УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСПУТНИКА ФОРМАТА CUBESAT КАК СРЕДСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

АННОТАЦИЯ

В данной статье проводится анализ актуальности темы космического мусора и определяются условия применения наноспутников формата Cubesat как средство определения и позиционирования объектов космического мусора.

Ключевые слова наноспутники, cubesat, космический мусор, низкие околоземные орбиты, позиционирование и определение, лазерная система.

Космический мусор (КМ) – это все объекты искусственного происхождения, которые уже не функционируют. К КМ также относятся фрагменты и части ранее функционирующих объектов.

На сегодняшний день общая масса космического мусора на околоземных орбитах оценивается в 7000 тонн. Наибольшее количество КМ (77%) определяется на низких околоземных орбитах (НОО). Данные орбиты имеют высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км.

Проанализировав состав КМ, можно сделать вывод, что большую часть занимают нефункционирующие космические аппараты (20%), ступени ракеты-носителя (11%) и операционные элементы, использующиеся в процессе выведения КА на орбиту (5%) [2]. На рисунке 1 представлено расположение всех каталогизированных объектов в один момент времени в инерциальной системе координат.

Рисунок 1. Положение катализируемых объектов в ОКП

В ходе исследования было определено, что основными причинами образования КМ являются преднамеренные взрывы и непреднамеренные столкновения. На сегодняшний день насчитывается около 250 разрушительных событий, которые повлекли за собой образование большого количества КМ. Наиболее трагичным событием, в результате которого произошло образование наибольшего количества наблюдаемых фрагментов КМ является преднамеренное разрушение Китайского спутника Fengyun-1C в 2007 г. Вторым по количеству образовавшихся фрагментов является столкновение КА Космос 2251 и Iridium 33 [3, 4].

Говоря о проблеме КМ стоит проанализировать основные угрозы, которые создает засорение околоземных орбит. В ходе анализа современных информационных источников были выделены три наиболее важные проблемы:

– угроза столкновения функционирующих космических аппаратов с космическим мусором, что приведет к нарушению функционирования КА и образованию новых фрагментов КМ;

– угроза падения, не сгоревших в атмосфере объектов космического мусора на Землю;

– создание помех для средств наблюдения, что приводит к искажению получаемой информации или получению ложных сведений. Для наглядности все выделенные проблемы, ассоциированные с КМ представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Проблемы, создаваемые КМ

Для решения всех выделенных проблем космического мусора предлагается использовать наностутники формата «CubeSat», в качестве средства для позиционирования и определения объектов КМ.

CubeSat – формат малых (сверхмалых) искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющий размеры 10×10×10см и массу 1кг (обозначаются как 1U (single unit)). Спутники объемом 10×10×20см и массой 2 кг и более (2U) состоят из каркаса двух спутников CubeSat; спутники объёмом10×10×30см, с массой 3 кг и более (3U) состоят из каркаса трех спутников CubeSat.

В ходе анализа современных исследований были определены основные условия применения наноспутника формата CUBESAT как средства определения и позиционирования объектов космического мусора:

1. Определение орбиты, на которой будет проводиться определение и позиционирование объектов космического мусора.
2. Определение категории КМ, который будет определяться и позиционироваться: размер, материал.
3. Подбор метода определения и позиционирования КМ.

Первое условие: определение орбиты. Согласно научным исследованиям, космический мусор неравномерно распределяется на околоземных орбитах, так на НОО сконцентрировано до 77% объектов. Кроме того, для нашего исследования наибольшим интересом представляется определение и позиционирование космического мусора на низких околоземных орбитах из-за функционирования на данных высотах большого количества спутников, которые обеспечивают связь и телевизионное вещание, а также занимаются картографией и гидрологией.

Второе условие: определение размера и материал позиционируемого КМ. Здесь стоит отметить, что вероятность столкновения с КМ зависит от его размера. Так, согласно научным наблюдениям, чаще всего функционирующие КА сталкиваются с мелкими частицами КМ размером менее 1 см. Для наглядности в таблице 1 [1] представлено среднее число столкновений в год КМ разных размеров.

Таблица 1

Среднее число столкновений N_cp в год КМ разных размеров

Кроме размера важным является и материал КМ. Наибольшую опасность представляют твердые объекты, в том числе металлические. Так, столкновения с обломками стали представляют большую опасностью для космических кораблей: мельчайшие объекты повреждения, подобные пескоструйной очисткой, особенно солнечным панелям и оптике, таким как телескопы или звездные трекеры, которые не могут быть легко защищены баллистическим щитом.

Таким образом, в рамках исследования предлагается определять и позиционировать мелкий космический мусор (менее 1 см), который представляет собой большую опасность для КА, обусловленную высокой скоростью движения и большим количеством твердых частиц.

Третье условие: подбор метода определения и позиционирования КМ. В ходе анализа распределения мелкого КМ на низкой околоземной орбите было определено, что большая является твердыми металлическими частицами. Для определения данного типа космического мусора предлагается использование лазерной системы CUBESAT. Тип лазера – красный.

Красный лазер хорошо определяет металлический предмет, потому что металл отражает свет лучше, чем другие материалы. Кроме того, красный лазер имеет длину волны около 650 нм, что позволяет ему проникать на небольшие глубины в металле и отражаться обратно к источнику света. Это позволяет более точно определить расположение и форму металлического предмета.

Для определения объектов рекомендуется выбирать красный лазер из-за его устойчивости к пыли в космическом пространстве. Это обусловлено тем, что красные лазеры имеют более длинную волну, чем зеленые или синие лазеры. Более длинная волна менее подвержена поглощению и рассеиванию.

Таким образом, анализ современных информационных источников позволил определить все необходимые условия для использования наноспутника формата CubeSat в определении и позиционировании космического мусора.

Список литературы:

1. Адушкин, В.В. Об оценке опасности мелкого космического мусора для космической деятельности и экологии Земли // Воздушно-космическая сфера. - 2019. - №3. - С. 72-81.
2. Миронов, В. В. Ретроспектива проблемы космического мусора. Часть 1. Техногенное засорение космического пространства и средства его контроля / В. В. Миронов, И. В. Усовик // Космические исследования. – 2020. – Т. 58, № 2. – С. 117-130.
3. О популяции мелкого космического мусора, её влиянии на безопасность космической деятельности и экологию Земли / В. В. Адушкин, О. Ю. Аксенов, С. С. Вениаминов [и др.] // Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы, Москва, 17 апреля – 19, 2019 года / Под редакцией Л.М. Зеленого, Б.М. Шустова. – Москва: Институт космических исследований Российской академии наук, 2019. – С. 20-32.
4. Трушляков В. И.  Анализ состояния разработок средств очистки орбит в околоземном космическом пространстве от объектов крупногабаритного космического мусора // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». – 2022. - №4. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sostoyaniya-razrabotok-sredstv-ochistki-orbit-v-okolozemnom-kosmicheskom-prostranstve-ot-obektov-krupnogabaritnogo (дата обращения: 10.05.2023).