Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов генерации и эволюции локальных пылевых образований в околоземном космическом пространстве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Юдаков, Александр Александрович

• Юдаков, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Юдаков, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКП ПЫЛЕВЫМИ ЧАСТИЦАМИ.

1.1. Пылевые частицы антропогенного происхождения в ОКП.

1.2. Методы и средства обнаружения и исследования объектов искусственного происхождения в ОКП.

1.3. Пространственные характеристики мелкой фракции космического мусора.

1.4. Источники пылевого загрязнения ОКП.

1.5 Факторы окружающей среды, влияющие на эволюцию космических объектов на околоземных орбитах.

1.6. Возможные последствия воздействия пылевой компоненты A3 ОКП на околоземную среду и функционирование КА.

1.7. Результаты космических экспериментов по исследованию пылевого загрязнения ОКП и его воздействию на материалы и элементы конструкций КА.

1.7.1. Общие параметры потока пылевых частиц.

1.7.2. Пространственная структура потока пылевых частиц.

1.8. Модели пылевого загрязнения ОКП.

1.9. Задачи исследований пылевой компоненты A3 ОКП.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ:. S

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВОЙ КОМПОНЕНТЫ A3 ОКП.

2.1. Газодинамические источники пылевых частиц.

2.2. Теоретическая модель газодинамического источника пылевого образования.

2.3. Результаты численного моделирования газодинамического генератора.

2.3.1. Выброс в вакуум. Распределение параметров движения расчетных частиц.

2.3.2. Выброс в атмосферу. Распределение параметров движения расчетных частиц.

2.4. Экспериментальные исследования генераторов.

2.4.1. Стендовые испытания генератора 430Т.

2.4.2. Экспериментальные характеристики выброса из генератора 430Т.

2.4.3. Изменение формы выброса из генератора 43ОТ.

2.4.4. Изменение термодинамических параметров внутри контейнера при работе генератора.

2.5. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ:.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ЛОКАЛЬНОГО ПЫЛЕВОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ОКП.

3.1. Численная модель эволюции локального образования пылевых частиц в условиях верхней атмосферы.

3.1.1. Математическая модель движения частиц в возмущенном поле тяготения Земли. Выбор системы координат.

3.1.2. Моделирование возмущения движения частиц атмосферой Земли. Алгоритм вычисления плотности атмосферы.

3.1.3. Алгоритм интегрирования уравнений движения частиц.

3.2. эволюция сферически симметричного образования в верхней атмосфере.

3.3. Расчетная эволюция ИПО, образуемого генератором 430Т в экспериментах с применением meteopaket.

3.3.1. Задание параметров условий выброса.

3.3.2. Расчет эволюции выброса.

3.3.3. Сравнение наблюдательных и расчетных результатов.

3.5. Моделирование эволюции выброса пылевых частиц при старте ракет-носителей с ракетными двигателями на твердом топливе.

3.5. Моделирование эволюции выброса пылевых частиц с объекта на низкой околоземной орбите.

3.4.1. Выбор системы координат. Уравнения орбитального движения частиц.

3.4.2. Примеры расчетов эволюции пылевых образований.

3.4.3. Условия безопасности проведения орбитальных экспериментов с генератором

43 ОТ.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов генерации и эволюции локальных пылевых образований в околоземном космическом пространстве»

Проблема негативного побочного воздействия научно-технической и производственной деятельности человечества на окружающую природную среду в наши дни осознана так остро, как никогда ранее. Это связано не только с увеличившимися объемами потребляемых материальных и энергетических ресурсов, а значит, и увеличившимся количеством отходов производства, но и осознанием на новом научном уровне многочисленных и хрупких взаимосвязей в окружающей природе, разрушение которых неминуемо приведет к кризису всей существующей цивилизации. Большая часть экологических исследований, которые и призваны найти и обосновать возможные пределы технологического давления на окружающую среду, посвящена воздействию человека на его непосредственную среду обитания, т.е. приземную атмосферу, водные и почвенные ресурсы. Тем не менее, сфера интересов современного человечества распространилась значительно шире и охватывает сегодня не только саму планету, но и в значительной мере ближнее околоземное космическое пространство (ОКП). В настоящее время эксплуатация ОКП происходит настолько интенсивно и настолько интегрирована в мировой процесс производства, что исключение этой области из сферы человеческой деятельности приведет к немедленным катастрофическим последствиям планетарного масштаба. Поэтому задача обеспечения возможности устойчивой эксплуатации ближнего космоса стоит в одном ряду с другими острыми экологическими проблемами современного человечества.

