СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ КОМЕТЫ
METHOD OF CHANGING COMET PATH

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для обеспечения безопасности Земли от столкновения с объектами, опасно сближающимися с Землей, в частности кометами, путем изменения траектории их движения.
Основополагающий стратегический подход международного сообщества к проблеме объектов, сближающихся с Землей, состоит в признании реальности угрозы столкновения с учетом того, что вероятность этого невелика, но последствия могут быть катастрофичными, этот стратегический подход состоит также в признании того, что для таких объектов не существует национальных границ и что степень их потенциального воздействия такова, что угроза объектов, сближающихся с Землей, является глобальной проблемой, эффективно решить которую можно лишь на основе международного сотрудничества и координации усилий.
В настоящее время проводятся исследования по снижению опасности объектов, сближающихся с Землей, включая развитие средств наблюдения, обнаружения, измерения и разработки методов воздействия на объекты, сближающиеся с Землей (ОСЗ).
Предлагаемое изобретение относится к заключительной стадии решения комплексной проблемы уменьшения опасности от группы сближающихся с Землей объектов - комет, с целью изменения их первоначальной траектории для увода от Земли на безопасное расстояние.
Предложенные ранее способы воздействия на ОСЗ делятся на два вида:
кратковременное воздействие на ОСЗ (с использованием высокоэнергетических соударений, энергии взрывчатых веществ);
длительное воздействие на ОСЗ (с использованием слабых длительно воздействующих сил).
Предлагаемое изобретение предполагает кратковременное воздействие на комету с целью инициирования длительного воздействия получаемых сил естественного происхождения, изменяющих траекторию движения кометы.
Большой диапазон возможных размеров и траекторий объектов, сближающихся с Землей, а также сроков оповещения о них означает, что проблема необходимого решения также имеет неодинаковые масштабы.
Если время до возможного столкновения не исчисляется несколькими десятилетиями, то для изменения орбиты или дробления опасных объектов предложены способы с применением взрывчатых веществ, в том числе с применением энергии ядерных взрывов.
Так по патенту «Способ изменения траектории движения опасного космического тела и устройство для его реализации», RU №2369533, МПК 7 B64G 1/00 B64G 1/66 2008 г. доставку взрывчатого вещества осуществляют космическим аппаратом в ударных блоках, которые поочередно выпускают из космического аппарата, позиционируют в пространстве при подходе к опасному космическому телу и поочередно воздействуют на опасное космическое в точку на поверхности, соответствующую прохождению траектории ударного блока через центр масс опасного космического тела, при этом подрыв взрывчатого вещества первого блока осуществляют после углубления его путем пенетрации, а остальные ударные блоки поочередно направляют в полученный кратер, в котором осуществляют подрыв взрывчатого вещества.
Известен способ разрушения фрагментов космического мусора по патенту «Способ разрушения фрагментов космического мусора», RU №2204508, МПК 7 B64G 9/00, B64G 1/56 2003 г. путем создания препятствия распылением мелкодисперсных частиц. Несмотря на то, что в описании этот способ отнесен к средствам защиты от метеоритов, для устранения опасности от объектов, сближающих с Землей, такой способ недостаточно эффективен.
Воздействие на объекты, сближающие в Землей класса комет, имеет особенности, заключающиеся в том, что тело кометы состоит из ядра, содержащее ледяную компоненту, свойства которой необходимо учитывать и использовать при расчетах воздействия на комету.
По патенту «Способ отклонения опасных комет с траектории столкновения с Землей», RU №2266240, МПК 7 B64G 1/00 2003 г. предложен способ отклонения опасных комет с траектории столкновения с Землей. По этому способу на комету оказывают тепловое воздействие с помощью источника ядерной энергии после очистки поверхности ядра кометы несколькими ядерными взрывами на полюсе от вращения кометы. На очищенную поверхность сажают космический аппарат с ядерной энергетической установкой для разогрева ядра кометы и создания реактивной тяги от струи, истекающей с поверхности кометы.
Способ по патенту RU №2266240 выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Недостатком реализации способа по прототипу является необходимость использования нескольких ядерных взрывов и ядерной установки при необходимости посадки этой установки на возмущенную поверхность кометы.
