Исследования объектов искусственного происхождения на околоземных орбитах проводятся в Российской Академии Наук с момента запуска Первого ИСЗ. Они были направлены преимущественно на наблюдения крупных объектов на высоких орбитах с целью уточнения параметров моделей движения, изучения динамики неуправляемого движения нефункционирующих ступеней и космических аппаратов, отработки методов астрометрии и фотометрии и т.п. Однако систематических исследований по проблеме засорённости околоземного космического пространства не проводилось.
Ввиду всё возрастающей важности проблемы космического мусора распоряжением Президиума РАН №10310-142 от 28 февраля 2001 г. ИПМ им. Келдыша РАН было поручено создать Центр сбора, хранения, обработки и анализа научной информации по космическому мусору. В том же году в ИПМ им. М.В.Келдыша были развёрнуты первые экспериментальные работы в этом направлении. Основным направлением деятельности стало налаживание регулярного получения измерительной информации, без которой невозможно решение любых задач связанных с данной проблематикой, процесса её обработки и анализа. Но поскольку изучаемые космические объекты являются достаточно быстрыми, тусклыми (слабее 15 зв. величины) и имеют сильную переменность блеска, то это возможно только при скоординированной работе протяжённой сети станций наблюдения и оснащении оптических инструментов современными регистрирующими устройствами - ПЗС-камерами.
В течение первых лет исследований ИПМ им. М.В.Келдыша совместно с ГАО РАН и Крымской астрофизической обсерваторией (КРАО) провёл ряд экспериментов по наблюдению объектов в области ГСО. В ходе экспериментов были отработаны методы проведения наблюдений, обработки получаемых кадров и т.п., сформулированы требования к необходимому оборудованию. В 2004 г. было налажено сотрудничество с европейскими партнёрами - Астрономическим институтом Университета Берна (обсерватория Циммервальд), Европейским центром космических операций - ESOC (обсерватория ЕКА на о. Тенерифе), английской сетью наблюдения PIMS (компания Observatory Sciences Ltd.), начали восстанавливаться связи с обсерваториями стран СНГ. По грантам Министерства образования и науки РФ и INTAS в 2005 г. были закуплены и установлены первые современные ПЗС-камеры. С этого момента начались полномасштабные работы по созданию новой Научной сети оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений (НСОИ АФН - International Space Observation Network, ISON).
Обсерватории, входящие в Сеть, уже сейчас обеспечивают возможность проведения исследований засорённости области ГСО во всём диапазоне долгот от 0° до 360°. Благодаря чёткой скоординированной работе и эффективному сотрудничеству с европейскими партнёрами получены уникальные результаты по объектам космического мусора на ГСО и ВЭО с блеском до 20-20.5 звёздной величины, включая объекты с большим отношением площади к массе. Проведены экспериментальные работы по изучению космического мусора на других орбитах.
Рисунок 2. Некоторые из инструментов сети НСОИ АФН: 22-см телескоп в УАФО ДВО РАН, АТ-64 и ЗТШ (2.6 м) в КРАО
Именно в проекте НСОИ АФН впервые в России для наблюдений космического мусора стали применяться ПЗС-камеры. Для переоснащения телескопов к настоящему времени приобретены более 20-ти современных крупноформатных ПЗС-камер (в том числе десять камер с размером ПЗС-матрицы 36х36 мм и две - 50х50 мм). С целью унификации управления разными инструментами в различных режимах наблюдения, внедрения единых стандартов обработки получаемых кадров и представления измерений (в т.ч. единой калибровочной базы) проведена работа по созданию стандартных аппаратно-программных средств. В частности, командой ГАО РАН разработан прибор на основе платы GPS-приемника для точной привязки времени измерений и налажен их серийный выпуск, создан типовой комплект программного обеспечения для всех обсерваторий НСОИ АФН, включающий программу обработки ПЗС-кадров и комплекс программ управления аппаратурой телескопа. Командой КРАО отработаны методы проведения обзоров области геостационарной орбиты в широкой полосе с обнаружением всех космических объектов в зоне обзора, имеющих угловую скорость в заданном диапазоне, с вероятностью близкой к 100% (до 500 объектов за ночь на одном телескопе). Отработаны методы обнаружения и последующего сопровождения малоразмерных фрагментов космического мусора с блеском от 15 до 20 звёздной величины (некоторые из обнаруженных фрагментов сопровождаются по нескольку лет).
Результаты исследований
В динамическом архиве ИПМ им. М.В.Келдыша РАН в настоящее время уже собрано порядка 650000 измерений по более чем 1900 высокоорбитальным объектам, включая более 500 новых объектов, открытых средствами НСОИ АФН и её партнёров. По этим измерениям построен архив орбитальной информации и событий (манёвров, разрушений и т.п.), определены физические характеристики объектов (блеск, отношение площади к массе). Этот архив будет использован в качестве основы для формирования уточнённой модели распределения и эволюции космического мусора в области ГСО, а впоследствии - и в области высокоэллиптических орбит.
Для избранного перечня космических объектов на основе наиболее точных измерений (ошибка измерений углового положения - 0.4-0.8 угл. сек) построены высокоточные орбиты, позволяющие решать задачи поиска и детального анализа опасных сближений, выявления малых непрогнозируемых изменений орбиты, обусловленных неизвестными причинами, и т.п.
