Возможности и средства оценки повреждений космических аппаратов 

Осмотр и первичный анализ повреждений от ударов КМ возможен непосредственно в космосе силами космонавтов. Так было на МКС, телескопе «Хаббл» и еще раньше на советских орбитальных станциях. Известно много случаев возвращения на Землю экспонированных в космосе поверхностей и самого тщательного их анализа в лабораторных условиях [LDEF., 1993]. Очень много полезной информации о воздействии КМ на космические аппараты дают наземные лабораторные испытания с применением сверхскоростных ударов. В качестве вспомогательного средства используется компьютерное (аналитическое и цифровое) моделирование. 

 Обшивка МКС, обстрелянная космическим мусором 

В наземных лабораториях исследуются: 

• непосредственные результаты ударов КМ или его имитаций;
  
• воздействие ударов КМ на функциональные характеристики КА и его компоненты, их надежность, живучесть;
  
• эффективность методов противодействия повреждениям от ударов КМ (защитные покрытия, их материалы, конструкция, компоновка); воспроизведение разрушений КО (КА, РН, крупного КМ) в результате взрывов и столкновений, образование осколков. 

При этом главный метод моделирования — экспериментальный сверхскоростной удар, а его цель — выяснение, как КА или его компоненты смогут перенести столкновение в космосе с КМ, а также уточнение влияния этих факторов на процесс засорения ОКП. Поскольку практически нереально и экономически накладно построить целый КА для последующего разрушения в лаборатории, испытания в основном проводятся на отдельных его компонентах и их сборках (топливные баки, связки проводов, изоляционные материалы, структурные блоки). Подробнее см. [Christiansen, 1990; Christiansen, Ortega, 1990; Orbital..., 1995; Schneider, Stilp, 1993; Whitney, 1993].

 Модель микроспутника с солнечными батареями, основная миссия которого – изучение поведения космического мусора 

В рамках сотрудничества японского университета Кюсю и подразделения НАСАНациональное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (англ. National Aeronautics and Space Administration) — агентство, принадлежащее федеральному правительству США, подчиняющееся непосредственно вице-президенту США и финансируемое на 100 % из государственного бюджета, ответственное за гражданскую космическую программу страны. Все изображения и видеоматериалы, получаемые НАСА и подразделениями, в том числе с помощью многочисленных телескопов и интерферометров, публикуются как общественное достояние и могут свободно копироваться. по проблемам техногенного засорения космоса недавно было проведено семь ударных тестов, где целями служили уже натурные КА — микроспутники размерами от 15x15x15 до 20x20x20 см. Масса этих аппаратов составляла примерно 1,5 кг. Каждая цель была полностью оборудована функциональной электроникой (батареи, приемники, передатчики). В двух последних тестах на спутниках монтировались солнечные панели и многослойное защитное покрытие корпуса. Все цели были обстреляны снарядами различных размеров и при разных скоростях ударов. Образовавшиеся фрагменты размером до 2 мм были собраны, изучены и каталогизированы. Результаты тестов использованы для улучшения модели разрушений НАСАНациональное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (англ. National Aeronautics and Space Administration) — агентство, принадлежащее федеральному правительству США, подчиняющееся непосредственно вице-президенту США и финансируемое на 100 % из государственного бюджета, ответственное за гражданскую космическую программу страны. Все изображения и видеоматериалы, получаемые НАСА и подразделениями, в том числе с помощью многочисленных телескопов и интерферометров, публикуются как общественное достояние и могут свободно копироваться. [Hanada, Liou, 2009; Murakami et al., 2009]. 

Многие аналитические теории предсказания повреждений от ударов км основаны, с целью упрощения вывода математических зависимостей, на предположении сферичности формы КМ. Однако реальный КМ характеризуется большим разнообразием форм. Удар несферического тела может причинить значительно большее повреждение во многих ситуациях. Например, глубина проникновения и объем кратера от удара в толстую плоскую мишень сильно зависят от длины снаряда вдоль его оси полета в момент удара [Gehring, 1970]. Плоские снаряды в виде пластинок приводят к большим повреждениям, чем сферические той же массы и при такой же скорости [Boslough et al., 1993]. 

Экономически нереально испытывать все компоненты при всех возможных условиях ударов КМ. Поэтому критические элементы подвергают испытаниям в номинальных условиях, а затем обращаются к компьютерному моделированию с целью распространения полученных результатов на космический аппарат в целом. 

Компьютерное моделирование служит связывающим звеном между результатами обследования поверхностей, реально подвергшихся воздействию КМ в космосе, и предположениями ученых, проверяя и калибруя последние. Модели также позволяют экстраполировать данные, полученные в лаборатории в ограниченном диапазоне, на широкий спектр условий, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. 