Такое решение представляется громоздким и дорогостоящими, с повышенными требованиями к доставляемому к комете весу полезной нагрузки и требованиями по маневрированию около кометы, что повышает риски повреждения элементов ядерной установки.
Недостатком такого варианта также является необходимость использования заряда повышенной мощности, при которой большая доля энергии затрачивается на разрушение кометы, при котором траектории обломков с радиационным заражением непредсказуемы.
Использование ядерного воздействия на комету целесообразно при недостатке времени для реализации иных способов. При обнаружении объекта, сближающего с Землей через достаточно длительный промежуток времени, целесообразно применение других более экологичных воздействий.
Целью данного изобретения является повышение эффективности воздействия на комету, сближающуюся с Землей для изменения ее траектории при одновременном снижении затрат на реализацию миссии.
Для этого используют способ воздействия на комету, основанный на знании ее свойств, структуры, составляющих компонентов, которые получены в результате астрономический наблюдений и моделирования свойств кометы. Кроме того, предполагается возможность дополнительного исследования опасных комет космическим средствами - аппаратами разведчиками.
Сущность изобретения заключается в том, что на комету осуществляют воздействие веществом, например, в виде облака, оптимизированным по массе и по размеру гранул, с целью частичного удаления поверхностного слоя с ядра кометы, который состоит из грязекаменных отложений пониженной теплопроводности.
В результате обнажения ядра кометы, состоящего из преобладающей ледяной компоненты и, соответственно, усиления воздействия на эту компоненту солнечного излучения, активизируется процесс испарения и сублимации из ядра кометы, появляются дополнительные истекающие струи - джеты, которые создают реактивную силу длительного воздействия, влияющую на изменение траектории кометы, достаточную для устранения опасного сближения с Землей.
Воздействие на поверхностный слой кометы осуществляют средствами, рассчитанными по модели кометы, построенной по астрономическим наблюдениям и космическим измерениям, учитывающей ее структуру, массу, форму, параметры движения, толщину, состав поверхностного слоя.
Решение задачи срыва поверхностного слоя с ядра на расчетном участке осуществляют с помощью высокоскоростного воздействия облака гранул, размер которых и суммарную массу определяют в зависимости от параметров поверхностного слоя кометы, толщины и состава этого слоя, с учетом параметров баллистических расчетов, включающих скорость столкновения угол встречи с кометой, время полета кометы после воздействия.
По современным представлениям поверхностный слой на ядре кометы состоит из грязекаменных отложений, средней толщиной слоя до 30 см, с постепенным его нарастанием по мере увеличения циклов движения кометы вокруг Солнца.
Для оптимизации воздействия на комету с целью получения дополнительной длительно действующей реактивной силы, изменяющей ее траекторию орбиты, определяют площадь необходимого вскрытия поверхностного слоя с учетом собственного вращения кометы, расстояние от Солнца, как источника энергетического воздействия на процесс истекания струй из ядра кометы.
Предлагаемый способ основан на использовании устройства космического аппарата и технологии его применения с предварительной наземной и космической разведкой объекта, сближающегося с Землей, и наведения космического аппарата на этот объект.
Способ изменения траектории движения кометы, сближающейся с Землей, заключающийся в ударном воздействии на ее поверхность веществом, доставляемым к комете космическим аппаратом, оснащенным хотя бы одним ударным блоком с использованием средств наведения на комету, отличающийся тем, что из космического аппарата на траекторию встречи с кометой выпускают один из ударных блоков и при подходе к комете, со стороны, освещенной Солнцем, выбрасывают из ударного блока вещество в виде гранул, с последующим преодолением этими гранулами поверхностного слоя кометы и взаимодействием с ее ледяным ядром, обеспечивающим удаление участка этого поверхностного слоя, при этом с борта космического аппарата осуществляют контроль процесса изменения альбедо кометы, формирования газопылевого облака вокруг кометы, появления и величину выбросов, по параметрам которых определяют изменение траектории движения кометы и оценивают степень уменьшения опасности сближения кометы с Землей, и по результатам оценки воздействия первого блока осуществляют выпуск последующих ударных блоков, выбрасывающих облако гранул, наводимое на участок поверхности кометы с уцелевшим поверхностным слоем.
