ПулКОН ::: Исследования фрагментов космического мусора в геостационарной области

А.Е. Вольвач¹, В.В Румянцев¹, И.Е. Молотов^2,.3, А.С. Сочилина², В.В. Титенко², В.М. Агапов³, Р.И. Киладзе⁴, Т. Шильдкнехт⁵, В.В Бирюков^1,6, М.А. Ибрагимов⁷, А.Л. Маршалкина⁷, В.В. Власюк⁸, О.В. Юрышева⁹, И.Д. Стрепка¹, А.А. Коноваленко¹⁰, Дж. Туккари¹¹

(1) НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория", п. Научный, Украина

(2) Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, г. Санкт-Петербург, Россия

(3) Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва, Россия

(4) Абастуманская астрофизическая обсерватория ГрАН, г. Тбилиси, Грузия

(5) Астрономический институт Бернского университета, г. Берн, Швейцария

(6) Государственный астрономический институт им. Штернберга МГУ, г. Москва, Россия

(7) Астрономический институт им. Улугбека, АН РУз, г. Ташкент, Узбекистан

(8) Специальная астрофизическая обсерватория РАН, п. Нижний Архыз, Россия

(9) Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Россия

(10) Радиоастрономический институт НАН Украины, г. Харьков, Украина

(11) Институт радиоастрономии, Ното, Италия

ABSTRACT

В статье представлены результаты в новой для НИИ Крымская астрофизическая обсерватория (НИИ КрАО) области исследований малоразмерных объектов космического мусора в геостационарной области. Работы проводятся в рамках проекта организации научной сети для исследования объектов естественного и техногенного происхождения в околоземном космическом пространстве. Наблюдения, которые выполнялись широкой кооперацией оптических и радио инструментов, включающей ЗТШ, АТ-64 и РТ-22 в НИИ КрАО и ряда европейских оптических и радио телескопов, позволили обнаружить 49 фрагментов с блеском 16-19,5^m, определить орбитальные параметры и сделать оценки физических характеристик, подтвердить существование групп фрагментов, предположительно связанных общим происхождением (т.н. "облаков"), подтвердить существование нового класса объектов с уникально большим значением отношения площади к массе. Проведена РСДБ-локация обнаруженных фрагментов с целью получения высокоточных траекторных данных и оценки размера и параметров движения объектов относительно центра масс по характеру изменения и характеристикам отражённого сигнала.

Введение

С 2003 г. НИИ КрАО принимает активное участие в программе исследований космического мусора совместно инициированной Институтом прикладной математики (ИПМ) им. М.В. Келдыша РАН и Главной астрономической обсерватории (ГАО) РАН в рамках проекта организации научной сети для исследования объектов естественного и техногенного происхождения в околоземном космическом пространстве.

Количество выработавших ресурс спутников, различных ступеней ракет и фрагментов, сопровождающих каждый запуск, достигло предела, когда оно начинает создавать серьезную угрозу не только для пилотируемых орбитальных станций и функционирующих космических аппаратов (КА), но и экологии Земли и околоземного космического пространства. Понятие "космический мусор" (КМ) охватывает широкий класс космических объектов искусственного происхождения (см. рис. 1).

В настоящее время наземными средствами контроля космического пространства США официально каталогизировано (т.е. регулярно сопровождается и идентифицировано с источником происхождения) более 9500 объектов, находящихся на околоземных орбитах. Общее же количество обнаруженных и сопровождаемых объектов с эквивалентным диаметром более 10 см превысило 13300. Дальнейшее освоение околоземного пространства невозможно без знания текущей обстановки, анализа источников и закономерностей эволюции КМ. В тоже время, результаты исследований космического мусора могут быть использованы для совершенствования теорий орбитального движения, уточнения модели геопотенциала Земли, развития теории влияния светового давления (как прямого солнечного света, так и отраженного от Земли) на движение орбитальных космических объектов, исследования магнитного поля Земли и вариаций плотности верхней атмосферы Земли.

1. Особенности исследований космического мусора в области геостационарной орбиты.

