ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К...

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ

АСТЕРОИДУ 2001АСТЕРОИДУ 2001 JV1 JV1 С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ОРБИТЫ С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ОРБИТЫ

ВЗРЫВОМВЗРЫВОМ

Ю.Ф. Колюка, Т.И. АфанасьеваЮ.Ф. Колюка, Т.И. Афанасьева

ТарусаТаруса, 201, 20144

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВОЦентральный НИИ машиностроения

1

Основание и цели работыОснование и цели работы

2

Седьмая Рамочная Программа ЕврокомиссииПроект «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 ПООдля выбранного способа воздействия.

Седьмая Рамочная Программа ЕврокомиссииПроект «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 ПООдля выбранного способа воздействия.

Цели и задачи миссии в варианте взрываЦели 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

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-миссииТребования 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: ~ 100600 м (абсолютная звездная величина Н ~ 1924) 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)

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: ~ 100600 м (абсолютная звездная величина Н ~ 1924) 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 Выбор астероида 2001 JV1 JV1 в качестве объекта-целив 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.

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 Орбита астероида 2001 JV1JV1

6

Изменение Изменение RR и и dd в пределах периода обращения в пределах периода обращения астероидаастероида 2001 JV 1 2001 JV 1

7

R- расстояние до Солнцаd – расстояние между орбитами астероида и Земли

Изменение эклиптических координат Изменение эклиптических координат λλ, , ββ и и dd в в пределах периода обращения астероидапределах периода обращения астероида 2001 JV 1 2001 JV 1

8

Изменение расстояний Изменение расстояний ρρА-ЗА-З и расстояний и расстояний dd на на интервале времени 2020-2042 гг.интервале времени 2020-2042 гг.

9

10

Возможность существования спутника уастероида 2001 JV1

10

зХарактеристики движения КА по орбите вокруг астероида 2001 JV1

> А

= =

0.6 км ≤ ≤ 1.6 км

≥ 300 м

Характеристики движения КА по орбите вокруг астероида 2001 JV1

А

сфr

5

2

S

AA m

mR RА0.4538810-8А

сфr

А

сфr

Аsatr

Радиус орбиты , м 300 400 500

Орбитальная скорость, м/с 0.025 0.021 0.019

Период обращения, час 21.13 32.53 45.47

Аsatr

Сценарий демонстрационной миссииСценарий 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

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)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

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 миссииУсловия 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 ~ 304320 c

Скорость отлета КА от Земли V∞≤7000 м/c

Импульс торможения при подлете к астероиду ∆VТ≤1000 м/с

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 ~ 304320 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 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)

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

м15

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:

-0.3910-5 ≤ ∆е ≤ 0.3910-5

Наибольшее изменение орбиты будет при направлении ∆VА вдоль VA(t0). При ∆VА ~ 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

м17

cos2 A

S

A VaV

a

a

Характеристики орбитального движения астероида Характеристики орбитального движения астероида 2001 2001 JV1 JV1 в период миссии 2021 годав период миссии 2021 года

16

Энергетические характеристики «перехватывающего» Энергетические характеристики «перехватывающего» перелета к астероиду перелета к астероиду 2001 JV1 2001 JV1 при стартах в начале при стартах в начале

марта и начале мая 2021 годамарта и начале мая 2021 года

17

Энергетические характеристики перелета к астероиду Энергетические характеристики перелета к астероиду при старте 28.06.2021 для разных дат подлетапри старте 28.06.2021 для разных дат подлета

18

Характеристики баллистических схем полета к Характеристики баллистических схем полета к астероиду 2001 астероиду 2001 JV1 JV1 при старте 28.06.2021при старте 28.06.2021 для для

разных дат подлетаразных дат подлета

19

Дата подлета

Время перелета,

сут

Угол перелета,

град

∆Vстарта,

км/с

V∞ отлета,

км/с

∆Vподлета,

км/с

∆V, 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

Условия для бортовой навигации при подлете КА к Условия для бортовой навигации при подлете КА к астероиду 2001 астероиду 2001 JV1 JV1 в период миссии 2021 годав период миссии 2021 года

20

Гелиоцентрическая орбита перелета КА к астероиду Гелиоцентрическая орбита перелета КА к астероиду 2001 2001 JV1JV1 при старте 28.06.2021 при старте 28.06.2021

21

ЗаключениеЗаключение

22

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 может быть практически реализована в 2021-2022 гг. на основе существующих (или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетно-космической техники, космических технологий и инфраструктуры

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 может быть практически реализована в 2021-2022 гг. на основе существующих (или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетно-космической техники, космических технологий и инфраструктуры