Интенсивная космическая деятельность человека сопровождается постоянно увеличивающимся числом запусков ракетно-космических средств, числом и объемом полезных нагрузок, возрастанием мощностей ракетных двигателей. Вывод в космос и эксплуатация космической техники неизбежно приводят к появлению в ОКП побочных продуктов антропогенной деятельности (как газообразных, так и конденсированных), которые оказывают возмущающее загрязняющее воздействие. Согласно существующим представлениям источниками этого загрязнения являются:

- газовыделение конструкций и материалов космических аппаратов (КА), деструкция материалов поверхностей КА в условиях воздействия различных факторов космического пространства;

- продукты работы маршевых и маневровых двигателей;

- продукты работы систем жизнедеятельности (как пилотируемых, так и автоматических КА);

- технологические и экспериментальные работы, связанные с инжекцией вещества в ОКП, в том числе технологические и аварийные сливы топлива;

- вспомогательные технологические узлы и элементы космической техники, обеспечивающие операции вывода и маневров на орбите и отделяемые при или после их выполнения;

- отработавшие свой ресурс или аварийные КА;

- столкновения КА с другими орбитальными объектами, непреднамеренные и преднамеренные взрывы КА;

- дезинтеграция КА, головных частей и ступеней ракет и их элементов при входе в плотные слои атмосферы.

Наиболее осознанной экологической проблемой в ходе исследования и освоения ОКП является проблема постоянно растущего количества объектов искусственного происхождения на околоземных орбитах, прежде всего тех, которые уже не выполняют никаких полезных функций и являются мусором в чистом виде. Вновь выводимым на орбиту космическим аппаратам приходится работать во все более плотном окружении остатков жизнедеятельности и гибели предыдущих поколений спутников. Таким образом, при проектировании современных КА необходим дополнительный учет возможности повреждения его со стороны "космического мусора" и недопущение создания возможных новых его источников.

За последние двадцать лет вопрос состояния засорения околоземного пространства получил широкое освещение. Проьодятся исследования нынешнего состояния, делаются попытки получения прогноза на будущее, рассматриваются вопросы безопасности космических полетов. Проблема засорения космического пространства становится объектом рассмотрения государственных органов высшего уровня.

На сегодняшний день наименее исследованным видом "космического мусора" является его пылевая составляющая (космозоль) с характерными размерами от долей до нескольких сотен микрон. Космозольная компонента, постоянно образуясь в ближнем космосе, подвергается влиянию самых разнообразных факторов ОКП. Пространственно-временная эволюция пылевых частиц и их воздействие на КА практически полностью отличаются от эволюции и воздействия более крупных объектов. Не представляя в настоящее время непосредственной опасности для короткоживущих КА, космозоли неминуемо будут оказывать существенное влияние на функционирование длительных орбитальных станций и т.п.

Последствия загрязнения ОКП частицами и фрагментами крупных размеров очевидны: столкновения с ними КА при скоростях соударения порядка нескольких километров в секунду могут привести либо к его полному разрушению, либо к выводу из строя отдельных систем и, наиболее вероятно, невозможности его дальнейшего использования. Влияние соударений с КА частиц размерами менее 1 мм в настоящее время нельзя считать достаточно изученным. При высоких скоростях встречи возможно эрозионное разрушение поверхностей элементов конструкций КА, образование вторичных облаков микрочастиц, при низких - осаждение частиц на этих поверхностях. Взаимодействие с продуктами антропогенного загрязнения ОКП неизбежно приведет к изменению функциональных характеристик элементов систем КА, таких как, например, оптические датчики, зеркальные поверхности, солнечные батареи, системы терморегулирования.

Имеющиеся данные по исследованию материалов и конструкций КА, экспонировавшихся в космическом пространстве (как в специальных экспериментах, так и в ходе долговременной эксплуатации), показывают заметное изменение характеристик материалов, подвергшихся воздействию высокоскоростных частиц, в том числе и антропогенного орбитального мусора с размерами микронного и субмиллиметрового диапазона. Высокоскоростные удары пылевых частиц, не вызывая катастрофических разрушений, способны вызвать изменение микроструктуры поверхностей, что в свою очередь может привести к ухудшению характеристик оптических датчиков, иллюминаторов, зеркал, солнечных батарей, радиаторов систем терморегулирования, повреждение электровакуумной изоляции.

