Fedorov M.Y.  

Ударные воздействия на конструкцию космических аппаратов в аспекте техногенного засорения околоземного космического пространства

Со времени запуска первого искусственного спутника Земли Советским Союзом 04 октября 1957 года  и до конца 60-х годов прошлого века количество запусков все время нарастало.
В период с 1967 по 1990 годы достигло максимума и составляло порядка 120 - 130 запусков в год.
В результате каждого запуска в околоземном космическом пространстве (ОКП) оказываются космические аппараты (КА), разгонные блоки, фрагменты устройств расстыковки КА и РН, частицы  твердого топлива и т.п.
В результате космической деятельности человечества происходит техногенное засорение космического пространства или образование космического мусора (КМ).
По данным на 2014 год число техногенных космических объектов в ОКП размером более 10 см оценивается приблизительно в 23000.
В основном ОКП засорено мелкими частицами. В настоящее время на орбитах может находиться порядка 500000 объектов размером от 1 до 10 см.
Столкновения КМ с КА могут приводить или к полной потере работоспособности аппарата, или к утрате некоторых функций.
Чтобы количественно оценивать возникновение КМ за счет разрушения КА, а также разрабатывать технические средства защиты необходимо иметь средство моделирования процесса высокоскоростного ударного воздействия на сложные по конструкции КА.
Актуальность работ по моделированию последствий высокоскоростного удара определяется также существованием на радиационно-безопасных орбитах Советских выключенных ядерных энергетических установок космического базирования «Бук» и «Топаз», столкновение которых с КМ является исходными событиями для потенциально возможных аварийных ситуаций.
В силу этих обстоятельств с 1991 года  АО «Красная Звезда» и Институт теоретической и прикладной механики СО РАН проводят работы по созданию алгоритмов и программ для прогнозирования последствий воздействия КМ на КА с ЯЭУ «Бук» и «Топаз».
КА с ЯЭУ «Бук» запускались с 1970 по 1988 год на орбиты близкие к круговым с наклонением 65О и высотой порядка 300 км. После выработки ресурса ЯЭУ уводилась на орбиту захоронения.  Всего был запущен 31 аппарат. В настоящее время на высотах от 700 до 1000 км находятся 29 выключенных ЯЭУ «Бук».
В 1987 году были проведены летно-конструкторские испытания ЯЭУ «Топаз» в составе КА «Космос 1818» и «Космос 1867».
Вероятны следующие опасные сценарии воздействия КМ на ЯЭУ:
1. Катастрофическое разрушение реактора с образованием осколков топлива, которые могут уйти на более высокие орбиты с длительным сроком существования, или достичь поверхности Земли;
2. Обмен импульсами фрагмента КМ с ЯЭУ без разрушения реактора,  досрочный спуск реактора с радиационно безопасной орбиты и падение на поверхность Земли обгоревшего, в результате аэродинамического  воздействия,  объекта.
Основные результаты и прогноз экологических рисков при взаимодействии ЯЭУ «Бук» с КМ получены в период с 1991 по 2000 год.
В результате аэродинамических, тепловых и физических расчетов было показано, что при наступлении события катастрофического столкновения реактора или  сборки твэлов с КМ конечный размер частиц в форме шара, достигающих поверхности Земли, при начальном диаметре 20 мм может достигать 8 мм.
По состоянию на 2000 год опасность могли составлять 24 частицы упавшие кучно. На 01 октября 2015 года, при наступлении события катастрофического столкновения для возникновения опасности облучения человека сверх установленных норм (1мЗв в год) кучно должны выпасть уже 38 таких  частиц. Априори понятно, что вероятность такого события исчезающе мала. Более мелкие частицы опасности не представляют.
Так же расчеты показали, что при спуске в атмосфере крупных фрагментов ядерного топлива, сборки твэлов и реактора «Бук»,  аэродинамическое и тепловое воздействие с учетом химических реакций приводит к интенсивному диспергированию объекта до радиационно безопасного состояния.
Последствия катастрофического соударения КМ с реактором ЯЭУ «Топаз» должны рассматриваться как ядерная авария, что оценивается вероятностью столкновения:
с одним из двух за год – P = 1,010-5 ,с одним из двух за 100 лет – P = 0,2710-2
Для ЯЭУ «Топаз» также рассматривается ситуация: столкновение ЯЭУ без разрушения реактора, но с торможением установки и переход на эллиптическую орбиту со временем существования около 50 лет.
Расчеты показали, что в этом случае на Землю будет падать частично обгоревший реактор с не разрушенной активной зоной.
В конечном состоянии разрушенная часть реактора представляет собой достаточно компактный объект, локализация и изъятие которого возможно при применении существующих в ядерной сфере технологий.
Риск  такой аварии для  среды обитания человека – 210-7.
Выводы
Космический мусор представляет реальную угрозу для КА и отработавшим свой ресурс советским космическим ЯЭУ.
Последствия возможных столкновений ЯЭУ «Бук» с КМ в настоящее время опасности для населения и окружающей среды не представляют.
Вероятности аварийных ситуаций, связанных с воздействием КМ на КА с ЯЭУ «Топаз» оцениваются на уровне допустимого риска.
Тем не менее, результаты, полученные нами в ходе многолетних исследований и разработанные программные средства позволяют прогнозировать потенциально возможные аварийные ситуации, возникающие вследствие воздействия на космические аппараты частиц и фрагментов техногенной природы.

Литература
1. Воздействие ракетно-космической техники на окружающую среду. Под общей редакцией В.В. Адушкина, С.И. Козлова, М.В. Сильникова–Москва, ГЕОС, 2016.–795 с.; + 40 с. ил.
2. Spase Debris. Hazard Evolution and Mitigation. Anz-Meador P.D, Chobotov V.A., Flury W., Kiselev A.B., Nazarenko A.I., Nikitin V.F., Potter A.E.,Smirnov N.N, Yasaka T. Taylor and Frencis New York, 2002, 229 p.,
ISBN: 0-415-27907-0
3. A publication of the NASA Orbital Debris Program Office Volume 17, Issue 1 January 2013
4. Космические аппараты с ЯЭУ и проблемы космического мусора. Назаренко А.И., Гринберг Э.И., Николаев В.С. и др. Международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". г. Москва 1-2 марта 2005, г. Подольск (Московская обл.), 3 марта 2005 г.
5. Федоров М.Ю., Краус Е.И., Шабалин И.И. Анализ последствий аварий, приводящих к падению реактора космической ядерной энергоустановки на Землю // "Труды МАИ" Вып.82, 2015 г.
 


To reports list