Текст книги "Космос. Все о звёздах, планетах, космических странниках"
Автор книги: Борис Пшеничнер
Соавторы: Оксана Абрамова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 23 страниц)
Защита на близких подступах к Земле становится необходимой, когда опасный объект открыт уже на подлёте – за считанные недели, дни или даже часы до столкновения. Ближний перехват придётся применять против объектов неотвратимой угрозы, поперечник которых, скорее всего, не превысит 100 м. Во-первых, именно такие ОКО составляют абсолютное большинство, а во-вторых, крупные объекты, вероятно, удастся обнаружить на большем расстоянии.
Наиболее экологично вблизи Земли использовать против опасного объекта кинетическую энергию
удара. Для организации и проведения ближнего перехвата ОКО или их фрагментов в условиях дефицита времени многие специалисты считают технически целесообразным и экономически выгодным использовать ракетные комплексы мобильного базирования: наземные, морские, авиационные. Это может оказаться совершенно необходимым на первом этапе развертывания космической защиты при ограниченных возможностях заблаговременного обнаружения ОКО.
Авторы таких предложений подчёркивают преимущества ракетных комплексов мобильного базирования по сравнению с ракетными системами, запускаемыми с существующих космодромов. Прежде всего эти системы более оперативны, что особенно важно в условиях короткого времени до столкновения. Такие системы обеспечат оперативность доставки ракетных систем в точку старта и малое время подготовки к пуску. Мобильные комплексы должны нести оперативное дежурство и быть постоянно готовы к пуску.
Отличающиеся особой мобильностью комплексы воздушного базирования могут оказаться единственно возможным средством перехвата при позднем обнаружении ОКО.
Ракету «Пегас» подвешивают к нижней части фюзеляжа самолёта-носителя
Воздушные и морские стартовые комплексы уже находят применение в практической космонавтике. Воздушные старты ракет на космическую орбиту – проблема практически решённая. В США с летящего самолёта давно запускают космическую ракету «Пегас XL». Именно таким способом 25 января 2003 г. с самолёта OSC L-101 1 была запущена ракета «Пегас» с исследовательским спутником на борту. Спутник SORCE (Solar Radiation and Climate Experiment) проводил измерение интенсивности приходящего к Земле солнечного излучения. Отделение от самолёта и старт ракеты в атмосфере произошёл на высоте 12 км над Атлантическим океаном в 160 км к юго-востоку от космодрома на мысе Канаверал. Другой запуск ракеты «Пегас» с самолёта Б-52 был произведён в экваториальной зоне вблизи Гавайских островов над Тихим океаном 27 марта 2004 г. «Крылатый космодром» наиболее мобилен в сравнении с другими типами стартовых комплексов. Он обеспечивает возможность оперативного выбора места старта в зависимости от координат и траектории опасного объекта.
Одним из ярких примеров возможного применения коммерческой космической системы в случае возникновения угрозы столкновения с ОКО служит реализуемый с 1990 г. международный проект «Морской старт». Основной целью этого проекта является оказание услуг на коммерческой основе по запуску космических аппаратов (КА) с мобильной стартовой платформы морского базирования. Для реализации проекта была создана международная компания «Sea Launch» («Морской старт»), которую учредили крупнейшая в США авиастроительная и космическая компания «Боинг», ведущее российское предприятие космической отрасли Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. СП. Королёва, крупнейшая в Европе норвежская судостроительная компания «Кварнер», аэрокосмические предприятия Украины Государственное конструкторское бюро «Южное» и Производственное объединение «Южмашзавод». Они выполнили колоссальный объём наукоемких и высокотехнологичных работ, завершившихся первым демонстрационным запуском.
Плавучий космодром состоит из стартовой платформы «Одиссей» и сборочно-командного судна. Самоходная полупогружаемая стартовая платформа типа катамаран построена в г. Ставангер (Норвегия) на базе морской платформы для нефтедобычи. Она оснащена стартовым столом, установщиком ракеты, системами заправки компонентами топлива и другими системами, обеспечивающими подготовку и запуск ракеты.