Размер гранулы определяют из условия преодоления гранулой поверхностного слоя кометы. Для этого радиус сферического кратера R, возникающий после удара гранулы в поверхностный слой должен быть равен или больше толщины h поверхностного слоя кометы.
R≥h
Размер гранулы определяют по формуле
где
r - радиус гранулы;
h - толщина поверхностного слоя кометы;
t
ρ - плотность гранулы;
t
Q - энергия разрушения (испарения) гранулы;
V - относительная скорость гранулы;
R
ρ - плотность поверхностного слоя кометы;
R
Q - энергия разрушения (испарения) поверхностного слоя кометы.
Для расширения диапазона применения предлагаемого способа по относительным скоростям входа гранул в поверхность кометы гранулы вещества, выбрасываемого из ударного блока, выполняют из энергоконцентрированного вещества, то есть обладающего повышенной внутренней энергией, например химической, в частности, соответствующее взрывчатое вещество, которое инициирует выделение тепловой энергии при прохождении поверхностного слоя кометы. Это позволяет повысить эффективность срыва поверхностного слоя кометы при низкоскоростном взаимодействии облака гранул с кометой.
Для повышения пробиваемости поверхностного слоя кометы и активизации взаимодействия с ядром кометы гранулы вещества, выбрасываемого из ударного блока, выполняют с покрытием слоем термостойкого вещества, толщину слоя которого определяют в зависимости от величины прогнозируемой толщины поверхностного слоя ядра кометы.
Существо предлагаемого способа иллюстрируют следующие рисунки.
Фиг.1 - вывод космического аппарата на траекторию встречи с кометой.
Фиг.2 - выпуск из космического аппарата ударного блока.
Фиг.3 - выброс из ударного блока облака гранул.
Фиг.4 - подход облака гранул к заданному участку поверхности кометы.
Фиг.5 - вскрытие гранулами поверхностного слоя ядра кометы.
Фиг.6 - воздействие гранулы на поверхностный слой кометы
Фиг.7 - создание участка открытой поверхности ядра кометы.
Фиг.8 - активизация истечения вещества ядра кометы и создание реактивной силы, действующие на ядро кометы.
Фиг.9 - силы, действующие на комету.
Фиг.10 - траектории движения Земли, кометы, космического аппарата.
Космический аппарат 1 (фиг.1) с ударными блоками 2, оснащенными контейнерами с веществом в виде гранул, необходимыми служебными системами, включая системы связи и наблюдения, средствами наведения и самонаведения на комету выводят на траекторию встречи с кометой 3 со стороны, освещенной Солнцем 4.
При приближении к комете из космического аппарата 1 (фиг.2) выпускают ударный блок 2, наводимый на комету 3, на заданный участок ее поверхности. Ударный блок наводят на комету в активном режиме, с использованием системы самонаведения этого ударного блока.
При подходе к комете 3 (фиг.3) на расстояние, определяемое скоростью сближения и размерами заданной поверхности воздействия S на комете, из ударного блока выбрасывают вещество в виде гранул 5, образующих облако 6, направленное на столкновение с участком S поверхности 7 кометы с ледяным ядром 8 (фиг.4).
Врезаясь в поверхностный слой 7 (фиг.5), состоящий из отложений и камней, гранула 5 пробивает его и достигает ледяного ядра 8.
Процесс взаимодействия высокоскоростной гранулы с поверхностным слоем при прохождении через него происходит с выделением тепловой энергии и носит взрывной характер, включая образование паровой водяной струи при достижении ледяного ядра.
t
t
R
R
На рисунке (фиг.6) показано воздействие гранулы на поверхностный слой кометы. Гранула радиуса r с относительной скоростью V при попадании в тело кометы образует кратер радиусом R. На рисунке представлен вариант падения гранулы по нормали к поверхности кометы. Толщина поверхностного слоя кометы h, средняя по поверхности участка воздействия S на комету, ρ - плотность гранулы, Q - энергия разрушения (испарения) гранулы, ρ - плотность вещества поверхностного слоя, Q - энергия разрушения (испарения) вещества поверхностного слоя.