До сих пор в области геостационарной орбиты (ГСО) каталогизированы, в основном, только объекты крупнее 1 м в поперечнике. При этом достоверно известно о существовании значительного количества не каталогизированных объектов размером от 0.2 до 1.5 м, сопровождающих запуск КА, а также возникших в результате разрушений крупных объектов. Следует отметить, что практически все объекты космического мусора на ГСО остаются там навсегда, накапливаясь со временем численно и увеличивая вероятность столкновения с КА. Поэтому проблема исследований малоразмерной фракции космического мусора на ГСО является чрезвычайно актуальной. Регулярные международные кампании по наблюдению области ГСО, в т.ч. с использованием телескопов 1-м класса, выявили наличие сотен не каталогизированных фрагментов размером от 10 см до 50 см [1]. Разработанная в ГАО РАН теория долгопериодического движения ГСО-объектов ЛАПЛАС [2] позволяет проводить анализ наблюдательных данных по неуправляемым объектам на длительных интервалах времени и обнаруживать случайные изменения орбит, обусловленные разрушениями или столкновениями с частицами космического мусора. Исследование движения 456 неуправляемых спутников на интервале 1993-2003 гг. с использованием накопленного в ИПМ им. Келдыша РАН и ГАО РАН архива орбитальных данных позволило обнаружить 1155 не объясняемых естественной эволюцией изменений в скоростях дрейфа ГС. При этом был отмечен прогрессивный характер этих изменений, т.е. в каждом последующем временном отрезке их число возрастало. Путем анализа полученной статистики по величине изменения скорости дрейфа был составлен перечень из 12 объектов, предположительно испытавших разрушение взрывного характера (таблица 1).

NN	T₀ (MJD)	e	i (°)	Ω (°)	ω (°)	λ (°)	dλ/dt (°/сут)	Δ(dλ/dt) (°/сут)
66053J	47071.688587	0.010312	11.5253	9.4976	281.7312	288.3453	22.53757	0.67682
	03/10/1987	0.016240	11.5321	9.5757	281.2806	288.9544	23.21439
67066G	49397.408163	0.005317	11.6745	25.3957	25.8977	6.2241	32.02443	-0.93796
	14/02/1994	0.008096	11.6578	25.4061	5.6721	6.6536	31.08647
68081E	48673.397616	0.008545	11.9100	21.7275	76.5843	196.7101	4.27995	0.20669
	21/02/1992	0.008862	11.9100	21.7541	71.3055	196.8043	4.48664
73040B	44671.200700	0.004358	5.8669	62.8461	19.1543	145.2013	-2.32077	-0.21648
	08/03/1981	0.002713	5.8728	62.8123	328.2317	144.8817	-2.53725
73100D	48718.887352	0.027538	13.3263	45.5479	165.4079	215.9878	-18.79458	-0.19387
	06/04/1992	0.026787	13.3121	45.4283	163.3701	216.0936	-18.98845
75118С	46867.643023	0.002005	8.5729	57.4781	25.9386	301.1890	0.80057	0.17468
	13/03/1987	0.001049	8.5710	57.0155	154.5391	300.6946	0.97525
76023F	43060.207900	0.013845	25.3482	10.9980	215.4257	226.6138	-7.22838	-0.02410
	09/10/1976	0.014202	25.2918	10.6278	215.9062	226.5970	-7.25248
77092A	43680.632778	0.003366	0.1407	77.3145	256.1496	98.8366	0.04767	-0.13279
	21/06/1978	0.000195	0.1356	74.7306	-50.7829	98.5127	-0.08512
78113D	50744.547145	0.028236	14.1715	38.2444	177.1164	163.1494	-22.90318	-0.55491
	23/10/1997	0.027325	14.1604	38.1593	166.2476	163.8886	-23.45809
79087A	45121.755000	0.000987	1.6575	90.9652	196.5378	52.5730	0.07580	-0.08803
	01/06/1982	0.000451	1.6578	92.3283	83.5444	52.5333	-0.01223
2019B	45960.349103	0.000518	0.3705	143.1092	301.5961	201.9020	3.06907	0.47435
	17/09/1984	0.001376	0.3440	138.3305	35.1682	201.7803	3.54342
84129B	50074.650093	0.000938	5.9226	57.9216	294.3247	359.9551	-4.06615	-0.80244
	23/12/1995	0.005996	5.8441	55.5646	203.3469	359.6639	-4.86859

