Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра - Борис Шустов

Далее, очевидным эффектом, сопутствующим кинетическому воздействию, является образование ударного кратера на астероиде. Определенная часть кинетической энергии малого тела при ударе превращается в тепловую и кинетическую энергию вещества, находящегося за фронтом ударной волны, распространяющейся в теле астероида от точки удара. В результате появляется кратер, из которого выбрасывается парогазовый факел, создающий реактивный момент, приложенный к астероиду и дополнительно меняющий его количество движения. Можно предполагать, что при ударе, близком к центральному, изменение скорости астероида должно возрасти сверх значений, рассчитанных для двух исходных моделей.

Кроме того, в случае относительно монолитного астероида сейсмическая волна, распространяющаяся от кратера, может вызвать отколы части небесного тела со стороны, противоположной удару. Отлетающие части тела будут уносить с собой часть общего количества движения. Этот эффект также способен внести свою долю в результирующее изменение скорости ударяемого тела (в данном случае уменьшение).

Наконец, имеется достаточно данных о том, что форма малых астероидов весьма далека от сферической. Это обстоятельство служит еще одной причиной уменьшения количества движения, передаваемого центру масс астероида и, следовательно, расчетной эффективности увода.

Поэтому следует считать, что относительное изменение скорости астероида при кинетическом воздействии определяется отношением масс ударника к телу-мишени, но умноженного на некоторый коэффициент kуд. Этот коэффициент зависит от структурных свойств астероида, степени нецентральности удара и, следовательно, может меняться в значительных пределах. Так, например, в итоговом отчете по астероидной опасности, разработанном в JPL NASA по контракту с фондом B612 в 2008 г. [Yeomans et al., 2008], принимается, что значение коэффициента kуд может изменяться от единицы до пяти.

В результате приращение скорости в общем случае может быть записано в виде

Все вышесказанное свидетельствует о том, что оценки результатов кинетического воздействия будут отличаться большим разбросом, что всегда необходимо иметь в виду. В еще большей степени велика неопределенность расчетов при анализе физического воздействия на астероид ядерным взрывом [Губарев, 2008].

Эти соображения подчеркивают необходимость получения сведений о структуре угрожающего астероида, для которого планируется кинетическое воздействие. Прямым и очевидным способом являются космические миссии к такому астероиду и его исследование с помощью соответствующей научной аппаратуры.

10.6. Возможности доставки средства противодействия к астероиду

Для реализации любых перечисленных способов противодействия (разрушение угрожающего астероида или его увод с траектории столкновения) необходимо доставить в окрестность угрожающего астероида то или иное средство противодействия. Таким средством может быть, например, ядерный заряд определенной мощности, сам космический аппарат (КА) или же доставленный на поверхность астероида реактивный двигатель с запасом топлива, солнечный парус нужного размера с обслуживающей системой управления, запас вещества с заданными свойствами для изменения отражающих свойств поверхности астероида и т. п.

В любом случае, так или иначе, средство противодействия будет характеризоваться определенными размерами и массой. Что касается размеров этих средств, то они обычно размещаются под головным обтекателем ракеты-носителя. В особых случаях, при значительных размерах, можно использовать размещение полезной нагрузки сбоку ракеты-носителя. Примером такого решения служит вывод полезной нагрузки в системах многоразовых космических кораблей «Энергия» — «Буран» и «Спейс Шаттл». В общем, проблему размещения полезной нагрузки на ракете-носителе почти всегда можно разрешить тем или иным образом.

Что же касается массы полезной нагрузки, выводимой на межпланетные траектории, то здесь дело обстоит намного сложнее. Необходимые энергетические затраты ограничивают массу выводимой полезной нагрузки. Наименьшие ограничения имеют место в случае простого полета прямо к астероиду без каких-либо дополнительных маневров в его окрестности. При необходимости маневров вблизи астероида (дальнейшего выхода на орбиту ожидания вокруг астероида и проведения операций посадки на него) вследствие неизбежных дополнительных энергетических затрат ограничения на величину массы становятся более жесткими.