Условие преодоления гранулой поверхностного слоя кометы R≥h. Выполнение условия достигается выбором размера гранулы, ее состава и структуры.
Суммарное действие гранул облака обеспечивает вскрытие поверхностного слоя на участке S, фрагментацию его на отдельные обломки 9 и их удаление (фиг.7).
Очищенный участок поверхности ледяного ядра кометы под воздействием солнечной радиации становится источником истечения струй вещества кометы 11 (фиг.8) из-за процессов сублимации компонентов ядра кометы (появления джетов). Этот процесс приводит к возникновению дополнительной реактивной силы Fsub, воздействующей на центр массы кометы, и собственное вращение кометы Ω. Реактивная сила Fsub, несмотря на то, что является переменной но направлению и величине, в зависимости от величины вращения кометы вокруг своего центра масс, в результате длительного воздействия приводит к изменению траектории кометы и достижению необходимой величины промаха от столкновения с Землей.
На фиг.9 показаны силы, действующие на ядро кометы, где:
Fg - сила притяжения к Солнцу;
Fr - радиальная составляющая;
Ft - трансверсальная составляющая;
Fn - нормальная составляющая;
Fsub - реактивная сила от процесса сублимации ледяного ядра кометы;
F - результирующая сила с учетом возникновения дополнительной.
На фиг.10 показаны:
1
2
траектория орбиты Земли с позициями запуска космического аппарата к комете Т и моментом опасного сближения с кометой Т;
траектория полета космического аппарата к комете, где А - участок выпуска ударного блока и последующего выброса облака гранул, В - участок контроля за процессами на комете и С - последующие дополнительные пуски ударных блоков к комете;
траектория орбиты кометы и ее изменение в результате воздействия. L - величина достигаемого промаха кометы относительно Земли за весь период сублимационного процесса на комете после воздействия на нее.
Положительным качеством предлагаемого способа, обеспечивающим получение технико-экономического эффекта от реализации предлагаемого изобретения, является сравнительная по отношению к прототипу простота технического решения и меньшая стоимость реализации.
Технический эффект реализации способа заключается в уменьшении массы груза, необходимого для изменения траектории движения кометы, что позволяет увеличить радиус действия системы защиты Земли от столкновения с кометой и обеспечить безопасность Земли при угрозах столкновения с кометами, движущимися по опасным траекториям.
Способ воздействия на поверхностный слой кометы не требует наведения строго на центр масс кометы, что снижает требования к системе наведения. Использование активизации естественных процессов, создающих после снятия участка поверхностного слоя кометы реактивную силу, изменяющую траекторию движения кометы в течение всего периода времени приближения кометы к Земле, позволяют уменьшить размеры ударных средств, доставляемых к комете.
Срыв поверхностного слоя ядра кометы является спусковым механизмом, обеспечивающим запуск естественных природных процессов сублимации ледяной компоненты ядра.
Способ не предъявляет строгих требований к обеспечению необходимого направления вектора реактивной силы, образуемой от увеличения процесса сублимации кометного ядра, так как увеличение промаха кометы мимо Земли происходит при изменении траектории движения кометы, даже если направление и величина этого вектора изменяются в широких пределах.
Для обеспечения необходимого уровня надежности операции воздействия на комету после первого воздействия на поверхностный слой кометы обеспечивают наблюдение за процессами на комете аппаратурой наблюдения космического аппарата, определяют величину достигаемого промаха и при необходимости осуществляют последующее воздействие дополнительными ударными блоками для расширения или корректировки очищенной поверхности ядра кометы.
Меньший вес необходимого доставляемого полезного груза, по сравнению с решением посадки блока на комету по прототипу, позволяет обеспечить воздействие на комету на большей дальности от Земли, что расширяет перечень комет, доступных для воздействия на них и, в конечном счете, уменьшает риск столкновения с опасными кометами и повышает безопасность Земли.