В порту сборочно-командное судно (СКС) используется как сборочный цех, а в открытом море становится центром управления подготовкой и пуском ракеты-носителя. Во время пуска на СКС помимо экипажа размещаются специалисты по обслуживанию ракетно-космической техники и управления пусками.
Старт ракетоносителя «Зенит-3СЛ» 21 августа 2006 г. Ракета вывела на геостационарную орбиту новый спутник связи «Koreasat-5»
Согласно проекту большинство спутников выводится на геостационарную орбиту из экваториальной зоны Тихого океана вблизи острова Рождества. Эти запуски выполняются с океанской платформы с помощью космической ракеты «Зeнит-3SL» с разгонным блоком ДМ-SL. В обеспечении запусков используются спутники-ретрансляторы. Созданная система позволяет выводить на геостационарную орбиту почти 3 т полезного груза, на высокоэллиптическую орбиту (апогей 36 000 км) – 5,7 т.
Проведение запусков с экватора дает возможность максимально использовать эффект вращения нашей планеты: добавить к скорости ракеты скорость суточного вращения Земли, которая на экваторе равна 500 м/с. Это снижает удельную стоимость доставки полезного груза на заданную орбиту. Не случайно космические державы стремятся расположить свои стационарные космодромы поближе к экватору.
Реализация международного проекта «Морской старт» – пример объединения научно-технических возможностей предприятий разных стран для разработки и осуществления масштабных космических проектов двойного назначения.
Ещё один пример перспективности использования коммерческих космических комплексов для космической защиты – спутниковые навигационные системы. Долгое время американская глобальная навигационная система GPS была единственной, услугами которой на коммерческой основе пользовались различные организации и частные лица. В нашей стране развивается система навигации ГЛОНАСС. В мае 2014 г. группировка ГЛОНАСС насчитывала 29 спутников, 24 из них использовались по целевому назначению – располагались в трёх плоскостях по 8 аппаратов в каждой. Кроме того, 4 аппарата были в орбитальном резерве, 1 – на этапе лётных испытаний. Коротко говоря, отечественная навигационная система ГЛОНАСС была полностью развёрнута.
Понятно, что объединённая система навигации может в случае надобности стать частью всемирного комплекса космической защиты Земли.
Подобным же образом могут занять свое место в международном комплексе космической защиты Земли широко используемые сегодня спутниковые телекоммуникационные системы и средства дистанционного зондирования земной поверхности.
Многие специалисты в инициативном порядке разрабатывают и предлагают оригинальные проекты средств воздействия на опасные объекты.
В Центральном физико-техническом институте Министерства обороны России была исследована возможность эффективного применения энергии удара для разрушения астероидов. Исследование показало, что перехватчик массой 500 кг способен разрушить астероид до 1 5 м, перехватчик в 20 т разрушит ОКО поперечником не менее 50 м. Перехват безопаснее проводить за пределами воздушной оболочки Земли. Это обеспечит наибольшую скорость входа осколков в атмосферу, что необходимо для более полного их разрушения в воздухе. Расчёты проводились для однородных прочных каменных и железных астероидов. Понятно, что теми же «ударниками» можно будет разрушить рыхлые объекты гораздо большего размера.
Ракета-носитель «Союз-ФГ» перед стартом на космодроме Байконур 28 декабря 2005 г.
Необходимая точность выполнения всех этапов защитной операции может быть обеспечена при старте перехватчика с околоземной орбиты. Расчёты, выполненные в Институте проблем механики, показали, что для разрушения каменных астероидов поперечником от 1,5 до 3,9 км необходим удар цилиндром массой 1000 т с начальной скоростью 50–79 км/с. Ни сегодня, ни в обозримом будущем такие массы нельзя вынести даже на низкую орбиту. Но поскольку в ближайшие годы столкновение с ОКО такого размера маловероятно, можно накопить нужную массу в заданной точке околоземной орбиты постепенно, возможно, за десятилетия. И лишь в «час X» её надо будет разогнать в нужном направлении с необходимой скоростью. Такой «ударник» благодаря сейсмическим волнам в камне разрушит опасное тело на части, которые испарятся в атмосфере Земли.