Проблема антропогенного загрязнения верхней атмосферы (ВА) и ОКП может быть решена лишь на основе обширной программы научных исследований, включающей в себя ряд тесно взаимосвязанных направлений. Наиболее важными из них являются:

1. Изучение существующего уровня антропогенного загрязнения ВА И ОКП.

2. Исследование источников и эволюции загрязнения В А и ОКП.

3. Исследование процессов взаимодействия частиц антропогенного загрязнения с материалами и элементами космической техники.

4. Разработка моделей функционирования космической техники в условиях существующего и прогнозируемого газопылевого загрязнения ОКП.

5. Разработка моделей эволюции антропогенного загрязнения ОКП и его прогноз при различных уровнях и технологиях РКД.

Для оценки существующего состояния антропогенного загрязнения ОКП необходимы теоретические модели эволюции, как крупных объектов, так и пылевых частиц во всей области интенсивно используемых орбит. Известно, что мелкие частицы на низких околоземных орбитах достаточно быстро тормозятся в атмосфере. Тем не менее, орбитальные эксперименты показывают, что в области высот 400-600 км существует поток антропогенных космозольных частиц сравнимый с потоком микроме-теороидов. Это означает, что в ОКП существуют постоянные источники подобных частиц, учет и моделирование которых необходимы для создания полноценной картины состояния антропогенного загрязнения окружающей среды.

Существующие теоретические модели описывают и прогнозируют состояние загрязнения ОКП объектами, крупнее 1 мм, в то время как наиболее многочисленная популяция мусора микронных размеров не принимается во внимание.

Разработка теоретических моделей эволюции пылевых частиц на высотах наиболее интенсивно используемых для полетов как пилотируемых, так и автоматических КА (200-600 км) является важной задачей, решение которой позволит оценить воздействие факторов окружающей среды на КА, их конструкционные элементы и материалы, установить требования по надежности и необходимой защите наиболее критичных элементов конструкций. Проблема моделирования эволюции пылевых частиц размером 1-100 мкм на указанных высотах полностью отлична от задач описания эволюции более крупных объектов. Это связано, прежде всего, со значительным воздействием на их движение на рассматриваемых высотах силы сопротивления атмосферы, а на более высоких орбитах и давления солнечного света. При описании движения частиц микронных размеров неприменимы стандартные расчетные схемы, применяемые для анализа эволюции спутников и других крупных объектов на околоземных орбитах, основанные на классических уравнениях небесной механики с учетом малых возмущений.

Ввиду отсутствия достаточно глубоких теоретических представлений о процессах взаимодействия частиц антропогенного загрязнения с материалами и элементами космической техники (особенно мелких частиц) необходим значительный объем экспериментальных исследований механизмов взаимодействия потоков частиц с параметрами, близких к параметрам соответствующих потоков в ОКП (существующих и прогнозируемых), с конструкционными материалами, используемыми и предполагаемыми к использованию в космической технике. Целью такого изучения является создание моделей, связывающих функциональные характеристики материалов и систем, подвергшихся воздействию потока частиц антропогенного загрязнения в широком диапазоне скоростей и углов падения частиц, их масс, составов и размеров. Создание таких моделей, в совокупности с другими выше перечисленными задачами, позволит в будущем выработать критерии предельно допустимых загрязнений для верхней атмосферы и ОКП, которые должны использоваться для формирования экологически безопасных технологий космической деятельности.

Исследование процессов взаимодействия пылевых частиц с материалами и элементами КА проводится в настоящее время в двух направлениях:

1. Лабораторно-стендовые исследования;

2. Орбитальные эксперименты с использованием как специальных устройств, размещаемых на поверхностях КА, так и отдельных элементов и материалов КА, ремонтируемых или возвращенных с орбиты.

Для лабораторных исследований необходимы специализированные испытательные комплексы, разработка средств генерации высокоскоростных потоков частиц, имитирующих потоки антропогенного загрязнения в интересующем интервале скоростей, средства диагностики параметров этих потоков, средства диагностики эффектов воздействия частиц на материалы и элементы систем. Испытательные комплексы должны обеспечивать возможность получения модельных потоков частиц, их диагностики и экспонирования конструкционных материалов в условиях близких к натур

3 7 ным, т.е. при давлениях 10" - 10" Па и скоростях от десятков м/с до более 15 км/с.

