Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра
Шрифт:
10.1. Проблема противодействия — общие аспекты
Растущее понимание существа астероидно-кометной опасности и ее текущего состояния сформировало определенную методологию последовательного решения проблемы астероидной опасности. Эту методологию предложено основывать на рациональном разделении проблемы астероидной опасности в целом на три составные части [Лощенков и др., 2004]:
• обнаружение и мониторинг потенциально опасных и угрожающих объектов;
• выбор средств противодействия;
• доставка средств противодействия к угрожающему объекту. Первая составная часть и связанные с ней проблемы сегодня находятся в процессе решения (см., например, главу 6). Развитие
Существует два метода активного противодействия космической угрозе: уничтожение (дефрагментация) угрожающего тела и увод тела с орбиты, приводящей его к удару по Земле.
Метод уничтожения предполагает достаточно полное разрушение малого небесного тела и его превращение в поток метеороидов, хорошей защитой от которых служит атмосфера Земли. Очевидно, что в этом случае размеры отдельных фрагментов разрушенного астероида не должны превышать нескольких метров. Альтернативный метод борьбы — метод увода — предусматривает изменение орбиты астероида, влекущей за собой удар по Земле, на другую траекторию, минующую Землю на безопасном расстоянии.
За прошедшее время было предложено большое количество конкретных способов борьбы с угрожающими объектами (см., например, [Сокольский, 1996; Боярчук, 1999]). Они основаны на энергетическом воздействии на астероид согласно двум диаметрально противоположным стратегиям. Первую из них (т. н. «перехват») предлагается использовать при недостатке времени. Она предусматривает мощное, но кратковременное силовое воздействие на угрожающее тело. Результатом такого воздействия может являться либо дефрагментация астероида до состояния метеорного потока, либо его увод как целого объекта с поражающей траектории. Вторая стратегия («маневр», или «увод»), по-видимому, предпочтительнее, если времени достаточно (не менее одного или нескольких периодов обращения астероида вокруг Солнца). Она заключается в воздействии на объект существенно меньшей силы, но действующей в течение длительного времени. Ее однозначным результатом должен стать увод астероида с траектории удара по Земле.
Неотъемлемыми элементами рассмотрения эффективности любой стратегии и способов активного противодействия удару астероида по Земле должны являться конкретные данные об особенностях его движения, структуре и физико-химических свойствах астероида. К сожалению, такая информация пока весьма скудна, а для большинства опасных объектов ее просто нет.
Изменение орбит малых небесных тел при сближении с планетами было известно астрономам давно и относилось к фундаментальной научной проблеме миграции малых небесных тел в Солнечной системе. До возникновения проблемы астероидной угрозы такое специфическое изменение орбит небесных тел интересовало лишь узкий круг специалистов.
Обнаружение астероида Апофис в 2004 г. и анализ возможности возникновения возвратных (резонансных) траекторий при его близком пролете мимо Земли в 2029 г. обострило понимание того, что любая коррекция траектории угрожающего астероида всегда должна быть тщательно проанализирована во избежание прохода астероида через зоны резонансного возврата и появления угрозы повторного опасного сближения с Землей.
Кажется разумным принять, что любые предложения и исследования, относящиеся к решению проблемы противодействия астероидной опасности, должны быть полностью подчинены трем основным принципам реализации противодействия космической угрозе, а именно:
— результат операции противодействия должен прогнозироваться однозначно и гарантировать безопасность населения Земли;
— операция противодействия должна содержать как неотъемлемую часть возможность исправления ошибок, которые могут появиться по ходу проведения операции
— планирование операции противодействия должно исходить из технологических возможностей существующей космической техники и перспектив ее развития в течение ближайших десятилетий.
Рассматривая любой способ устранения удара по Земле, нужно, прежде всего, оценить технологическую возможность доставки средства противодействия к самому астероиду как полезной нагрузки определенной массы. Такая возможность полностью определяется существующим и перспективным уровнем развития средств вывода космической техники на соответствующие гелиоцентрические орбиты.
В настоящей главе принят следующий порядок изложения. Сначала рассматривается механика коррекции траектории угрожающего тела различными способами. Это позволяет получить простые количественные оценки изменения вектора скорости тела, необходимого для безопасного увода угрожающего астероида.
Вслед за этим будут произведены оценки пределов для полезной нагрузки, доставляемой к угрожающим астероидам, с учетом средств космической техники, которой располагает человечество в текущем десятилетии.
Далее для прояснения технологического облика проблемы активного противодействия угрожающим объектам рассматривается модельный пример применения полученных оценок. Вслед за этим рассматриваются вопросы целесообразности полета к опасным астероидам, иллюстрируемые примером многоцелевой миссии посещения конкретного угрожающего астероида Апофис.
10.2. Механика коррекции орбиты угрожающего тела
В данном разделе рассматриваются соображения, касающиеся эффективности различных способов изменения орбиты угрожающего тела, производимого с целью его увода с орбиты столкновения. По сути дела, для такого увода необходимо просто изменить орбиту угрожающего тела так, чтобы оно в момент прогнозируемого удара заняло другое положение в пространстве. Возможен и другой вариант интерпретации увода — изменить движение угрожающего тела таким образом, чтобы оно оказалось в том же месте пространства, но в другой момент времени, когда Земли в нем не будет. Далее будет рассматриваться первый вариант как наиболее просто реализуемый.
Все способы увода основаны на изменении траектории небесного тела с помощью той или иной коррекции вектора скорости этого тела. Подобная коррекция может быть осуществлена либо мгновенно, либо в течение некоторого времени.
Полный анализ эффективности решения задачи увода требует рассмотрения относительного движения Земли и астероида по орбитам в четырехмерной пространственно-временной системе координат. Однако применительно к проблеме астероидной угрозы в такой общей постановке подобный анализ пока ждет своего обстоятельного проведения.
Поэтому здесь будет рассматриваться упрощенная задача оценки малых изменений траектории движения небесного тела, базирующаяся на линеаризации уравнений околокругового движения. Далее, для простоты получения предварительных количественных оценок, будут рассматриваться орбиты астероидов, не слишком отличающиеся от орбиты Земли. В частности, такой можно считать орбиту угрожающего астероида Апофис. Оправданием такого подхода служит, во-первых, тот факт, что значительная часть потенциально опасных объектов обращается по орбитам с небольшим эксцентриситетом. Во-вторых, при этом оказывается возможным получить достаточно наглядную интерпретацию увода и простые количественные соотношения, полезные для анализа угрожающей ситуации и ликвидации угрозы. Дальнейшее рассмотрение удобнее всего основывать на общем анализе кинематики околокругового движения небесного тела, проведенного в работе [Эльясберг, 1965]. В качестве примеров применения полученных результатов можно рассматривать две модели увода.