elektronik sigara Космический клининг

jornal

Космический клининг

Оцените материал
(1 Голосовать)

Борьба с космическим мусором и объектами естественного происхождения с помощью лазеров.

 Проф. В. В. Аполлонов,

 Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН 

Опасные странники

Под космическим мусором (КМ) понимаются искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже не функционируют и никогда более не смогут служить полезным целям. А также объекты естественного происхождения (ОЕП), такие как метеориты, астероиды и т.д. Таким образом, выделяют несколько категорий КМ:

  • - верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, отработавшие свой срок;
  • - исчерпавшие ресурс и вышедшие из строя спутники;
  • - мусор – обломки, образовавшиеся в результате столкновения двух спутников либо после проведения        испытаний средств противоспутниковой обороны;
  • - объекты естественного происхождения.

В категории мусора большую часть составляют фрагменты малого размера (диаметром менее 10 см). Наиболее существенный вклад в «замусоривание» ближнего космоса внесли испытания рядом стран противоспутниковых ракет, разбомбивших отработавшие свой срок спутники, что привело к образованию новых обломков размером от сантиметра до нескольких метров. Взрывы и непреднамеренные столкновения в космосе - самые опасные источники КМ.

Одним из первых пострадавших от КМ стал экипаж шаттла Challenger в 1983г., когда произошло соударение КА и микропесчинки (менее 1 мм в диаметре), в результате чего появилась трещина на иллюминаторе. Позже эксперты пришли к выводу, что это была всего лишь микрочастичка краски, отслоившаяся от какого-то КА. Пострадала от КМ и советская орбитальная станция "Салют-7", подверглась соударению с микроскопическими частицами. Не стала исключением и станция "Мир", солнечная батарея которой в 90-е гг. была пробита куском КМ, после чего образовалась "рваная рана" диаметром более 10 см.

Сейчас МКС удается маневрировать, чтобы избежать возможных столкновений с КМ (в этом году это уже делалось 7 раз), однако за сохранность станции специалистам приходилось не раз поволноваться. Так, в 1999г. МКС чуть не столкнулась с обломком разгонного блока от ракеты, давно блуждающим в космосе. В 2001г. станция имела шанс столкнуться с семикилограммовым прибором, потерянным американскими астронавтами во время выхода в ОКП. Исходя из этого опыта, в настоящее время коррекция орбиты станции и ее маневры проводятся регулярно.

КМ небезопасен и для жителей Земли, потому что может свалиться на голову в буквальном смысле этого слова. Достаточно вспомнить падение с орбиты КА Skylab на территорию Австралии. К счастью, тогда обошлось без человеческих жертв, в результате инцидента погибла только корова. В 1991г. советская станция "Салют-7", которой и так немало досталось, распалась на фрагменты над Аргентиной. Особенную опасность представляет та разновидность КМ, содержащего радиоактивные материалы. Именно таким был советский спутник "Космос-594", упавший в 1978г. на севере Канады "на радость" местным властям и экологам.

Были даже зафиксированы случаи, когда фрагменты КМ, не сгоревшие в атмосфере, при падении ранили людей. Например, в 1997г. обломок второй ступени ракеты-носителя Delta повредил женщине плечо.

Становится очевидным тот, что уже в ближайшем будущем проблему столкновения с КМ придется учитывать при баллистическом проектировании любой миссии (на данный момент это осуществляется только для орбитальных станций и крупногабаритных спутников). Тенденция миниатюризации космических аппаратов и использование групп малых КА вместо одного большого лишь усугубляет проблему, ускоряя рост общего числа объектов в ОКП.

Практически весь техногенный КМ – это металлические фрагменты бывших КА (из стали, титана и др. металлов), движущиеся по эллиптическим орбитам вокруг Земли. По размерам они делятся на 4 категории: малый – от 1 до 10 мм, средний – от 1 до 10 см, крупные – более 10 см для низких орбит и более 1м для геостационарных орбит, а также микро с размером <1 мм. Распределение по размерам, ущербу и способам борьбы представлено в таблице 1.

