Записки 2008 года

Вопросы безопасности

Рассмотрим безопасность космических тросовых систем (КТС) "вааще". наиболее уязвимым элементом таких космических систем является трос. По-крайней мере, расчеты на безопасность полетов обычных КТС - достаточно развитая область и мы сосредоточимся на безопасности тросов.

  1. Столкновение с другими космическими объектами
  2. Изменение характеристик троса со временем.

Второй пункт затрагивает деградацию материала троса, вызванную действием физико-химических (атомарный кислород) и механических (микрочастицы) факторов космической среды. Сюда же относятся периодические нагрузки, испытываемые тросом при переходе с освещенной на теневую сторону орбиты, механические напряжение, действие заряженных частиц, возможность технологического брака и прочее (см., например, монографию Белецкого и Левина). Большая часть этих факторов относится к медленнодействующим, а некоторые (брак) могут быть с достаточной вероятностью предотвращены. В то же время действие этих факторов изучено недостаточно, и должно учитываться при рассмотрении длительной эксплуатации КТС. Пока же мы не будем на них останавливаться.

Первый пункт делится на два подпункта:

  • столкновение КТС с другими космическими аппаратами и крупными объектами, включенными в каталоги космических объектов вроде [[www.sat-track.org]];
  • столкновение с некаталогизированными объектами (космическим мусором, микрометеоритами...).

Столкновение с крупными объектами можно предотвратить с использованием методов баллистики, анализируя планируемые орбиты КТС с учетом уже запущенных объектов. Пересмотра по сравнению с традиционными Кс потребует "область безопасности" вокруг КТС. Она может учитывать возможные колебания системы и будет, естественно, более "объемной". На эту тему можно пофилософствовать. Есть работы C.Pardini и др. в этом направлении. Можно поразмышлять и о "предельной наполнимости" низких околоземных орбит подобными протяженными объектами. Можно, но, кажется, эта тема не таит в себе никаких сюрпризов.

Столкновение с мусором и микрометеоритами (обобщенно - космическими частицами) рассмотреть более интересно. Тема эта малоразработанная. Существуют работы C.Pardini, P.Krisko, Anz-Meador'a и некоторых других, но этого мало. А ведь тема касается безопасности любых протяженных систем с одной стороны, и учета надежности "тонких" элементов конструкций...

Из работ предшественников выкристаллизовывается (не выделенная, впрочем, явно) трехэтапная схема расчета:

  1. распределение мусора на орбите;
  2. возможность столкновения Кс с частицами;
  3. возможность разрушения троса при столкновении.

Такое разделение на этапы позволяет рассматривать каждый этап отдельно.

Расчетами плотности потоков космических частиц на околоземной орбите занимается много народа. Существует ряд признанных моделей (Master, ORDEM), обладающих среди прочего и прогнозными свойствами. Это не гарантирует от ошибок. например, мне неизвестно, насколько точно рассчитываются потоки частиц, каковы возможные погрешности моделей... Однако эта тема требует дополнительного исследования, а негрубые погрешности моделей можно учесть в коэффициентах запаса. Можно также подумать об использовании специальной КТС как протяженного датчика для проверки правильности моделей распределения мусора.

Возможности столкновения КТС с частицами во всех существующих методиках описываются с помощью вероятностных моделей, использующих распределение Пуассона. Предположение о "пуассоновости" распределения мусора представляются довольно естественными (кроме случая, когда событие, приведшее к образованию частиц, произошло недавно и "облако" еще не успело "рассосаться"). Поэтому мы не ждем здесь особых пакостей. Тем не менее, поведение облака частиц на орбите исследовать интересно. Здесь можно посмотреть старые работы Пироженко на этот счет.

Исследование того, что происходит при столкновении частицы с тросом (разрушится ли трос?) - более темная тема. Простая модель, придуманная Анз-Мидором, ничем кроме простоты не мотивирована. Исследований на тему столкновение тросов с частицами, в частности, в земных условиях, почти нет (нужно провести поиск!) Модель не учитывает разнообразие конструкций троса. Равномерная плотность распределения вероятности также сомнительна. Для надежности нужно проводить расчеты в широком диапазоне изменений \alpha (или критического диаметра), вплоть до предположения, что каждое столкновение уничтожит трос. По-видимому, и запас прочности здесь должен браться большой.

Разные соображения

Попадание мелких частиц, не разрушающих трос, наверняка вызывает деградацию материала троса и должно учитываться при расчетах на долговременное пребывание КТС в космосе (какая-нибудь простейшая линейная модель снижения "прочности")

Коэффициенты запаса не использовались до сих пор при расчетах вероятности выживания КТС...

Как влияет поле, создаваемое электродинамической КТС на частицы мусора? Насколько может быть существенным такое влияние?

Планы

Можно исследовать вопросы повышение живучести тросов: использование сложных (многоволоконных) конструкций тросов; новых перспективных материалов (какими свойствами должны обладать такие материалы); или даже более живучих конфигураций тросовых конструкций. Вспоминаются легкоотвердевающие gossamer-конструкции (паутинообразные). В общем, есть широкое поле для поисков и исследований.

Можно написать статью об общих вопросах безопасности КТС в связи со всем вышеизложенным. Но "просто так", без повода — не интересно.

Совсем в сторону. Можно написать статью об анализе выживаемости КТС при столкновениях с частицами, основываясь на материалах предыдущей, с упором на методы отображения многомерных данных на плоскости. Мы уже не раз сталкивались с проблемой описания состояния многопараметрических систем, и интересно будет посмотреть, что по этому поводу делается в мире.



Комментарии

comments powered by Disqus