ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ АСТЕРОИДУ 2001 JV1 С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ОРБИТЫ ВЗРЫВОМ Ю.Ф. Колюка, Т.И. Афанасьева Таруса, 2014 ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО Центральный НИИ машиностроения 1

Основание и цели работы Основание и цели работы 2 Седьмая Рамочная Программа Еврокомиссии Проект «NEOShield»: Разработка миссии КА к потенциально опасным космическим объектам (ПОО), сближающимся с Землей, с целью демонстрации принципиальной возможности изменения траектории движения ПОО с отклонением их от Земли за счет определенного воздействия на них современной космической техники и технологий. Оценка достигаемого эффекта изменения параметров движения ПОО для выбранного способа воздействия. Седьмая Рамочная Программа Еврокомиссии Проект «NEOShield»: Разработка миссии КА к потенциально опасным космическим объектам (ПОО), сближающимся с Землей, с целью демонстрации принципиальной возможности изменения траектории движения ПОО с отклонением их от Земли за счет определенного воздействия на них современной космической техники и технологий. Оценка достигаемого эффекта изменения параметров движения ПОО для выбранного способа воздействия.

Цели и задачи миссии в варианте взрыва Цели и задачи миссии в варианте взрыва Техническая демонстрация принципа изменения параметров орбиты ПОО с помощью ядерного взрыва Повышение уровня понимания физических процессов, происходящих при ядерном взрыве вблизи астероида, в том числе: - испарения вещества астероида, - динамики разлета испаренного вещества Регистрация изменения орбиты астероида после взрыва Вторичные научные цели миссии Исследование астероида в дистанционном режиме: определение химического состава вещества, геологического строения, геоморфологии астероида Измерение размера и формы, картографирование астероида Уточнение массы астероида Техническая демонстрация принципа изменения параметров орбиты ПОО с помощью ядерного взрыва Повышение уровня понимания физических процессов, происходящих при ядерном взрыве вблизи астероида, в том числе: - испарения вещества астероида, - динамики разлета испаренного вещества Регистрация изменения орбиты астероида после взрыва Вторичные научные цели миссии Исследование астероида в дистанционном режиме: определение химического состава вещества, геологического строения, геоморфологии астероида Измерение размера и формы, картографирование астероида Уточнение массы астероида 3

Требования к АСЗ – кандидату для демо-миссии Требования к АСЗ – кандидату для демо-миссии Потенциально опасный для Земли объект: - MOID (Minimum orbit intersection distance) 0.05 а.е., - минимальный размер ( в поперечнике) > м Размер выбираемого для демо-миссии АСЗ - ПОО: ~ м (абсолютная звездная величина Н ~ 19 24) Орбита астероида должна быть достаточно хорошо известна Астероид должен достигаться в сроки не превышающие 3-5 лет (при использовании существующей или создаваемой в ближайшем будущем РКТ) Потенциально опасный для Земли объект: - MOID (Minimum orbit intersection distance) 0.05 а.е., - минимальный размер ( в поперечнике) > м Размер выбираемого для демо-миссии АСЗ - ПОО: ~ м (абсолютная звездная величина Н ~ 19 24) Орбита астероида должна быть достаточно хорошо известна Астероид должен достигаться в сроки не превышающие 3-5 лет (при использовании существующей или создаваемой в ближайшем будущем РКТ) 4

Выбор астероида 2001 JV1 в качестве объекта-цели Выбор астероида 2001 JV1 в качестве объекта-цели Астероид открыт в 2001 г. в Паломарской обсерватории в рамках проекта NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking) JPL Астероид наблюдался в двух появлениях (2001 и 2010 гг.), в т.ч. и радиолокационным способом Параметры астероида как ПОО: - MOID ~ а.е. (3.3. млн. км), - ~ 130 м, m A ~ 2.76×10 9 кг, Н ~ период обращения вокруг оси ~ 29 час. Орбита астероида уточнена в 2013 г. в JPL по всему составу имеющихся наблюдений. Параметры орбиты астероида (эклиптика J 2000): Р ~ года, а ~ а.е., е ~ 0.435, q ~ а.е., Q ~ а.е. i ~ 6.631º, ω ~ º, Ω ~ º, t π ~ ,2904. Астероид открыт в 2001 г. в Паломарской обсерватории в рамках проекта NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking) JPL Астероид наблюдался в двух появлениях (2001 и 2010 гг.), в т.ч. и радиолокационным способом Параметры астероида как ПОО: - MOID ~ а.е. (3.3. млн. км), - ~ 130 м, m A ~ 2.76×10 9 кг, Н ~ период обращения вокруг оси ~ 29 час. Орбита астероида уточнена в 2013 г. в JPL по всему составу имеющихся наблюдений. Параметры орбиты астероида (эклиптика J 2000): Р ~ года, а ~ а.е., е ~ 0.435, q ~ а.е., Q ~ а.е. i ~ 6.631º, ω ~ º, Ω ~ º, t π ~ ,