   Размер

>10cм,Низкие орбиты

>1м,Геостационарные

орбиты

Cредний 1-10 см

Малый 0,1-1 см

Микро <0,1 см

Количество

14тысяч,

под наблюдением

  300тысяч

 70-80 миллионов.

10-100 триллионов

  Эффект

Потеря

корабля

Серьезное разрушение

Значительный

ущерб

Эррозия поверхности

  Решение

Механич. удаление.

Маневры.Лазерное удаление.

Лазер

до 500кВт.

Архитектурная защита, упрочнение

Нет необходимости.

Крупные фрагменты КМ могут наблюдаться наземными средствами слежения, многие из них отслеживаются и внесены в соответствующие каталоги. В связи с присутствием различных категорий КМ и методов воздействия на них с помощью различных лазерных комплексов (ЛК), можно выделить следующие отдельные самостоятельные задачи, различающиеся по постановке, критериям воздействия на КМ и, соответственно, средней мощностью и параметрами выходного импульсно-периодического (И-П) излучения.

1. Заблаговременное снятие угрозы попадания контролируемого КМ в КА.

2. Защита КА от угрозы столкновения с КМ при его подлёте на витке столкновения.

3. Очистка ОКП от объектов КМ.

Первые две задачи связаны непосредственно с защитой конкретного КА, третья – общая глобальная задача очистки ОКП.

В качестве эффективного средства решения предлагается использование высокочастотных мощных И-П лазерных систем. Принцип удаления весьма прост – под воздействием лазера происходит быстрый нагрев поверхности КМ и испарение части его материала. В зависимости от поглощённой энергии и времени воздействия может произойти распад КМ на более мелкие фрагменты, не угрожающие КА, либо изменение траектории движения КМ, что предотвращает столкновение. Возможно даже полное испарение мелких фрагментов КМ.

Наиболее мощными на данный момент являются химические лазеры (ХЛ) на молекуле DF. Их использование предпочтительно при прохождении луча через атмосферу. При размещении лазерной установки в космосе заметно преимущество твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой. Для наиболее эффективного воздействия на КМ предлагается использовать DF-ХЛ и твердотельный лазер в режиме модуляции добротности резонатора или модуляции коэффициента усиления среды, т.е. в импульсно-периодическом режиме. В этом случае пиковые значения интенсивности падающего на КМ излучения возрастают на порядки по сравнению с непрерывным режимом. В экспериментах, выполненных в ИОФ РАН, было показано, что оптимальная (с точки зрения наибольшего энергосъёма) частота модуляции DF-ХЛ составляет ~150 кГц., а превышение пиковой мощности над средней составляет 2-3 порядка величины. В случае твердотельного лазера оптимальная частота близка к 100кГц. Длительность импульсов при этом находится в диапазоне ~ 10–7– 10–8 c.

Для решения поставленных задач возможны различные варианты ЛК, с наземным или космическим размещением энергоустановки:

– стационарный ЛК наземного базирования (ЛКНБ), включающий системы фокусировки и наведения луча на КМ.

– автономный ЛК космического базирования (ЛККБ), также включающий необходимые системы фокусировки и наведения луча на КМ.

В данной работе приведены результаты предварительных оценочных расчётов возможностей решения отмеченных выше задач при использовании различных вариантов ЛК. Для определения соотношения мощности ХЛ в непрерывном и И-П режиме проводились расчёты по моделям, основанным на уравнениях Навье-Стокса, с учётом всех существенных процессов химической, колебательной кинетики. Излучение на различных колебательно-вращательных переходах в ИПР рассчитывались из уравнений свободной генерации при включении добротности резонатора. При малых длительностях импульса <100 нс учитывалось неравновесное распределение излучающих молекул по вращательным уровням в процессе генерации. 

Крупные мишени

Значительная часть КМ контролируется средствами слежения, их траектории известны, наиболее крупные фрагменты КМ занесены в соответствующие каталоги. Известны объекты КМ, представляющие угрозу КА, время будущего возможного столкновения. Так как предупреждение об угрозе столкновения поступает заблаговременно, это даёт возможность воздействовать на КМ за много витков до критического момента.