Кинетический эффект удара такой большой массы может быть эквивалентен термоядерному взрыву, но экологически он гораздо более безопасен.
Перспективный способ взаимодействия угрожающему телу был предложен на Международной конференции «Астероидная опасность» (г. Санкт-Петербург, ИТА РАН, 1999 г.) учеными Центра программных исследований РАН Чернявским Г.М. и Чудецким Ю.В. На пути угрожающего тела предлагалось создать искусственное облако из частиц. Процесс взаимодействия частиц с поверхностью тела при скоростях более 10 км/с подобен физике образования ударных кратеров. Явление сопровождается выбросом вещества тела, масса которого может превышать массу ударяющей частицы в 103 раза в зависимости от относительной скорости соударения. Одновременно за счет выброса вещества возникает реактивная сила, которая тормозит тело. Расчёты показывают, что указанный способ в настоящее время вполне возможно осуществить для угрожающих объектов, которые по своим размерам сравнимы с Челябинским метеоритом (10–20 м). Создание искусственного облака в космосе – технически решённая задача. В 1963 г. искусственное облако из 480 млн. медных иголок общей массой 20 кг было образовано в космосе ракетой Тор-Аджена (США). Облако вращалось вокруг Земли с периодичностью 166 мин на высоте 3700 км в течение нескольких месяцев.
Завершение монтажных работ на навигационном спутнике ЕКА GIOVE-A
В критических ситуациях, связанных с малым временем до столкновения Земли с космическим объектом большого размера, единственным способом защиты нашей планеты может стать ядерный удар.
Расчеты и эксперименты показывают, что ОКО размером до 100 м удастся отклонить от Земли при «мягком» воздействии на них проникающего излучения от приповерхностного ядерного взрыва энергией около 10 Мт. И это удастся сделать, если перехватить опасное космическое тело на расстоянии всего нескольких земных радиусов. Основную роль в создании механического импульса выполнит поток нейтронов, порождённый взрывом. Такой способ воздействия не разрушит ОКО и позволит избежать риска столкновения Земли с его осколками. Но если АСЗ будет так поздно обнаружен, что для операции отклонения не останется времени, его придётся разрушить.
В этом случае, как мы уже говорили, скорее всего космической защите придётся иметь дело с небольшим объектом поперечником до 100 м.
Какую технологию взрыва надо будет использовать?
Как показывает опыт ядерных испытаний, при поверхностном взрыве доля энергии, передаваемой в грунт, составляет всего около 8%. Необходим более эффективный глубинный термоядерный взрыв, который должен раздробить встречный объект на осколки. И осколки эти должны быть меньше 10 м каждый. В этом случае значительную часть энергии падающего тела примет на себя атмосфера.
Но как внедрить ядерный заряд в тело летящего к Земле ОКО? Есть расчёты, что потребуется как минимум два удара. Первый механический удар должен «вырыть» достаточно глубокую нишу в приближающемся объекте, а второй произведёт в нише термоядерный взрыв. Если использовать шарообразный массивный «ударник» (лидер) диаметром в 1,4 м и ядерное устройство в виде стального конуса длиной 2 м и диаметром основания 1 м, то при расстоянии между ними около k м и при скорости удара 30 км/с ядерный заряд окажется в теле астероида на глубине более 3 м. При этом конструкция ядерного устройства не будет повреждена. Такой глубины вполне достаточно, чтобы тепловая волна от взрыва мощностью 1 Мт не вышла на поверхность.
Проникающую способность ударного модуля можно увеличить, если придать его головной части звездообразную форму. При подлёте к опасному объекту из головной части проникающего модуля выстреливается сверхпрочный стержень, который пробивает в нем удлинённую каверну на глубину более 50–75 м. В этом случае летящий вслед за стержнем проникающий модуль с ядерным зарядом практически не испытывает перегрузки. По расчётам сотрудника МГТУ им. Н.Э. Баумана В.А. Велданова, в предлагаемом варианте астероид поперечником 1–3 км может быть разрушен перехватчиком, который доставит систему проникания массой около 5 т при скорости встречи от 25 до 75 километров в секунду.
