Исследование долговременной орбитальной эволюции объектов космического мусора геостационарной зоны

• Автор: Александрова, Анна Геннадьевна
• Шифр специальности: 01.03.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПАДА И ОРБИТАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ФРАГМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ОКОЛОЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

1.1 Математическая модель распада КА в результате взрыва и столкновения

1.2 Метод обратных функций для моделирования распределения случайных величин с заданной плотностью распределения
1.3 Численное моделирование орбитальной эволюции фрагментов распада с помощью программного комплекса «Численная модель движения систем ИСЗ»

1.3.1 Используемые системы координат

1.3.2 Уравнения движения объекта в прямоугольной системе координат

1.3.3 Математические модели действующих сил

1.3.4 Интегратор Гаусса-Эверхарта

1.3.5 Особенности реализации численной модели движения в среде

параллельных вычислений
1.4 Тестирование моделей распада и орбитальной эволюции по данным наблюдений
1.5 Зависимость распределения и орбитальной эволюции объектов геостационарной зоны от механизма их образования
1.5.1 Определение пространственной плотности распределения фрагментов
распада
1.5.2 Исследование влияния параметров столкновения объектов в зоне ГСО
на орбитальную эволюцию и распределение фрагментов
1.5.3 Влияние мощности взрыва на орбитальную эволюцию и
распределение фрагментов в зоне ГСО
2 МЕСИО - АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ДИНАМИКИ ОБЪЕКТОВ ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОБЛАСТИ
2.1 Параметр МЕСТЬЮ и его свойства
2.2 Алгоритм вычисления параметра МЕОБЮ в задачах динамики ИСЗ и его тестирование
2.2.1 Алгоритм вычисления параметра МЕОЕГО в задачах динамики ИСЗ
2.2.2 Описание программного комплекса и результатов его тестирования
2.3 Исследование эволюции динамических свойств объектов геостационарной
зоны на больших интервалах времени
2.3.1 Данные МЕвИО - анализа особенностей динамики объектов
геостационарной области

2.3.2 Влияние гармоник геопотенциала на устойчивость движения объектов зоны ГСО
2.3.3 Влияния несимметричности геопотенциала на динамику объектов зоны ГСО
2.3.4 Влияния светового давления на динамику объектов зоны ГСО
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ
СОВОКУПНОСТИ НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ ЗОНЫ ГСО
3.1 Описание программно-алгоритмического обеспечения для прогнозирования столкновений объектов космического мусора с действующими аппаратами и между собой
3.1.1 Выявление тесных сближений между искусственными спутниками Земли
3.1.2 Алгоритм исследования долговременной эволюции доверительных областей движения. Способ вероятностной оценки возможных столкновений объектов
3.2 Исследование долговременной орбитальной эволюции всей совокупности объектов каталога ESA «Classification of Geosynchronous Objects»
3.2.1 MEGNO — анализ особенностей динамики объектов каталога
3.2.2 Исследование возможных сближений объектов каталога ESA «Classification of Geosynchronous Objects»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ПРИЛОЖЕНИЕ И
ПРИЛОЖЕНИЕ К

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Как известно (Рыхлова, 2003; Klinkrad, 2006), источниками космического мусора являются отслужившие свой срок космические аппараты (КА), отработавшие верхние ступени ракет-носителей, а также фрагменты космических аппаратов, образовавшиеся в результате преднамеренных или самопроизвольных взрывов на орбитах или при столкновении космических аппаратов. По данньм службы контроля космического пространства NASA в околоземном космическом пространстве на сегодня находится около 22000 объектов искусственного происхождения размером от 10 см и более, каталогизировано 15855 объектов, только 6% из них - действующие КА, а все остальное - космический мусор: 24% приходится на нефункционирующие КА, 17% - верхние ступени ракет носителей, 40% - фрагменты и 13% - космический мусор, связанный с миссиями КА. В целом предполагается, что в космосе на сегодня находится несколько сотен тысяч (600000-700000) объектов размером менее 10 см и ежегодный прирост составляет 600-700 фрагментов.
Вся эта совокупность неуправляемых объектов стала частью околоземной космической среды, эволюция которой происходит по законам небесной механики. Однако механизм образования объектов оказывает значительное влияние на общую картину их орбитальной эволюции, поэтому численное моделирование процесса образования космического мусора заслуживает особого внимания. Для объектов, образовавшихся в результате распада аппарата, нужно сначала построить модель распада и с помощью этой модели задать начальное пространственное распределение фрагментов по скоростям и только после этого можно приступать к исследованию их орбитальной эволюции. Численное моделирование позволяет выявить особенности распределения объектов в пространстве и проследить его изменения во времени, обнаружить области с максимальной плотностью потока фрагментов, а, следовательно, и наиболее опасные.
Особый интерес с точки зрения исследования динамической эволюции космического мусора представляет геостационарная зона (или зона ГСО), под которой здесь и далее будем подразумевать область пространства вокруг экваториальной орбиты со средним радиусом А = 42164 км, шириной 150 км вдоль радиуса орбиты и протяженностью +15° по широте (Flury et al, 2000). Данная область околоземного пространства является технически сильно загруженной, и в ней нет эффективных механизмов само-очистки, кроме того именно в этой области околоземного пространства тенденция к возникновению хаоса в движении объектов проявляется особенно заметно. По данным 14-го издания каталога European Space Agency (ESA) «Classification of Geosynchronous Objects» в настоящее время в геостационарной зоне находятся 1307 известных объектов, 1234 из них каталогизированы. Из всего выше сказанного следует, что решаемая в

Период (мин) Период (мин)
а) по данным каталога ЫАБА б) по данным моделирования
Рисунок 1.2 — Распределение фрагментов распада КА Космос 1275 через неделю после взрыва
Период(мин) Период(мин)
а) по данным каталога ИАБА б) по данным моделирования
Рисунок 1.3 — Распределение фрагментов распада Р-78 (ЗОІАУП'ГО) через 11 часов после столкновения