разрушать на фрагменты, сгорающие в плотных слоях атмосферы.

На чертеже представлена схема устройства для разрушения крупногабаритных космических аппаратов.

Устройство содержит детонирующий удлиненный заряд (ДУЗ), установленный на внутренней стенке корпуса космического аппарата, воспламенитель, детонатор.

С целью предотвращения несанкционированного срабатывания ДУЗа установлен механизм предохранения с пиропатроном и поршнем, перекрывающим в исходном положении канал между детонатором и воспламенителем.

Количество ДУЗов и их расположение зависит от требуемых размеров фрагментов.

Устройство работает следующим образом: По команде от системы задействования (на чертеже не показана) срабатывает пиропатрон и поршень род действием газов освобождает огневой канал. Последующей командой на воспламенитель срабатывает детонатор, инициируя ДУЗ, и за счет кумулятивного эффекта материал корпуса космического аппарата, находящийся под ДУЗом разрушается и происходит разделение корпуса на фрагменты. (приложение №2)

Заключение

Проанализировав особенности падения спутников, а так же изучив существующие способы и технические решения для разрушения спутников, мы пришли к выводу, что данная тема малоизученна.

1. Тема данного проекта актуальна, поскольку активность деятельности человека в космосе увеличивается, что приводит к увеличению количества и масс спутников. И как следствие увеличивается вероятность падения спутников на землю, а ввиду больших масс эти спутники могут привести к катастрофам.

1. Предлагаемые варианты уничтожения спутников (сети, огромные зонтики, лазеры и т. п.) требуют больших экономических затрат (запуск дополнительных ракет), а также малоэффективны.

1. Предложенный в данном проекте способ уничтожения спутников путем их деления на фрагменты, величина которых рассчитана на полное их сгорание в плотных слоях атмосферы. Данное предложение требует намного меньших затрат в сравнении с существующими аналогами.

1. Чтобы свести риск падения спутников на поверхность Земли необходимо всем странам участвующих в космической деятельности заключить соглашение обязывающее устанавливать на всех космических аппаратах устройство для деления их на фрагменты, которые гарантированно сгорают в плотных слоях атмосферы.

Список литературы:

1. Феодосьев В. И. Основы техники ракетного полета. «Наука», 1981г.

2. Воробьев Ю.Л., Локтионов Н.И., Фалеев М.И., Шахраманьян М.А., Шойгу С.К., Шолох В.П. Катастрофы и человек. Книга 1. Российский опыт противодействия чрезвычайным ситуациям. М.: «Издательство АСТ-ЛТД», 1997 г, 255 с.

3. Воробьев Ю.Л., Локтионов Н.И., Фалеев М.И., Шахраманьян М.А., Шойгу С.К., Шолох В.П. Катастрофы и человек. Книга 2. Российский опыт противодействия чрезвычайным ситуациям. М.: «Издательство АСТ-ЛТД», 1997 г, 255 с.

4. http://www.rbc.ru/

5. http://ufo-komi.narod.ru/

6. http://2012over.ru/

7. http://forums.airbase.ru/2002/06/

8. http://satelliterecords.org.ua/faq/

9. http://www.membrana.ru/particle/

Код для цитирования: Скопировать