Для решения этой задачи в систематическом режиме предлагается использовать наземные ЛК на основе DF-лазеров с непосредственным воздействием на КМ с Земли (Гора высотой 2,5-3,5км). Еще предпочтительнее использование мобильных установок воздушного базирования ЛКВБ, что даёт возможность транспортировать их к нужному моменту времени. Самый эффективный вариант – ЛКВБ на высоте ~20 км, что позволяет не сильно исказить излучение при прохождении в верхних слоях атмосферы и даёт возможность доставки в любой район. Преимуществом мобильных ЛК для лазеров с небольшой частотой повторения импульсов является также то, что в случае недостаточности воздействия серии импульсов, непопадания в КМ или сбоев в системах, можно повторить стрельбу уже через небольшой промежуток времени (менее суток), переместившись в ближайшую точку прохождения КМ.

Стационарный ЛКНБ применим для поражения КМ, движущегося по невысокой орбите при пролёте его над лазером. Воздействие луча эффективно в секторе с полным углом раскрытия ~30° относительно вертикали, область воздействия на высоте 300 км – круг диметром ~160 км. При пролёте над Землёй КМ оставляет спиральный "след" c шириной полосы 160 км, совершая 16 витков в сутки, витки отстоят друг от друга на расстояние ~2,5 тыс. км, так что за сутки покрывается ~5200 км окружности Земли, а вся окружность покроется в среднем за 8 суток. Таким образом, использование стационарного ЛК применимо только при очень раннем предупреждении и при нахождении в нужной точке на Земле. Однако, при значительном увеличении частоты следования импульсов лазера (высокочастотный И-П режим) можно добиться ситуации, когда необходимое количество движения будет сообщено КМ за один сеанс пролета над стационарным ЛК.

Рассмотрим механизм воздействия излучения на металлический КМ. Металлы являются хорошими поглотителями излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Часть расплава удаляется в виде капелек при резком расширении в зоне воздействия. В невесомости этот эффект проявляется наиболее ярко, расплав невозможно удержать на поверхности. В невесомости капли жидкости быстро разрушаются при нагревании, внутреннее давление преодолевает силы поверхностного натяжения до начала процесса интенсивного испарения.

46 foto2Таким образом, задача сводится к обеспечению условий интенсивного испарения материала КМ. Необходимо "закачать" в тонкий поверхностный объём серией последовательных импульсов необходимую энергию за время, когда не успевает произойти тепловое расплывание по всему объёму материала, что обеспечивает разрушение поверхности КМ и создание механического импульса на него.

Нами проведены оценки на базе двух возможных ЛК на основе DF и Nd YAG. Расчеты позволяют достаточно точно сформулировать технические требования к лазерному комплексу, чьи характеристики соответствуют достижению минимально достаточного импульса при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью тугоплавкой мишени. Этого достаточно при соответствующем выборе начала воздействия для увода КМ из области взаимодействия орбит КА и КМ. Для более легкоплавких материалов требования к средней мощности лазера снижаются. Понятно, что увеличение средней мощности лазерного источника упрощает решение задачи, позволяя воздействовать на КМ при меньшем количестве сеансов воздействия. 

Защита в «ближнем радиусе» 

Задача защиты КА от столкновения с КМ или ОЕП в случае внезапной угрозы (при их непосредственном подлёте к КА) решаема с помощью автономного ЛККБ на основе твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой, установленного непосредственно на защищаемый КА, или запущенного на эту же орбиту рядом с КА. Для постоянной работы такого лазера на орбите необходимо его обеспечение достаточным электрическим питанием.