Условия близкие к натурным возможно создать только на достаточно больших вакуумных стендах с помощью специальных взрывных генераторов.

Такие эксперименты дают представление о характере протекающих процессов и эффектах долговременного пребывания ряда материалов в условиях сходных с условиями орбитального загрязнения. Накопление и анализ результатов лабораторных исследований позволяет провести предварительные оценки различные характеристик изучаемых воздействий.

Вместе с тем, лабораторные исследования показали важность проведения натурных ракетных экспериментов по моделированию воздействия антропогенного загрязнения ОКП на материалы и системы КА. Необходимость такого подхода обусловлена тем, что в лабораторных экспериментах генерация потока мелкодисперсных частиц сопровождается формированием сложного, сильно неоднородного гетерофазного потока, состоящего из собственно ускоряемых частиц, продуктов детонации взрывчатого вещества и газов, структура которого (концентрация, размер частиц, их скорость) определяется не только конструкцией генератора, но и влиянием стенок вакуумной камеры. Это обстоятельство в значительной мере усложняет анализ результатов.

Другой метод исследования воздействия антропогенного загрязнения - пассивные орбитальные эксперименты с экспозицией различных материалов на внешней поверхности КА. Являясь основным методом изучения состояния загрязнения ОКП пылевыми частицами антропогенного мусора, подобные эксперименты позволяют изучить их воздействие на материалы и системы в тех же самых условиях, в которых должен функционировать КА. Ряд, как специально организованных, так и "случайных", сопутствующих ремонтным работам, экспериментов описан в литературе.

Необходимость проведения подобных исследований для изучения текущего состояния загрязнения ОКП мелкими частицами мусора, а в перспективе и мониторинга загрязнения ОКП - несомненна. Вместе с тем, пассивные наблюдения обладают рядом существенных недостатков, делающих их непригодными для создания прогностических моделей влияния факторов окружающего пространства на материалы и системы КА.

Прежде всего, необходимо отметить фактор времени, который принципиально определяет ценность полученных результатов. Для проведения каждого эксперимента необходимы годы орбитальной экспозиции, для того чтобы эффекты от воздействия необходимы годы орбитальной экспозиции, для того чтобы эффекты от воздействия микрочастиц можно было бы сопоставить с теми эффектами, которые проявятся на материалах и системах перспективных КА через 5-15 лет их расчетного срока функционирования на орбите. Несомненно, одним из способов решения проблемы в данной ситуации могло бы являться исследование материалов с КА уже в настоящее время находящихся на орбите сравнимое время, но при этом возникает ряд других трудностей, помимо чисто технических проблем возвращения космических грузов на Землю.

Во-первых, в результате длительной экспозиции в космосе КА подвержен влиянию целого ряда воздействующих факторов, каждый из которых вносит свой вклад в изменение характеристик материалов и систем аппарата. Наравне с антропогенными пылевыми частицами, все внешние поверхности постоянно химически взаимодействует с молекулами, атомами и ионами остаточной земной атмосферы и продуктами дегазации материалов КА, солнечным излучением, а также с постоянно флуктуирующим фоном микрометеорных частиц. Исследования возвращенной на Землю LDEF показали, что воздействие твердых частиц на экспериментальные материалы очень сильно "смазано" воздействием иной природы, особенно окислением атомарным кислородом. Это не позволяет получить достоверные данные о параметрах и природе частиц, послуживших причиной тех или иных дефектов, а, тем более, всего исследованного образца. Нельзя разделить также последствия воздействия антропогенного мусора и микрометеороидов естественного происхождения.

Во-вторых, долговременные орбитальные эксперименты дают интегральные данные обо всем потоке частиц, попавших на поверхность КА за время его существования на орбите. При этом нивелируется различие воздействия частиц различной массы, состава, скорости, угла падения на значительном временном интервале, что делает невозможным построение прогностической модели при изменяющихся год от года параметрах потока микрочастиц.

В качестве метода, дополняющего методы исследований воздействия антропогенных микрочастиц на материалы и системы КА широко применяемых в настоящее время, целесообразно использовать натурные эксперименты по моделированию воздействия антропогенного воздействия (A3) ОКП с использованием баллистических ракет и орбитальных КА, применяя при этом для создания модельных потоков пылевых частиц - аналогов антропогенного загрязнения ОКП генераторы локальных пылевых образований.

