ПулКОН ::: Результаты исследований популяции малоразмерных объектов искусственного происхождения в геостационарной области и предложения по организации международного мониторинга космического мусора в области ГСО

В ИПМ им. М.В.Келыдша РАН создан и функционирует Центр по сбору, обработке и анализу информации по космическому мусору.
Одним из приоритетных направлений работ является изучение высокоорбитальных объектов космического мусора. Это обусловлено тем, что наши представления о фактической степени засорённости именно в области высоких орбит всё ещё далеки от полного.
Цель проводимых исследований - получение достаточного объёма информации для оценки реальной опасности, которую представляют фрагменты космического мусора для КА на высоких орбитах в настоящем и будущем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи выявления (обнаружения) как можно большего количества неизвестных до настоящего времени слабых (и, в первом приближении, малоразмерных) объектов на высоких орбитах, формирования орбитального архива для этих объектов, накопления данных для изучения их физических свойств и вероятных источников образования.

Организация работ

Работы проводятся как в рамках собственных программ РАН, так и в интересах Роскосмоса, в т.ч. по задачам, рассматриваемым в рамках деятельности МККМ.
Организована и успешно функционирует международная научная сеть оптических средств, координируемая ИПМ им. М.В. Келдыша и включающая коллективы учёных и наблюдательные инструменты в России, Украине, Швейцарии, Узбекистане, Боливии, Грузии, Таджикистане.
При поддержке РАН, Роскосмоса, Министерства науки и образования РФ, международной ассоциации ИНТАС и предприятий промышленности РФ (ОАО "МАК "Вымпел") проведен первый этап технического переоснащения инструментов, функционирующих в составе сети. Важным аспектом является то, что для наблюдения объектов на геоцентрических орбитах привлечены инструменты, которые ранее использовались только для проведения астрономических исследований, и этот подход показал свою эффективность.
В интересах повышения эффективности проводимых работ создаются новые специализированные наблюдательные инструменты.

Этапы исследований

Наблюдения ярких (и, как правило, крупных) объектов искусственного происхождения, находящихся в области ГСО, проводится институтами РАН с начала 1970-х гг. Слабые объекты наблюдались эпизодически в рамках отдельных экспериментов.
Систематические работы по наблюдению слабых объектов в области ГСО начаты в 2004 г., а с 2005 г. проводятся регулярные эксперименты по наблюдению слабых объектов на высокоэллиптических орбитах. Основным стимулом к началу систематических работ явились международные усилия по изучению проблемы техногенной засорённости, координатором которых выступает МККМ.
В настоящее время в совместных работах по наблюдению слабых высокоорбитальных объектов участвует 16 инструментов, размещённых в 12 обсерваториях в 6 странах мира.
8 из числа уже участвующих в работах телескопов имеют апертуру 60-70 см, 5 - 1-1.5 м, 2 - 2-2.6 м. Успешные результаты специально проведенного эксперимента подтвердили возможность использования телескопа с апертурой всего 22 см в целях поиска и сопровождения наиболее ярких (15-15.5 зв. вел.) из изучаемых объектов.

Характеристики инструментов

Observatory	Location	Observation arc	Instrument	FOV	CCD	Sensitivity
Tarija	21.596 S 64.624 W	135W…1W	Zeiss-600	11.5’х11.5’	1024x1024	18^m
Tenerife	28.301 N 16.512 W	71W…46E	1-m telescope	0.7° х0.7°	4096x4096	21^m
Zimmerwald	46.877 N 7.465 E	56W…70E	ZIMLAT-1000	20’x20’	2048x2048	19^m
Mayaki	46.397 N 30.273 E	39W…95E	RC-600	20’x20’	1024x1024	17.5^m
CrAO/Simeiz	44.403 N 33.997 E	29W…100E	Zeiss-1000	30’x30’	1024x1024	19.5^m
CrAO/Nauchnyi GAISh	44.728 N 34.016 E	25W…100E	ZTSh 2.6 m	8.4’x8.4’	1024x1024	20^m
			AT-64	53’x34’	1024x1024	18^m
			PH-1	2.8° х2.8°	1024x1024	15.5^m
			Zeiss-600	18.2’х18.2’	1024x1024	18^m
SAO/Arhyz	43.649 N 41.443 E	20W…95E	Zeiss-1000	15’x7.5'	4000x2000	19.5^m
Maidanak	38.673 N 66.896 E	31E…103E	Zeiss-600	11.5’х11.5’	1024x1024	18^m
Mondy	51.617 N 100.919 E	65E…150E	Zeiss-600	7.5’x7.5’	1024x1024	18^m
Mondy	51.617 N 100.919 E	65E…150E	AZT-33IK	3’x3’	1024x1024	20^m