В общем случае максимально допустимая масса КА, несущего определенную полезную нагрузку (под которой следует понимать комплекс выбранных средств противодействия) определяется следующими двумя основными факторами:

— элементами орбиты астероида (в основном большой полуосью, эксцентриситетом и наклонением к плоскости эклиптики);

— массово-энергетическими возможностями средства выведения (т. е. ракеты-носителя и разгонного блока в совокупности).

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов. Известно, что на середину 2010 г. обнаружено более тысячи так называемых потенциально опасных объектов (ПОО), для которых минимальное расстояние между орбитами астероида и Земли не превышает 0,05 астрономической единицы (7,5 млн км).

Выделим среди всех таких ПОО подмножество объектов с наименьшими по отношению к Земле межорбитальными расстояниями. Такие объекты назовем подмножеством возможных объектов противодействия. В качестве критерия отбора объектов в это подмножество условно примем минимальное расстояние их сближения, не превышающее 5 средних расстояний от Земли до Луны (∼ 384 тыс. км). Таким образом, будем считать, что все астероиды, сближающиеся с Землей до расстояний менее∼ 1,9 млн км, могут создавать реальную опасность и, следовательно, быть возможными объектами противодействия.

Рис. 10.9. Основные параметры возможных объектов противодействия

Обращение к полной базе данных ПОО, составляемой JPL NASA, показывает, что число таких возможных объектов противодействия на конец 2008 г. близко к 70. На рис. 10.9 показано распределение больших полуосей и эксцентриситетов (слева) и наклонений (справа) для этих объектов. Кружками условно отображены диаметры астероидов, разбитые на три группы, — малые (100–300 м), средние (300–600 м) и крупные (600–1000 м).

Видно, что орбиты возможных объектов противодействия весьма различны и имеют большой разброс по периоду, эксцентриситету и наклонению. Отсюда следует, что энергетические характеристики ракет-носителей, необходимые для доставки полезного груза к таким астероидам, также будут иметь весьма значительный разброс. В частности, полеты к объектам на орбитах, имеющих значительное наклонение (более 15°) и периоды обращения, заметно превышающие один год, потребуют особо повышенных энергетических характеристик ракет-носителей.

Современная ракетно-космическая техника характеризуется вполне определенными предельными энергетическими возможностями по доставке полезных нагрузок той или иной массы на те или иные орбиты. Поэтому при заданной массе полезной нагрузки некоторые орбиты могут оказаться просто недосягаемыми. Следовательно, приступая к анализу проблемы противодействия выбранным астероидам, необходимо оценить, какая часть множества таких небесных тел оказывается досягаемой для всего спектра имеющихся средств вывода.

В качестве таких средств рассмотрим характеристики следующих современных и перспективных средств выведения:

— «Союз»;

— «Зенит»;

— «Протон»;

— «Ангара».

Эти ракеты-носители (РН) выбраны таким образом, чтобы они по своим возможностям представляли собой практически весь спектр имеющейся как отечественной, так и зарубежной космической техники. В их число не включены носители класса «Сатурн-5/Энергия», так как последние представляют собой пока фактически единичные конструкции, и их практическое применение в будущих космических программах прогнозировать трудно. Впрочем в гипотетическом случае их использования можно взять данные, приведенные для носителя «Ангара», и увеличить допустимые полезные нагрузки в 3,0–3,5 раза.

Основные характеристики выбранных РН представлены в табл. 10.1. Там же приведены оценки масс полезных нагрузок, выводимых на траектории перелета в различные области околосолнечного пространства. В таблице приведена также характеристическая скорость разгона ΔV с опорной круговой околоземной орбиты (высотой 200 км), необходимая для достижения данной области космического пространства.

Оценки допустимых масс полезных нагрузок (ПН) принимались, исходя из следующих исходных предпосылок:

— диапазон характеристик РН выбирался по данным, имеющимся в литературе, с учетом планируемого развития РН на ближайшие годы;