Американский космический корабль «Атлантис» причалил к российской станции «Мир»
При разрушении массивного объекта на крупные фрагменты вблизи Земли существует опасность их суммарного катастрофического воздействия. Вот почему следует стремиться к дроблению ОКО на мелкие части и на максимально далёком расстоянии от Земли. В этом случае осколки успеют так широко рассеяться в пространстве, что в земной шар попадёт лишь малая их часть.
Последствия взрыва в очень большой степени зависят не только от размера опасного объекта, но также от его формы, состава и структуры. Вот почему так важно успеть выяснить все эти и некоторые другие параметры ОКО.
Основу космических средств защиты землян от астероидной опасности, несомненно, составят автоматические аппараты. Возможно, лишь для технического обслуживания или модернизации к ним по мере необходимости будут летать космонавты-операторы.
Защита на дальних рубежах
Для воздействия на потенциально опасные, но пока далекие от Земли космические объекты будут применены наиболее мощные ракеты-носители, стартующие со стационарных космодромов. Мы имеем в виду, например, отечественные «Протон» и «Энергию». Расскажем коротко об их возможностях.
Ракета «Протон» – самая большая из используемых ныне космических ракет. При общей длине 44,3 м и поперечнике до 7,4 м ракета способна вывести на околоземную орбиту более 20 т полезного груза. Тяжёлая ракета-носитель «Протон» использовалась в двух– и четырёхступенчатом вариантах. Первый «Протон» запущен в 1965 г. С тех пор ракеты этой серии доставили в космос десятки тяжёлых спутников, орбитальные станции «Салют», все модули орбитальной станции «Мир», а также основные и дополнительные модули Международной космической станции (МКС). В четырёхступенчатом варианте «Протон» выводил автоматические межпланетные станции к Луне, Венере и Марсу.
Успешные испытания сверхтяжёлого ракетно-космического комплекса «Буран-Энергия» прошли 15 ноября 1988 г.
Допустим, опасный объект нам удалось обнаружить за несколько витков до столкновения. До возможной встречи – десятилетия. В этом случае наиболее оптимальным было бы решение изменить его орбиту на пролетную. (Для разрушения объекта потребуется гораздо больше энергии.) Возможны два варианта решения задачи: мощный удар по опасному объекту или длительное воздействие на него. Сегодня теоретически более проработаны варианты ударного – импульсного воздействия на опасные космические объекты для одномоментного изменения его орбитальной (гелиоцентрической) скорости. Этого можно добиться кинетическим ударом по объекту либо термоядерным взрывом.
Проще всего спланировать столкновение посланного зонда с опасным объектом. Правда, для этого зонд должен обладать очень большой массой.
В любом случае к обнаруженному небесному телу придётся запускать космический аппарат, который доставит средство воздействия.
Как показывают расчёты, для выполнения задач противодействия на дальних рубежах возможны несколько вариантов траекторий.
Траектория типа «перехват» – с целью столкновения на встречных курсах – понадобится для нейтрализации долгопериодической кометы или вновь открытого астероида, сближающегося с Землёй.
При воздействии вдоль траектории движения опасного объекта для уменьшения или увеличения его скорости более эффективна встреча с ОКО в перигелии его орбиты. Это будут полёты типа «рандеву» на большом удалении от Земли. В случае встречи вблизи афелия даже при высокой начальной скорости КА (до 20 км/с) скорость встречи будет низкой. Другое дело, если «рандеву» состоится вблизи перигелия. Здесь даже при небольшой начальной скорости космического аппарата скорость столкновения под действием большего притяжения Солнца будет гораздо более высокой.