Инструменты

Основные полученные результаты

Открыто 138 объектов в области ГСО ярче 15 зв. величины, для которых официальные орбитальные данные отсутствуют. Основные результаты по этим объектам публикуются ежегодно в сборнике ESOC "Classification of Geosynchronous Objects", 9-й выпуск которого вышел в феврале 2007 г.
За период с октября 2004 г. по январь 2007 г. открыто 185 ранее не известных высокоорбитальных объектов, имеющих блеск слабее 15 зв. величины. 161 из этих объектов находится в области ГСО (что уже составляет 14.7% от количества известных крупных объектов в области ГСО) и 24 - на прочих высоких геоцентрических орбитах.
80 фрагментов из числа вновь открытых наблюдаются в достаточной мере регулярно и для них надёжно определены средний блеск и значение отношения площади к массе.
Коллегами из Швейцарии (AIUB) в ходе многолетних статистических наблюдений подтверждено наличие в области ГСО облаков фрагментов, образовавшихся в результате разрушений. Предполагаемые события разрушений были выявлены учёными РАН (ИПМ им. М.В.Келдыша, ГАО) в ходе анализа накопленного архива измерительной и орбитальной информации. В ГАО была построена модель эволюции облаков фрагментов предполагаемых разрушений. Наблюдения подтвердили правильность сделанных предположений и доказали существование большого количества "скоплений" фрагментов в области ГСО.

Статистика полученных измерений

Положение объектов на момент первого наблюдения

Распределение объектов по значению среднего видимого блеска в момент наблюдения

Распределение наклонения и долготы восходящего узла орбит наблюдавшихся объектов

Объекты с уникальными свойствами

" Подтверждено наличие на высоких орбитах объектов, безусловно связанных по своему происхождению с крупными объектами в области ГСО, но имеющих уникальные физические свойства. Они обладают очень большим отношением площади к массе - от 1 до 40 кв.м/кг, что превышает значения данного параметра для "обычных" объектов от 300 до 13000 раз. В силу этого орбитальная эволюция таких объектов претерпевает значительные изменения под воздействием давления потока светового излучения. Прогнозирование движения таких объектов существенно осложнено тем, что отношение площади к массе не является для них постоянной величиной из-за вращения относительно центра масс и, как следствие, не представляется возможным осуществлять точное прогнозирование влияния давления светового излучения на движение этих объектов. Единственная возможность не потерять эти объекты - постоянно их наблюдать.

" С целью изучения физических свойств подобных уникальных объектов, а также выяснения вероятных источников их образования в рамках деятельности МККМ организована специальная исследовательская работа. Научная оптическая сеть, координируемая ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, принимает в этой работе самое активное участие.

Распределение объектов по среднему значению отношения площади к массе

Пример эволюции орбиты объектов с большим отношением площади к массе

Хорошо видно, что в ходе эволюции орбит подобных объектов наиболее значительные изменения претерпевает эксцентриситет. Это приводит к тому, что периодически объект начинает пересекать не только орбиты функционирующих КА в области ГСО, но также орбиты и других КА, включая низкоорбитальные.

Опасны ли обнаруженные фрагменты для функционирующих КА?

Косвенные свидетельства возможных столкновений.