Серия подобных с экспериментов с использованием исследовательского метеорологического ракетного комплекса MP-12(20) была проведена НПО "Тайфун". В задачи экспериментов входило:

- отработка схемы экспериментов и средств генерации и диагностики формируемых потоков и регистрации эффектов воздействия;

- получение главным образом качественных представлений о возможности генерации потоков и регистрации эффектов воздействия;

- регистрация наземными космическими оптическими средствами пространственно временной структуры и эволюции образования, создаваемого в эксперименте.

Другой способ проведения активных натурных экспериментов предусматривает размещение средств генерации потоков пылевых частиц и их регистрации с использованием орбитальных КА.

При использовании в эксперименте двух различных КА (на одном из которых размещается формирующая модельный поток аппаратура, а на другом - средства регистрации частиц и экспериментальные материалы), находящихся на различных орбитах, позволяет использовать для создания модельного потока частиц низкоскоростные генераторы, например - газодинамические. При таких условиях эксперимента, скорость частиц при встрече с поверхностью регистрирующих приборов и материалов будет зависеть только от конфигураций орбит КА. Используя различные скрещивающиеся орбиты, возможна реализация практически любых скоростей, характерных для космического корабля на околоземной орбите.

Использование генераторов, создающих низкоскоростные потоки, имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, получаемое пылевое образование достаточно долго сохраняет высокую объемную плотность частиц, что позволяет при организации эксперимента выбрать более широкое временное окно и меньшие требования к точности момента начала его проведения. Во-вторых, при проведении эксперимента на относительных скоростях КА порядка километров в секунду, на экспонируемые приборы и материалы воздействует практически однородный по скорости поток частиц, т.к. разброс собственных скоростей частиц (=ь 20 м/с) ничтожен по сравнению с полной скоростью относительно регистрирующего КА. В-третьих, использование низкоскоростных генераторов создает локальное загрязнение ОКП, которое при образовании на высотах до 400 км и размерах частиц до 10 мкм оседает на высоты около 100 км, совершив один - два орбитального витка. Небольшие размеры и быстрое торможение в атмосфере позволяют выбрать эффективные время и конфигурацию эксперимента, не создавая дополнительной опасности для КА, не участвующих в нем.

Таким образом, для изучения проблем антропогенного загрязнения ОКП и его воздействия на функционирование КА необходимо проведение как натурных экспериментов с использованием генерируемых модельных локальных пылевых образований, так и лабораторных исследований с целью углубления понимания механизма взаимодействия пылевых частиц с различными материалами и элементами конструкций КА. Важно планомерное и последовательное продолжение долговременных космических экспериментов для изучения текущего состояния загрязнения ОКП. Натурные эксперименты с использованием баллистических ракет должны служить целям отработки средств наблюдения и регистрации пылевых частиц в условиях близких к условиям на околоземной орбите, получения моделей взаимодействия частиц с материалами на небольших скоростях.

Эксперименты с применением специальных газодинамических генераторов занимают свою "нишу" в исследовании антропогенного загрязнения космического пространства. Их проведение в условиях полностью совпадающих с условиями функционирования космических аппаратов, позволит создать модель долговременного воздействия различных составляющих пылевого загрязнения ОКП на материалы и системы КА и дать прогнозы безопасности его функционирования в постоянно меняющейся окружающей среде в области низких околоземных орбит.

Для проведения экспериментов с генерацией искусственных пылевых образований на околоземных орбитах необходим физико-математический и расчетный аппарат, позволяющий рассчитать ожидаемые параметры пространственно-временной эволюции формируемого облаков, начиная с момента его формирования до полного схода с орбиты.

Разработанная модель эволюции локальных пылевых образований позволяет рассчитать пространственно-временные параметры облака частиц, образованного на низкой околоземной орбите или в верхней атмосфере на заданный момент времени после начала выброса. При этом выброс апроксимируется представительным ансамблем невзаимодействующих микрочастиц с произвольно заданным начальным распределением индивидуальных скоростей и координат.

Решение указанной задачи позволило изучить характерные особенности эволюции микронной составляющей антропогенного загрязнения верхней атмосферы и околоземного пространства на высотах до 800 км, а также установить необходимые ограничения на проведение космических экспериментов с использованием газодинамических генераторов искусственных пылевых образований.