Впервые в мире совместно с европейскими коллегами сформирован банк данных по более чем 350 малоразмерным фрагментам космического мусора на высоких орбитах, отсутствующих в публичных источниках информации. 161 фрагмент в геостационарной области регулярно наблюдается в режиме сопровождения (рис. 3, 4). При этом следует отметить, что они были обнаружены на разных типах орбит: как дрейфующих, так и либрационных. Это означает, что образование фрагментов осуществляется за счёт разных механизмов:
- для объектов на либрационных орбитах - это отделение с малой относительной скоростью от "родительского" объекта (возможные сценарии - низкоскоростное столкновение, разрушение внешних поверхностей при старении за счёт воздействия факторов окружающей среды или низкоскоростное отделение операционных фрагментов);
- для объектов на дрейфующих орбитах - это низкоскоростные отделения от объектов на орбитах захоронения (возможные сценарии: низкоскоростное столкновение, старение внешних поверхностей за счёт воздействия факторов окружающей среды) или высокоскоростные от любых объектов в области ГСО (возможный сценарий - разрушение).
Рисунок 3. Распределение вновь открытых малоразмерных высокоорбитальных фрагментов по блеску.
Подтверждено существование облаков фрагментов на ГСО, порожденных разрушением нескольких КА "Экран" и ступеней типа "Транстейдж".
Впервые в истории страны осуществляется регулярный просмотр всей приэкваториальной области ГСО на дуге 360°. Для зоны 31.5° з.д. - 90° в.д. осуществлён выход на режим регулярных (до 140 ночей в год) глобальных обзоров области ГСО в полосе шириной ±16° относительно экватора. В течение 2008-2009 гг. планируется выход на режим глобального обзора всей оставшейся области ГСО. Открытие новых неизвестных объектов происходит в каждом обзоре.
Благодаря значительному количеству и высокому качеству измерений стало возможным решать задачи выявления "слабых" динамических событий в области высоких орбит. Например, обнаружены случаи необъявленного отделения операционных фрагментов в области ГСО (фрагменты китайского КА Фенъюнь-2Д, американских КА типа DSP и др.), в 2007 г. выявлены случаи внезапных изменений в орбитальном движении пассивных КА на ГСО (КА "Купон" 1997-070A, КА "Радуга" 1993-013A и др.), обусловленные дополнительным воздействием пока не установленной природы. Накоплен значительный по объёму наблюдательный материал, достаточный для анализа особенностей удержания КА в орбитальной позиции при одновременном размещении в той же точке стояния КА других операторов.
Рисунок 4. Распределение вновь открытых малоразмерных высокоорбитальных фрагментов по величине отношения площади к массе.
Полученные в ходе исследований орбитальные данные по неизвестным геостационарным объектам с блеском ярче 15-й звёздной величины ежегодно публикуются в сборнике "ESOC Classification of Geosynchronous Objects" (последний выпуск - №10, февраль 2008 г., в который вошло уже 143 таких объекта).
Результаты совместных с европейскими партнёрами наблюдений высокоорбитальных фрагментов публикуются в ежемесячном бюллетене ИПМ им. М.В.Келдыша РАН "High Geocentric Orbit Space Debris Circular".
НСОИ АФН - пример проекта открытого и плодотворного международного сотрудничества
За счёт создания и развития проекта НСОИ АФН во взаимодействии с партнёрами Сети достигнут новый уровень качества исследований области ГСО:
- контролируется вся область;
- налажены регулярные обзоры в широкой полосе;
- впервые достигнута полнота знаний о популяции ГСО-объектов ярче 15-й звёздной величины;
- результаты представлены в открытом доступе.
Обнаружение нескольких сотен ранее не известных ярких объектов в области ГСО и ВЭО показывает наличие существенных пробелов в современных знаниях о популяции космического мусора на высоких орбитах. Количество вновь открываемых высокоорбитальных фрагментов растёт, поэтому исследования этой области пространства необходимо продолжать и расширять с целью выявления как можно большего числа потенциально опасных объектов, пересекающих орбиты функционирующих космических аппаратов.
Отработан процесс обнаружения и устойчивого сопровождения значительного количества малоразмерных фрагментов на высоких орбитах.
Впервые в мировой практике информация по высокоорбитальным малоразмерным объектам космического мусора регулярно публикуется и доступна исследователям.
Сеть НСОИ АФН интенсивно развивается и в ближайшее время будет способна осуществлять контроль всех ярких объектов на ГСО и ВЭО.
Результаты работы Сети могут использоваться в международной деятельности по изучению проблемы космического мусора. В частности, в рамках работ, проводимых Межагентским координационным комитетом по космическому мусору (IADC). По поручению Роскосмоса ИПМ им. М.В.Келдыша обобщает и представляет результаты работы сети НСОИ АФН на заседаниях 1 рабочей группы IADC. С 2006 г. обсерватории НСОИ АФН принимают участие во всех оптических наблюдательных кампаниях IADC. В 2007 и 2008 гг. полученные результаты представлялись на сессиях Научно-технического подкомитета Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях.
НСОИ АФН - открытый научный проект и мы будем рады сотрудничеству с научными коллективами разных стран, которые могут внести свой вклад в решение сложных задач исследования засорённости высоких околоземных орбит.
Размещено 18 марта 2008