Для снятия угрозы столкновения необходимо передать объекту воздействия такое количество движения, что он в результате торможения начнёт отставать от КА или его траектория изменится настолько сильно, что КМ пройдёт мимо КА. Понятно, что суммарное воздействие на мишень по сравнению со стационарной задачей должно быть гораздо более мощным. При этом происходит интенсивное испарение материала КМ, и возможна даже ионизация испарённых молекул с созданием плазмы. Для оценки эффекта торможения существует полуэмпирическая формула, которая показывает, что под действием лазерного импульса вследствие разлета образующейся плазмы происходит изменение скорости Δv фрагмента КМ, связанное с поглощённой энергией импульса

 где E – поглощённая энергия, m – масса мишени, а Cm – коэффициент, определяющий эффективность использования энергии излучения для испарения и в сильной мере зависящий от типа материала мишени, от интенсивности излучения Iпик и длительности импульса.

При отходе от оптимума воздействие быстро ослабевает, поэтому далее будем предполагать, что пиковая интенсивность равна оптимальной. Заметим, что плотность мощности ~108 Вт/см2 широко используется для лазерного сверления и резки материалов в режиме возгонки или абляции. Такое воздействие на КМ можно назвать “жёстким”. В промежутке между двумя последовательными импульсами при частоте повторения ~100 кГц плазма при разлете в вакууме успевает пройти расстояние ~1–2 см, и этого достаточно, чтобы избавиться от эффекта экранировки мишени плазмой.

Средняя мощность лазера связана с диаметром зеркала, расстоянием до мишени и расходимостью луча.

ЛККБ на основе твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой мощностью 100-1000 кВт с дифракционной расходимостью излучения, работающий в И-П режиме с длительностью импульсов τ~10-100 нс, в “мягком” режиме обеспечит необходимое воздействие на КМ с прицельного расстояния 100 км. Размер светового пятна на объекте на таком расстоянии будет в пределах 8см.

Вариант использования наземных ЛК на основе DF-ХЛ (как мобильных различного базирования, так и стационарных) с установленным на КА приёмным зеркалом годится только в случае нахождения точки столкновения КА и КМ в области воздействия наземного ЛК, что является маловероятным событием. Тем не менее, отметим, что в этом случае приёмное зеркало на КА должно быть достаточного размера, чтобы перехватить весь пучок излучения. Как показывают оценки, необходимый диаметр приемного зеркала, в зависимости от расходимости пучка, должен составлять несколько метров. Использование же полностью наземного варианта ЛК с различными видами базирования для "жёсткого" воздействия на КМ, попавшего в зону действия DF-лазера, непосредственно с Земли потребовало бы создания ЛК с высокими средними мощностями. 

Лазерный тормоз 

Как уже говорилось, борьба с КМ возможна с помощью автономного ЛККБ с HF-ХЛ с системами фокусировки и наведения луча. Для ускорения падения КМ в атмосферу необходимо произвести торможение КМ и перевод его на более низкую орбиту с меньшим временем "жизни". Известно, что время нахождения объектов на орбите сильно зависит от ее высоты. Время "жизни" КМ на высоте 1000 км составляет ~2000 лет, на высоте 600 км ~25–30 лет, на высоте около 200 км – около недели. В диапазоне высот 100–1000 км зависимость времени "жизни" КМ (T) от высоты над Землёй H можно аппроксимировать как T~H7. При такой сильной зависимости от высоты даже небольшое торможение и снижение орбиты приводит к заметному снижению времени "жизни". Так, снизив орбиту с 300 до 200 км время "жизни" уменьшаем со 120 до 6 дней.

Для точных оценок необходимы специальное моделирование и проведение расчётов по каждой конкретной орбите. Теоретически во всём диапазоне воздействия лазерного излучения – от “мягкого” до “жёсткого” – происходит ускорение процесса падения КМ на Землю. Как следует из оценок, при “жёстком” воздействии мощного лазера (серией импульсов в течение одного прохода над стационарным лазером) можно опустить орбиту КМ до требуемого уровня. Если при этом объект торможения попадёт в верхние слои атмосферы (H~100км), то затормозится и сгорит в ней за 1–2 витка и задача будет решена. Однако такая постановка задачи представляется избыточной, достаточно лишь понизить его орбиту так, чтобы она проходила ниже КА.