Цель работы: Определение пространственно-временных параметров загрязнения окружающей природной среды космозольными частицами антропогенного происхождения, образующимися в процессе ракетно-космической деятельности, с помощью численных моделей процессов генерации и эволюции облаков пылевых частиц в ближнем околоземном космическом пространстве и верхней атмосфере.

Основные задачи исследований:

1. Разработка модели эволюции облака пылевых частиц, заданного в виде произвольного представительного ансамбля отдельных частиц, в условиях ближнего околоземного пространства и верхней атмосферы, с возможностью варьирования расчетных начальных условий и конфигурации выброса.

2. Разработка комплекса программно-математических средств моделирования эволюции облака пылевых частиц в условиях ОКП и В А.

3. Расчет поля скоростей пылевых частиц образуемых экспериментальным модельным генератора разработки НПО «Тайфун» при различных внешних и внутренних условиях, с использованием численной модели выброса из газодинамического генератора.

4. Численный расчет эволюции облака пылевых частиц, сформированного модельным газодинамическим генератором на низкой околоземной орбите при различных начальных условиях выброса.

5. Проведение сравнительного анализа результатов численного эксперимента по выбросу и эволюции облака пылевых частиц с данными лабораторных и натурных ракетных экспериментов с использованием модельного газодинамического генератора.

6. Определение возможных условий проведения орбитального эксперимента с генерацией облака космозольных частиц, обеспечивающих безопасность функционирования космической техники (минимизирующих вероятность повреждения КА частицами облака, образованного в ходе эксперимента).

Научная новизна работы состоит в том, что: разработаны численная модель эволюции пылевого образования в ВА и ОКП и комплекс компьютерных программ, позволяющих рассчитать пространственно-временные характеристики облака частиц с произвольным заданным распределением начальных скоростей выброса на высотах от 100 до 600 км; на основе численной модели выброса пылевых частиц из газодинамического генератора и увязанной с ней численной моделью эволюции облака пылевых частиц в ОКП и ВА рассчитаны и исследованы базовые варианты поведения пылевых образований, формируемых на баллистических траекториях и низких околоземных орбитах при различных начальных условиях генерации и состояния ОПС; оценены пространственно-временные масштабы космозольных образований и показана принципиальная возможность постановки космических экспериментов с использованием газодинамических генераторов, найдены безопасные условия проведения орбитального эксперимента с генерацией облака космозольных частиц.

Практическое значение

Разработана численная модель, позволяющая прогнозировать эволюцию локальных пылевых образований с заданными начальными характеристиками, образованных на орбитах с высотой до 600 км с собственными скоростями частиц до 1000 м/с. Модель дает распределение пространственной плотности частиц на интересуемый момент времени после начала выброса.

Разработанная численная модель, позволяет интерпретировать наблюдательные данные активных экспериментов с выбросом пылевых частиц в В А и ОКП.

Показана возможность постановки космических экспериментов с применением газодинамических генераторов и определены ограничения при проведении таких экспериментов.

Результаты исследований реализованы в ряде работ, выполнявшихся в Институте экспериментальной метеорологии НПО «Тайфун» начиная с 1989 года в рамках федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерации в 1994-1996 годах и на период до 2000 года», и в соответствии с планами научно-исследовательских работ института, заданиями и планами Росгидромета:

Тема 1.6.6.2. "Разработать модель оперативного прогноза последствий сброса в атмосферу жидких компонент ракетного топлива" (2001 г).

Тема 1.6.6.2. "Разработка моделей и программного обеспечения для прогноза процессов загрязнения верхней атмосферы и его последствий твердыми и жидкими компонентами ракетных топлив при эксплуатации космической техники" (2002 г.) и др.

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации.

Все научные результаты, положенные в основу диссертации, получены автором либо самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Из работ, в которых он участвовал в качестве соавтора, в диссертацию вошли только те результаты, в получении которых автор принимал непосредственное творческое участие на всех этапах работы.

На защиту выносится:

1. Расчетная модель выброса из экспериментального модельного газодинамического генератора разработки НПО «Тайфун».

2. Численная трехмерная модель эволюции локального пылевого образования в верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве.

3. Результаты моделирования эволюции облаков пылевых частиц антропогенного происхождения, образованных на баллистических и орбитальных траекториях в диапазоне высот 100-600 км.

Достоверность результатов исследования. Достоверность разработанных моделей подтверждена в ходе проведения лабораторных экспериментов, в том числе, в вакуумных камерах, ракетных экспериментах с применением геофизических исследовательских ракет MP-12 (20).