Орбита астероида 2001 JV1Орбита астероида 2001 JV1 6

Изменение R и d в пределах периода обращения астероида 2001 JV 1 7 R - расстояние до Солнца d – расстояние между орбитами астероида и Земли

Изменение эклиптических координат λ, β и d в пределах периода обращения астероида 2001 JV 1 8

Изменение расстояний ρ А-З и расстояний d на интервале времени гг. 9

10

Сценарий демонстрационной миссии Сценарий демонстрационной миссии Для снижения рисков негативного влияния космической среды на работоспособность ядерного зарядного устройства рассматриваются схемы межпланетных перелетов, обеспечивающие доставку КА к астероиду в как можно более короткие сроки. Предпочтение отдается прямому перелету, при условии его технической реализуемости КА доставляется в определенную точку в окрестности астероида, где он может совершить безопасный маневр торможения, в результате которого скорости КА и астероида будут, в основном, выровнены, а оставшаяся относительная скорость позволит КА достаточно медленно сближаться с астероидом В период сближения с использованием бортовых измерительных средств и наземных средств траекторного контроля осуществляется прецизионная навигация КА относительно астероида и реализуется технология выхода на режим сопровождения полета некооперируемого объекта Для снижения рисков негативного влияния космической среды на работоспособность ядерного зарядного устройства рассматриваются схемы межпланетных перелетов, обеспечивающие доставку КА к астероиду в как можно более короткие сроки. Предпочтение отдается прямому перелету, при условии его технической реализуемости КА доставляется в определенную точку в окрестности астероида, где он может совершить безопасный маневр торможения, в результате которого скорости КА и астероида будут, в основном, выровнены, а оставшаяся относительная скорость позволит КА достаточно медленно сближаться с астероидом В период сближения с использованием бортовых измерительных средств и наземных средств траекторного контроля осуществляется прецизионная навигация КА относительно астероида и реализуется технология выхода на режим сопровождения полета некооперируемого объекта 11

Сценарий демонстрационной миссии (2)Сценарий демонстрационной миссии (2) КА в течение заданного периода времени совершает полет вблизи и вокруг астероида и выполняет запланированную программу дистанционных исследований этого объекта С использованием высокоточных бортовых угловых и дальномерных измерений астероида уточняется его орбита до проведения взрыва При нахождении над заданной точкой поверхности астероида от КА отделяется автономный модуль с зарядным устройством, который начинает медленно выходить на заданную высоту проведения взрыва, а КА в результате небольшого маневра удаляется от астероида на безопасное расстояние (~ км) По команде с базового КА (или по заложенной в автономном модуле программе) реализуется взрыв, который регистрируется на базовом КА КА выходит на режим полета в достаточной близости от астероида и реализует специальную программу бортовых навигационных измерений, которые позволят определить эффект изменения орбиты астероида КА в течение заданного периода времени совершает полет вблизи и вокруг астероида и выполняет запланированную программу дистанционных исследований этого объекта С использованием высокоточных бортовых угловых и дальномерных измерений астероида уточняется его орбита до проведения взрыва При нахождении над заданной точкой поверхности астероида от КА отделяется автономный модуль с зарядным устройством, который начинает медленно выходить на заданную высоту проведения взрыва, а КА в результате небольшого маневра удаляется от астероида на безопасное расстояние (~ км) По команде с базового КА (или по заложенной в автономном модуле программе) реализуется взрыв, который регистрируется на базовом КА КА выходит на режим полета в достаточной близости от астероида и реализует специальную программу бортовых навигационных измерений, которые позволят определить эффект изменения орбиты астероида 12

Условия осуществления миссии Условия осуществления миссии КА выводится на межпланетную траекторию с помощью системы «Протон-М/Бриз-М» с космодрома «Байконур» КА проектируется на основе опробованной платформы, разработки НПО им. С.А. Лавочкина Масса КА после выведения на межпланетную траекторию составляет m КА ~2000 кг, из них запас топлива m Т ~ кг Удельный импульс ДУ КА - Isp ~ c Скорость отлета КА от Земли V7000 м/c Импульс торможения при подлете к астероиду V Т 1000 м/с КА выводится на межпланетную траекторию с помощью системы «Протон-М/Бриз-М» с космодрома «Байконур» КА проектируется на основе опробованной платформы, разработки НПО им. С.А. Лавочкина Масса КА после выведения на межпланетную траекторию составляет m КА ~2000 кг, из них запас топлива m Т ~ кг Удельный импульс ДУ КА - Isp ~ c Скорость отлета КА от Земли V7000 м/c Импульс торможения при подлете к астероиду V Т 1000 м/с 13