Ракета-носитель тяжёлого класса «Протон» предназначена для выведения автоматических космических аппаратов на орбиту Земли и далее в космическое пространство
Это все теоретические соображения и расчёты. Но уже готовятся и реализуются космические эксперименты по активному воздействию на малые космические объекты. Например, по проекту Европейского космического агентства к одному из небольших астероидов будет направлен космический корабль с тяжёлым зондом на борту. Сблизившись с астероидом, аппарат ударит по нему зондом-болванкой. Основной корабль, обращаясь вокруг астероида, должен будет выяснить, как от удара изменилась орбита малого небесного тела. Результаты этого эксперимента позволят рассчитать массу и скорость будущих снарядов, необходимых для изменения орбиты астероидов, «нацелившихся» на столкновение с Землёй. О других активных экспериментах будет рассказано ниже.
Таблица дает представление об эффективности удара космического аппарата массой 49 т по АСЗ в перигелии для отклонения его на 1 млн. км.
| Диаметр АСЗ, м | Необходимое число витков после удара | Необходимое время, годы |
| 10 | 1 | 0,007 (≈ 2,5 суток) |
| 100 | 2 | 6,5 |
| 1000 | 1683 | 6500 |
Из таблицы видно, что импульсный удар имеет смысл для воздействия на ОКО размером менее 100 м. На более крупные объекты эффективнее подействовать термоядерным взрывом. По расчетным данным, применение ядерного заряда мощностью до 100 Мт достаточно, чтобы изменить опасную траекторию на пролётную, даже если мы имеем дело с астероидом поперечником 45 км. Напомним, что самый большой из открытых АСЗ имеет диаметр 40 км.
Уже несколько лет комплексные теоретические проработки проблем создания и применения ядерных средств воздействия (ЯСВ) на ОКО ведут сотрудники Российского федерального ядерного центра в г. Снежинске. Не случайно по инициативе и на базе этого Центра были проведены две первые международные конференции «Космическая защита Земли». Специалисты Центра доказывают, что накопленный опыт в различных областях науки и техники, уровень технологического развития ведущих ядерных держав дают основания полагать, что за сравнительно короткий срок при условии международного сотрудничества может быть создано эффективное и надёжное средство воздействия на ОКО с ядерными зарядами мощностью до 100 Мт. Группа сотрудников Центра во главе с заместителем его научного руководителя В.А. Симоненко предлагает, в частности, проект поэтапного воздействия на ОКО серией ядерных взрывов с коррекцией в зависимости от достигаемых результатов. Этот коллектив учёных предложил подробную программу работ в рамках международного проекта «Ради жизни на Земле – космический щит».
Модель паруса, разработанная НАСА для межзвёздного зонда
Расчёты показывают, что при диаметре опасного объекта около 1 км не важно, где производить ядерный взрыв – на поверхности или на некоторой высоте. С технической же точки зрения осуществить взрыв на поверхности гораздо сложнее – это потребует высокой точности «причаливания» для осуществления мягкого касания. Кроме того, мощный поверхностный взрыв может привести к разрушению ОКО на фрагменты, что далеко не всегда целесообразно. Это тем более справедливо для глубинного термоядерного взрыва. В этом случае энергия взрыва пойдёт не столько на изменение импульса, сколько на разрушение ОКО.
Более экологичным для отклонения опасных объектов долговременным воздействием станет решение укрепить на нём двигатель большой или малой тяги. Для получения необходимого эффекта двигатель большой тяги придётся снабдить десятками или сотнями тонн топлива, а электрореактивный двигатель малой тяги на солнечных батареях должен будет успеть проработать многие десятилетия.
Численное моделирование применения двигателя большой тяги (ДБТ) для отклонения АСЗ для орбиты астероида типа Таутатис (поперечник около 3 км) проводилось академиком Т.М. Энеевым и др. Орбита этого астероида лежит в плоскости эклиптики и имеет перигелий 0,9 а.е. и афелий 4 а.е. Если ДБТ израсходует в очень короткое время 25 т топлива при скорости истечения газа из сопла двигателя 4,5 км/с, то для отклонения астероида на 1 млн. км понадобится в три раза больше времени, чем при столкновении с ОКО космического аппарата массой в 25 т. И это понятно. Ведь скорость столкновения гораздо больше скорости истечения. Кроме того, понадобится дополнительное топливо для торможения КА при его причаливании к опасному объекту.