Для обнаружения фрагментов этих взрывов был предложен т.н. "барьерный метод". В соответствии с этим подходом должны наблюдаться локальные области пересечения траекторий фрагментов с областью ГСО. Каждая такая область-барьер рассчитывается на основе прогноза баллистической эволюции модельных фрагментов разрушившегося "родительского" объекта (при этом для моделирования используется сферически-симметричная модель взрыва). Было доказано [3], что все образовавшиеся фрагменты в течение суток пересекают две локальные области шириной менее 0,1° на ГСО, т.н. "барьеры", отстоящие друг от друга на 180° по аргументу широты, и которые фактически являются местами сгущения траекторий фрагментов.

На рис. 2 в геоцентрических координатах RA/Decl изображена траектория объекта 1967-066G Транстейдж и траектории смоделированных фрагментов его разрушения. Момент разрушения известен из эволюции орбиты объекта. Расчетная скорость разлёта смоделированных фрагментов в начальный момент времени была взята равной 75 м/с. Как видно, имеются две области (на небесной сфере это диаметрально противоположные точки), где траектории фрагментов "сгущаются", образуя своеобразные "барьеры". В области таких "барьеров" и выбирались поисковые площадки. Поисковые площадки могут также выбираться в областях пространства с повышенной плотностью известных геостационарных объектов, которые образуются из-за специфического распределения плоскостей орбит КМ, обусловленного гравитационными возмущениями [4]. На рис. 3 показаны положения барьеров, использованных для поиска фрагментов в НИИ КрАО со 2 по 15 апреля 2005 г. Барьеры 0, 3 и 6 расположены в области повышенной плотности ГСО-объектов, барьер 7 - на траектории объекта 1979-087А Экран-4, а барьер 8 - на траекториях объектов 1977-092А Экран-2, 1968-081Е Транстейдж и 1967-066G Транстейдж. Изображено положение тени Земли и Млечного пути, поскольку барьеры должны выбираться в областях с малыми фазовыми углами (вблизи тени Земли), но по возможности дальше от галактического экватора (вне областей с повышенной плотностью звезд).

Рис. 3. Положения барьеров, выбранных для наблюдений в КрАО в апреле 2005г. (по осям - геоцентрические координаты RA/Decl). Квадраты - области барьеров. Линии - трассы Экранов и Транстейджей. Обозначены границы области Млечного пути (10 град от галактического экватора) и контур тени Земли на дату новолуния 08/04/2005. Точки - расчетные положения каталогизированных объектов в области ГСО в течение ночи.

Для поиска фрагментов, при поддержке грантов министерства образования и науки РФ и ИНТАС 03-70-567 была организована кооперация Центров сбора, анализа и обработки информации в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН и ГАО РАН и обсерваторий с оптическими телескопами, способными наблюдать космические объекты слабее 16^m. Методика обнаружения фрагментов в выбранных поисковых площадках отрабатывалась на телескопах АТ-64 (для объектов с блеском до 17,5^m) и ЗТШ (для объектов с блеском до 19,5^m) в НИИ КрАО. Методика сопровождения обнаруженных фрагментов также отрабатывалась на телескопах: Цейсс-600 Крымской станции ГАИШ в п. Научном, Цейсс-600 в обсерватории на горе Майданак, Цейсс-1000 в САО РАН (п. Нижний Архыз) и Цейсс-600 в Саянской обсерватории "Монды" ИСЗФ СО РАН. Кроме того, в наблюдениях приняли участие обсерватория Астрономического института Бернского университета в Циммервальде (Швейцария) и обсерватория Европейского космического агентства на пике Теиде, о. Тенерифе (Канарские острова, Испания) с 1-м телескопами, которые проводили поиск объектов, а также сопровождали фрагменты, обнаруженных по наблюдениям НИИ КрАО. В свою очередь, в НИИ КрАО осуществлялось сопровождение фрагментов, обнаруженных в Циммервальде и Тенерифе.