При проверке надежности броневых покрытий также прибегают к сочетанию натурных экспериментов и компьютерного моделирования. Сочетание сверхскоростных тестов и компьютерного моделирования представляется довольно мощным инструментом оценки выживаемости КА и КС при ударах км. 

Ударные испытания применяются и для исследования механизма образования осколков разрушения при сверхскоростном столкновении в космосе. Знать это очень важно для прогнозирования эволюции популяции КМ. Однако такие эксперименты очень дороги и их проведено немного. Конечно, полученные результаты можно экстраполировать с помощью компьютерных моделей, но со значительной степенью неопределенности ввиду ограниченности имеющихся данных. 

Существует множество экспериментальных средств для моделирования и изучения ударов КМ, с помощью которых можно воспроизвести испытания с довольно крупными снарядами, разгоняемыми до больших скоростей. Однако есть определенные границы возможностей в этом направлении. Все разнообразие форм, размеров и состава КМ пока не может быть испытано во всех диапазонах скоростей. Имеются трудности с разгоном крупных снарядов до типичных скоростей столкновений в низкоорбитальной области ОКП. Эти ограничения затрудняют проектирование защитных покрытий, адекватных действительной космической среде, снижают точность предсказания ущерба от столкновения со сред-неразмерными КО, добавляют неопределенность в прогнозирование будущей популяции засоренности ОКП.

При испытании броневых покрытий КА в лабораторных условиях обычно используются ударные частицы размером от 1 мм до 1 см и массой до нескольких грамм, но вполне возможно провести тест и с более крупными снарядами, разгоняемыми до типичных скоростей столкновений на высоких орбитах. 

Стандартная лабораторная двухступенчатая газовая пушка на легком газе может разгонять объекты размером до 50 мм до скоростей около 8 км/с. Некоторые пушки ускоряют, правда более мелкие объекты, до 10 км/с и выше. Стандартный снаряд — сфера, но возможны и другие формы — тонкие пластинки, длинные стержни, цилиндры [Piekutovski, 1986]. 

Поскольку легкогазовая пушка не может разгонять снаряд до скоростей, типичных для столкновения НОКО (10…15 км/с), были созданы ультрасверхскоростные пушки с расширенным диапазоном скоростей специально для изучения воздействия КМ на КА, способные доводить скорость небольших титановых пластинок до 15,8 км/с [Chhabilidas et al., 1992]. 

В России существуют также крупные камеры, в которых можно квазинатурно моделировать экспериментальные орбитальные взрывы и столкновения в контролируемой среде [Fortov, 1993]. 

Конструкторы защитных покрытий в работе используют (как вспомогательный инструмент исследований) аналитические методы, включающие уравнения «баллистического предела» [Herrman, Wilbeck, 1986; Reimerdes et al., 1993; Ryan, Christiansen, 2010]. С их помощью рассчитываются размеры частицы, останавливаемой данным конкретным щитом в функции скорости удара, его угла, плотности атакующей частицы и уравнения размеров щита [Christiansen, 1992]. Есть и аналитические модели для предсказания повреждений от ударов и их последствий, но они несколько сложнее. 

К сожалению, не хватает моделей стандартизированных оценок рисков для определения вероятностей выхода из строя компонент КА вследствие удара км и стандартизированных моделей ухудшения рабочих характеристик компонент КА. Из-за этого последствия ударов КМ для КА и его выживаемость приходится оценивать косвенно, прибегая к рискованной экстраполяции [Orbital___, 1995]. 

Следует иметь в виду, что диапазон возможностей разгона частиц нужной массы и формы при моделировании ударов КМ пока ограничен. Эти ограничения затрудняют проектирование броневого покрытия КА, адекватного действительной космической среде, снижают точность прогнозирования ущерба, добавляют неопределенность в предсказание будущей популяции КМ. 

Исследовательская орбитальная лаборатория LDEF 

Другим слабым звеном в конструкции щитов от КМ часто бывает предположение, что крупный км состоит из алюминия, а мелкий из окиси алюминия. В реальности некоторые КО состоят из материалов более высокой плотности. При обследовании поверхности КА LDEF, как уже говорилось выше, обнаружены следы ударов частиц из нержавеющей стали, серебра, меди [Horz, Bernhard, 1992]. Щит, готовый выдержать удары алюминиевого КМ, может оказаться неспособным противостоять ударам более плотных тел.

 Конечно, нереально испытывать щиты и другие компоненты КА на удары км всех возможных размеров, масс, форм, составов во всех диапазонах космических скоростей. Здесь нужно обращаться за помощью к компьютерным моделям, откалиброванным по достаточному объему экспериментальных данных, для экстраполяции на недостающие условия испытаний. 

( по материалам http://unnatural.ru/ )