Основываясь на имеющихся литературных данных, можно утверждать, что для ЛККБ мощность порядка несколько десятков киловатт достаточна для существенного снижения времени "жизни" небольшого КМ. Естественно, дальнейшее увеличение мощности ЛК ещё более снижает время "жизни", то есть увеличивает эффективность падения КМ в атмосферу, поэтому для быстрой очистки ОКП от КМ необходим автономный ЛККБ с мощностью порядка нескольких сотен киловатт. Частота пусков ЛК будет определяться частотой попадания КМ в область действия лазера и временем энергетической дозаправки в космосе.

При использовании наземной установки с размещённым в космосе приёмным зеркалом энергетические потери при прохождении излучения в атмосфере и потери на приёмном зеркале потребуют существенно более мощной установки (уровня нескольких МВт). Частота пусков определяется частотой прохождения зеркала над ЛК (в среднем не чаще чем раз в 8 суток) и вероятностью попадания КМ в эти периоды в область действия лазера. В этом случае частота пусков гораздо меньше, чем при использовании автономного ЛККБ. Существует вариант и одновременного обслуживания многих объектов КМ, что потребует постоянного ведения каталога таких объектов.

В заключение отметим, что для более детального исследования представленной задачи, в частности, влияния на поражение КМ частоты следования и длительности импульсов, относительных скоростей объектов, мощностей лазеров и др. необходимо проводить более точное математическое моделирование процессов в И-П лазере, распространения излучения, эффективности его воздействия на мишень и т.д.

Рассмотренные в настоящей работе варианты ЛК могут найти применение не только в задачах, связанных с КМ, но и в других больших проектах, в частности, для разработки и создания лазерного ракетного двигателя, беспроводной передачи энергии на большие расстояния, очистки водной поверхности от нефтесодержащих продуктов, очистки протяженных и сложных поверхностей от загрязнений, защиты особо ценных и экологически опасных и других объектов, в специальных применениях и многое др. 

Возможные варианты создания лазеров 

Необходимость работы ЛК на основе ХЛ в И-П режиме с частотами повторения ~10- 100 кГц и длительностями импульсов излучения ~ 10-100 нс ведет к тому, что в ЛК следует использовать оптическую схему с двумя генераторами активной среды малой и средней размерности, при чем уровень средней выходной мощности в задающем генераторе не должен быть более 5-10 кВт. Это даст возможность, во-первых, для реализации И-П режима использовать хорошо отработанные методы, основанные либо на электрооптическом эффекте, либо на использовании метода пассивной модуляции добротности оптического резонатора, а во-вторых, хорошо известно, что при относительно низком уровне мощности обеспечить, близкую к дифракционной расходимость излучения значительно проще.

ЛК на твердом теле с полупроводниковой накачкой видится более компактным и легким для транспортировки в космическом пространстве. Опытный образец такого лазера мощностью чуть более 100кВт недавно был создан в США. Вслед за ним наверняка последуют работы по его масштабированию до уровня 500-1000кВт. И-П режим в случае данного технологического решения также возможен.

Создание мощных твердотельных лазеров с большим сечением выходного пучка (широкоапертурных лазеров) представляет собой сложную научно-техническую проблему современной лазерной физики. Одно из возможных ее решений состоит в многоканальном принципе построения лазера. В соответствии с этим принципом лазер “набирается” в виде решетки идентичных каналов, в каждом из которых проис­ходит лазерная генерация. Такая решетка лазеров образует оптический источник с составной апертурой, у которого выходное излучение представляет собой совокупность пучков отдельных лазеров. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществлять накачку энергии в активную среду и отвод тепла из ее объема.

При больших конструктивных преимуществах многолучевых лазеров получение высокой направленности их излучения представляет собой сложную физическую проблему. В многоканальном лазере каждый канал при независимой генерации излучает волну, фаза которой не зависит от фазы волны других каналов. Поля каналов некогерентны, и их интенсивности суммируются.