Для получения более полного представления об открытых объектах в области ГСО целесообразно использовать не только оптические, но и радиолокационные наблюдения. Радиолокация позволяет получить высокоточные траекторные измерения, необходимые для уточнения орбитальных параметров объектов, параметры движения объектов относительно центра масс (в частности, период вращения), оценки формы и размеров. В рамках данной работы координатные и некоординатные радиолокационные измерения получены с использованием метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), который является наиболее точным в астрометрии.

Были проведены совместные оптико-радиолокационные наблюдения:

Измерения по каталогизированным объектам с известными координатами.
Статистические измерения количества мелких фрагментов, пролетающих через объём пространства, образованный пересечением лучей диаграммы направленности передающей и приёмной антенны.
Поиск новых не каталогизированных объектов в выбранных областях ГСО.

2. Результаты наблюдений

К настоящему моменту с помощью оптических инструментов обнаружено 49 объектов с блеском 15 - 19,4^m, (см. рис. 4), отсутствующих в публично доступных каталогах. Из них 34 объекта обнаружены в КрАО, 15 - в обсерваториях Теиде и Циммервальд. По этим объектам получено около 6000 измерений. 14 фрагментов (в том числе один размером порядка 20 см) наблюдались на интервалах от 60 до 388 суток, что подтверждает принципиальную возможность каталогизации таких объектов при организации регулярных наблюдений. На рис. 5 показан типовой кадр с изображением слабого объекта в области ГСО.

Объект	Дата начала наблюдений	Дата последних наблюдений	Интервал наблюдений, сутки	Обсерватория, открывшая объект
90003	18.10.2004	10.01.2005	84	КрАО
90004	14.10.2004	10.02.2005	119	КрАО
90005	07.11.2004	12.11.2005	339	КрАО
90006	17.12.2004	26.12.2005	373	КрАО
90007	18.12.2004	13.01.2005	26	КрАО
90008	09.01.2005	01.02.2006	388	КрАО
90009	15.03.2005	24.01.2006	315	КрАО
90010	08.07.2005	06.09.2005	60	КрАО
90014	05.09.2005	25.01.2006	141	КрАО
90015	06.10.2005	11.10.2005	5	КрАО
90016	07.10.2005	30.12.2005	84	КрАО
90017	09.10.2005	24.10.2005	15	КрАО
90019	07.10.2005	30.01.2006	122	КрАО
43007	08.03.2005	09.01.2006	306	Теиде
43012	01.08.2005	15.09.2005	35	Теиде
43014	04.08.2005	02.09.2005	29	Теиде
43015	04.08.2005	12.08.2005	8	Теиде
43016	05.08.2005	17.08.2005	12	Теиде
43019	06.08.2005	05.12.2005	121	Теиде
43020	07.08.2005	30.08.2005	23	Теиде
43021	06.08.2005	12.10.2005	67	Теиде
43022	08.08.2005	11.01.2006	157	Теиде
43023	10.08.2005	31.08.2005	22	Теиде
43101	29.12.2005	22.02.2006	56	Циммервальд

На основе полученных значений коэффициентов светового давления проведена оценка отношения площади поперечного сечения к массе (см. рис. 6). В большинстве случаев отношение площади к массе для фрагментов оказывается в десятки и сотни раз больше, чем для КА. Это обстоятельство представляет дополнительную трудность для наблюдения фрагментов, поскольку влияние светового давления носит не столь регулярный характер, как гравитационные возмущения, и не может быть полностью учтено из-за незнания формы, отражательных характеристик и других свойств фрагментов. Поэтому при прогнозировании их движения накапливаются ошибки, превышающие в несколько раз поле зрения используемых инструментов, и при больших перерывах в наблюдениях объекты теряются, т.к. осуществлять их поиск чрезвычайно затруднительно. На рис. 7 приведен график эволюции эксцентриситета орбиты на 11-летнем интервале объекта 90015, имеющего наибольшее значение отношения площади к массе. Величина эксцентриситета всего за полгода изменяется более чем в 4 раза. До сих пор на ГСО не было известно ни одного подобного объекта. Орбита объекта 90015 регулярно пересекает не только орбиты других объектов в области ГСО, но также орбиты КА навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo.