" Выявлено значительное количество небольших "скачков" в скорости дрейфа у подавляющего большинства нефункционирующих объектов. Эти "скачки" не могут быть объяснены действием естественных возмущающих факторов, как то гравитация или давление светового излучения. По мнению учёных ГАО РАН, вполне возможно, что возникновение некоторых из них может быть объяснено столкновениями с фрагментами космического мусора на ГСО, однако эта гипотеза требует тщательной проверки, для чего, в свою очередь, необходим большой объём наблюдательного материала.

Что показал анализ орбитальной эволюции новых объектов?

Для вновь открытых слабых объектов в области ГСО было проведено моделирование долгосрочной эволюции с одновременной оценкой частоты попадания этих объектов в область удержания функционирующих КА на ГСО для некоторых фиксированных орбитальных позиций (±0.5° по долготе, ±0.1° по наклонению при эксцентриситете менее 0.0005). Оказалось, что более половины из вновь открытых объектов регулярно (некоторые - до 20 раз) в течение года попадают в выбранные области удержания функционирующих КА.

Таким образом, с учётом ошибок прогноза движения, о которых говорилось выше, следует констатировать факт: в условиях отсутствия максимально полного и динамически обновляемого архива орбитальных и физических характеристик слабых объектов, находящихся в области ГСО, мы НЕ МОЖЕМ адекватно оценить реальную опасность для конкретного функционирующего КА и тем более НЕ МОЖЕМ предупредить операторов такого КА о возможных опасных ситуациях.

Дальнейшее развитие исследований высокоорбитальных объектов

С целью увеличения потока получаемых измерений, повышения периодичности наблюдений объектов, особенно с большим отношением площади к массе, расширения поисковых (обзорных) возможностей с одновременным повышением проницания инструментов предусмотрена поэтапная программа модернизации существующих и создания новых специализированных инструментов.

В ИПМ им. М.В. Келдыша РАН дальнейшее развитие получит динамический архив информации по наблюдаемым объектам. Планируется, что к началу 2008 г. будет создан публичный ресурс для наблюдателей и исследователей, обеспечивающий доступ к накапливаемой информации, а также предоставляющий сервис по планированию сеансов измерений и передаче полученных измерений для обработки.

Объективные сложности решения поставленной задачи

Выявленные особенности популяции слабых объектов в области ГСО (сильная переменность блеска, значительная эволюция орбиты в случае большого отношения площади к массе, распределение во всей области ГСО) не позволяют решить задачу построения достоверной (верифицированной на реальных наблюдениях) модели засорённости столь жизненно важной области ОКП с привлечением ограниченного количества наблюдательных средств.

По своей сложности, методам решения, требуемым возможностям наблюдательных инструментов, требуемой оперативности подтверждающих наблюдений и другим характеристикам задача изучения популяции слабых объектов в области ГСО имеет значительное сходство с задачей поиска астероидов, сближающихся с Землёй. Главное отличие между задачами состоит в следующем. Для астероидов, в случае получения достаточного количества наблюдений на соответствующей мерной дуге может быть не только получена высокоточная орбита, но и осуществлено её прогнозирование с хорошей точностью. В случае высокоорбитальных слабых объектов получение высокоточной орбиты не означает, что мы можем спрогнозировать движение объекта с точностью, достаточной хотя бы для повторного его наблюдения, не говоря уже о задачах анализа опасных ситуаций.

Предложения по организации международного мониторинга космического мусора в области ГСО

В связи с вышеизложенным, нам представляется, что организация широкой международной кооперации по поиску и регулярному наблюдению слабых (15-20 зв. вел.) объектов на высоких геоцентрических орбитах могла бы внести неоценимый вклад в качество и полноту решения задачи достоверной оценки ситуации, связанной с техногенной засорённостью этой области пространства.

Хорошей предпосылкой к организации такой кооперации является наличие в разных странах большого количества астрономических инструментов (в т.ч. используемых в программе поиска АСЗ), которые могли бы некоторую часть времени использоваться для наблюдения этих объектов. Кроме того, высокая квалификация наблюдателей и инженеров, эксплуатирующих такие инструменты, без сомнения позволит провести необходимую подготовку этих инструментов для наблюдения слабых объектов на геоцентрических орбитах.

Цели и задачи исследований