Условия воздействия на астероид с помощью взрыва Условия воздействия на астероид с помощью взрыва Ядерный заряд содержится в специальном отделяемом модуле КА, способном совершать автономный полет Незадолго до взрыва модуль с зарядным устройством отделяется от базового КА и остается вблизи выбранной точки над поверхностью астероида Выбор места осуществления взрыва определяется необходимым направлением импульса скорости V А, возникающего в результате этого взрыва Для демонстрации возможности воздействия выбирается отнесенный ядерный взрыв, проводимый на небольшом (30 – 100 м) расстоянии от поверхности астероида Мощность взрыва должна соответствовать условию изменения скорости астероида V А 5 см/с (во избежание возможной нежелательной фрагментации этого тела) Ядерный заряд содержится в специальном отделяемом модуле КА, способном совершать автономный полет Незадолго до взрыва модуль с зарядным устройством отделяется от базового КА и остается вблизи выбранной точки над поверхностью астероида Выбор места осуществления взрыва определяется необходимым направлением импульса скорости V А, возникающего в результате этого взрыва Для демонстрации возможности воздействия выбирается отнесенный ядерный взрыв, проводимый на небольшом (30 – 100 м) расстоянии от поверхности астероида Мощность взрыва должна соответствовать условию изменения скорости астероида V А 5 см/с (во избежание возможной нежелательной фрагментации этого тела) 14

м 15

Характеристики орбитального движения астероида 2001 JV1 в период миссии 2021 года 16

Энергетические характеристики «перехватывающего» перелета к астероиду 2001 JV1 при стартах в начале марта и начале мая 2021 года 17

Энергетические характеристики перелета к астероиду при старте для разных дат подлета 18

Характеристики баллистических схем полета к астероиду 2001 JV1 при старте для разных дат подлета 19 Дата подлета Время перелета, сут Угол перелета, град V старта, км/с V отлета, км/с V подлета, км/с V, км/с

Условия для бортовой навигации при подлете КА к астероиду 2001 JV1 в период миссии 2021 года 20

Гелиоцентрическая орбита перелета КА к астероиду 2001 JV1 при старте

Заключение 22 Предложена концепция осуществления демонстрационной миссии к потенциально опасному астероиду с целью изменения его орбиты взрывом в части баллистики и навигации КА и оценки эффекта воздействия на ПОО Исследована динамика и особенности движения и сближения с Землей астероида 2001 JV1 - возможного кандидата для демо-миссии Оценена возможность и характеристики движения КА вблизи астероида 2001 JV1 по орбите его искусственного спутника Установлена зависимость изменения параметров орбиты и условий сближения астероида 2001 JV1 с Землей от места и направления приложения к нему импульса скоростиV А, возникающего в результате ядерного взрыва вблизи астероида Выполнен анализ потребных энергетических затрат для реализации миссии полета к астероиду 2001 JV1 для разных вариантов перелетов при старте КА в период 2021 года Спроектирована баллистическая схема полета КА к астероиду 2001 JV1, отвечающая требованиям демонстрационной миссии к ПОО, которая может быть практически реализована в гг. на основе существующих (или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетно- космической техники, космических технологий и инфраструктуры Предложена концепция осуществления демонстрационной миссии к потенциально опасному астероиду с целью изменения его орбиты взрывом в части баллистики и навигации КА и оценки эффекта воздействия на ПОО Исследована динамика и особенности движения и сближения с Землей астероида 2001 JV1 - возможного кандидата для демо-миссии Оценена возможность и характеристики движения КА вблизи астероида 2001 JV1 по орбите его искусственного спутника Установлена зависимость изменения параметров орбиты и условий сближения астероида 2001 JV1 с Землей от места и направления приложения к нему импульса скоростиV А, возникающего в результате ядерного взрыва вблизи астероида Выполнен анализ потребных энергетических затрат для реализации миссии полета к астероиду 2001 JV1 для разных вариантов перелетов при старте КА в период 2021 года Спроектирована баллистическая схема полета КА к астероиду 2001 JV1, отвечающая требованиям демонстрационной миссии к ПОО, которая может быть практически реализована в гг. на основе существующих (или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетно- космической техники, космических технологий и инфраструктуры