В то же время у некоторых объектов (90006, 90008, 90009) обнаружены малые значения отношения площади к массе, что указывает на различную физическую природу разных фрагментов. Для ряда фрагментов определен предполагаемый источник их образования, на основе близости орбиты фрагмента и орбиты объекта-источника. Подтверждено существование "облаков" фрагментов, возникших при разрушении спутников серии Экран и ступеней типа Транстейдж.

В сентябре 2005 г впервые удалось провести радиолокацию трех фрагментов, обнаруженных в НИИ КрАО, в рамках международной кампании по отработке метода РСДБ-локации [5]. Наблюдения проходили с участием передающей антенны РТ-70 в Евпатории и приемного радиотелескопа РТ-22 в Симеизе НИИ КрАО и других антенн с регистрацией излучаемого и эхо-сигналов на РСДБ-терминалах. На рис. 9 представлена спектрограмма корреляционной обработки, полученная на корреляторе НИРФИ-3 в Н. Новгороде для объекта 90014.

Для отработки метода радиолокационного обнаружения ГСО-объектов в экспериментах методом РСДБ-локации предложена техника наблюдения в т.н. режиме "бим-трек". При этом выбранная область пересечения лучей передающей и приёмных антенн неподвижна относительно звёзд и таким образом смещается вдоль геостационарной орбиты. Для регистрации эхо-сигналов в этом режиме был специально разработан РСДБ терминал квазиреального времени (NRTV), позволяющий осуществлять высокоскоростную запись сигналов на жёсткие диски ПК в полосе частот 48 МГц и их последующую трансляцию в центр обработки по каналам Интернет [6]. На рис. 10 показан пример детектирования двух объектов при обработке последовательности кадров записи формата NRTV в Ното (Италия).

В дальнейшем, предполагается организовать центры экспресс-анализа "бим-трек" экспериментов непосредственно на радиотелескопах, а терминалы NRTV будут использоваться также и для проведения РСДБ-локационных измерений по обнаруженным фрагментам в квази-реальном времени. С этой целью предложена концепция "распределенного коррелятора" [7], предусматривающая выполнение первой фазы обработки (комплексное быстрое преобразование Фурье с частотным разрешением 0,015 Гц) на радиотелескопах, и передачу на коррелятор по каналам связи только выделенного полезного эхо-сигнала. Также разработан проект дооснащения антенн РСДБ-сети [6], в рамках которой происходит развитие метода РСДБ-локации, цифровыми видеоконверторами rDBBC с многоуровневым квантованием, что позволяет применить для анализа принятых эхо-сигналов классические радиолокационные методы.

Заключение

В рамках научной программы исследований космического мусора, реализуемой совместно обсерваториями стран СНГ и Европы с участием НИИ КрАО, впервые начали проводиться систематические работы по поиску и сопровождению объектов слабее 16^m в области геостационарной орбиты. Привлечение второго по величине телескопа в СНГ с диаметром главного зеркала 2,6-м обеспечило настоящий прорыв как в изучении популяции фрагментов, так и в сотрудничестве с европейскими учеными. Разработанные стратегии поиска фрагментов на ГСО позволяют уверенно обнаруживать новые объекты с блеском 15 - 19,4^m и сопровождать их на длительных интервалах времени (14 из 49 найденных фрагментов наблюдались более двух месяцев). Получение независимого подтверждения существования нового класса объектов с таким большим отношением площади поперечного сечения к массе, что влияние светового давления приводит к существенной эволюции эксцентриситета и наклонения их орбит, требует пересмотра существующих моделей динамического распределения космического мусора в околоземном пространстве и оценок опасности для функционирующих КА.

Благодарность

Данные исследования были проведены в результате скоординированных усилий большого количества участников. Авторы благодарны персоналу телескопов, корреляторов и центров анализа за помощь в проведении наблюдений. Особую благодарность хотелось бы выразить НИИ КрАО за предоставленную возможность использования наблюдательного времени на уникальных оптических инструментах и радиотелескопе. Работа частично поддержана грантами INTAS IA 03-59-11 и 03-70-567.