В пучке многоканального лазера при синфазном режиме коллективной генерации фазы излучения отдельных каналов совпадают. Выходной пучок в этом случае образуется в результате интерференции волн, фазы которых на его оси равны между собой. Угловая расходимость в приосевой области пучка при синфазной генерации каналов близка к расхо­димости широкоапертурного лазера с диаметром апертуры D. Поэтому ключевой проблемой для многоканальных лазеров является получение синфазного режима коллективной генерации.

Система обнаружения, формирования и наведения излучения - информационно-прицельная система (ИПС) - должна находиться непосредственно на КА. Вопросы компоновки элементов этой системы в отсеках КА в данной статье не обсуждаются. Отметим, что в ИПС использовано два канала наведения (локационный и силовой). В принципе возможны и более сложные схемы построения, использующие три и более каналов.

Телескоп ИПС, формирующий выходное излучение, помещается на вращающуюся платформу. ИПС должна обеспечивать выполнение следующих основных функций:

  • воспринимать целеуказание от внешних по отношению к ЛК систем;
  • выводить ось формирующего телескопа в направлении целеуказания;
  • определять пеленг цели;
  • совмещать ось силового лазерного излучения с пеленгом цели за счет управления угловым положением одного из зеркал ИПС;
  • осуществлять в реальном масштабе времени сопровождение цели с заданной точностью;
  • производить автоматическую юстировку зеркал резонатора и силового тракта в целом;
  • фиксировать факт попадания излучения на цель.

Широкий диапазон функций, выполняемых ИПС, предполагает достаточно сложную ее структуру, которая должна быть разработана в соответствии с задачами ЛК. Отметим лишь, что при уровне средней мощности в 500 кВт удельный расход топливных компонентов составляет ориентировочно до 3,5 кг массы в секунду. Несмотря на И-П режим воздействия на КМ, подача рабочих компонентов должна осуществляться непрерывно. С учетом конечного времени выхода на рабочий режим и конечного времени окончания работы ЛК, воздействие на одну лишь мишень КМ потребует не менее 2-3 с. работы. Понятно, что для достаточно эффективного использования ЛК желательно, чтобы с имеющимся у нее запасом горючего она могла работать по достаточно большому количеству целей (~ 100). Отсюда непосредственно вытекает, что желательный запас топлива для одной заправки должен составлять не менее 600 кг.

Как уже отмечалось, из-за существенного поглощения излучения в атмосфере, при размещении химического лазера на поверхности Земли необходимо использовать DF – ХЛ. Его стационарная установка должна располагаться на достаточной высоте над уровнем моря (~ 2,5 - 3,5 км). При этом лазер должен работать в И-П режиме с частотой повторения на уровне 10-100 кГц при оптическом качестве выходного излучения не хуже трех дифракционных пределов (последнее может быть обеспечено, например, методами адаптивной оптики). С помощью формирующего телескопа с диаметром главного зеркала D @ 30 м излучение передается на КМ непосредственно или на приемное зеркало, размещаемое на КА. Системы обнаружения, слежения и наведения силового излучения на объекты КМ вместе с фокусирующим телескопом в этом случае должны находиться на КА.

Проведенные оценки показывают, что при уже достигнутом в России уровне развития лазерных систем на основе ХЛ возможно построение стационарной системы для эффективного удаления КМ с орбит, используемых в настоящее время для решения широкого спектра задач. Возможно, а точнее, даже желательно, международное сотрудничество в данном вопросе. Конференция в Людвигсбурге (Германия, 2011г.) подтвердила это. Космические просторы Вселенной велики, но здесь, как и у себя дома, нужно наводить порядок, выбрасывать старые вещи, покупать новые и следить за тем, чтобы "космический ларец" в один прекрасный день не переполнился. На сегодняшний день проблема КМ является одной из самых острых, которую не может решить ни одна отдельно взятая страна. Политики, как и ученые космической отрасли, едины в одном: контроль за КМ необходим для обеспечения космической деятельности в будущем. Необходимо представителям всех космических держав садиться за круглый стол и обсуждать проблему уже не в теории, а в совершенно практической плоскости.

Последнее изменение Среда, 26 Сентябрь 2012 09:19
Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Войти or Регистрация

Войти

Регистрация

User Registration
Отмена