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на XXVIII, XXIX, XXXII, XXXIV научных чтениях, посвященных изучению наследия К.Э. Циолковского, 6-ом Международном симпозиуме по материалам в космическом пространстве (1994 г.), сессии COSPAR (1996), конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ (1999 г.), научно-практическом семинаре 4 ЦНИИ МО РФ, итоговых сессиях Ученого совета НПО «Тайфун».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 160 страниц, в том числе 68 рисунков и 11 таблиц. Список использованных источников содержит 93 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Юдаков, Александр Александрович

Основные результаты докладывались и обсуждались на международных и Всероссийских конференциях и семинарах, изложены в 10 научных работах, опубликованных диссертантом.

1. The Interagency Report on Orbital Debris. Interagency Group (Space). -http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/IAR/report95.html, 1995.

2. Belk C.A., Robinson J.H., Alexander M.B., et al. "Meteoroids and Orbital Debris: Effects on Spacecraft". NASA Reference Publication 1408. http://mtrs.msfc.nasa.gov/mtrs/97/rp 1408.pdf, 1997.

3. McKnight, D.S. and Anz-Meador, P.D. Historical Growth of Quantities Affecting On-Orbit Collision Hazard. // J. Spacecraft and Rockets. - 1993. - Vol. 30, No. 1. - pp. 120-124.

4. Bernhard R., Christiansen E. Orbital Debris as Detected on Exposed Spacecraft. // The Orbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 4.- 1997. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\ newsletter\v2i4\v2i4-4.html.

5. Orbiter Meteoroid / Orbital Debris Impacts: STS-50 (6/92) through STS-86 (10/97), JSC-28033. // The Orbital Debris Quarterly News. V.3, Issue 3. - 1998. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v3i3\v3i3.html

6. Roth E.A. Space Debris - a hazard for the space station // European Sp.Agency Bui. -1985.-N44.-p. 63-65.

7. Orbital Debris. A technical assessment. - Washington D.C.: National Academy Press, 1995. p. 210.

8. McCormick Bernell. A new technique for predicting geosynchronous satellite collision probability. // Astrodynamics, 1985: Proc. AAS/AIAA Astrodyn. Conf, Vail, Colo, Aug. 12-15, 1985. Pt. 2. - San-Diego (Calif.), 1986. -pp. 821-830.

9. Johnson N.L. History and consequences of on-orbit break-ups. // Adv. Space Res. -1985. - Vol.5, No. 2. pp. 11-19.

10. Su S.- Y., Kessler D.J. Contribution of explosion and future collision fragments to the orbital debris environment.// Adv. Space Res. - 1985. - Vol.5, No. 2, pp. 25-34.

11. Klinkrad H., Jehn R. The Space Debris Environment of the Earth. // ESA Journal, -1992,-Vol. 16. pp. 1-11.

12. Allahdadi, F. (ed.), Orbital Debris Detection and Mitigation. // Proceedings of S.P.I.E., Vol. 1951, Apr. 15-17, 1993.

13. Johnson N.L., Nauer D.J. Orbital debris detection: Techniques & issues. // AIAA pap. - 1990. - No 1330. - pp. 1-8.

14. Eichler P., Rex D. The risk of collision between manned spsce vehicles and orbital debris - Analysis and basic conclusions. // Z. Flugwis. und Weltraumforsch. - 1990. -14, №3. - pp. 145-154.

15. Sato Т., Kayama H., Furusawa A., Kimura I. MU radar measurements of orbital debris. // AIAA pap. No. 1343. p. 1-9.

16. Beusch J.U., Kupiec I. NASA debris environment characterisation with the Haystack radar.//AIAA pap.-1990.-No. 1346. p. 1-4.

17. Reynolds R.C. Review of current activities to model and measure the orbital debris environment in low-earth orbit. // Adv. Space Res. - 1990. - Vol. 10, No. 3-4. - p. 359371.

18. Maley P. The need for optical study of space debris parentage. // Adv. Space Res. -1990. - Vol. 10, No. 3-4. - p. 373-376.

19. Henize K.G., O'Neill C.A., Mulrooney M.K. CCD observations of orbital debris. // AIAA pap. - 1990- № 3870.- p.1-7.

20. Henize K.G., Stanley J.F. Optical observatinos of space debris. // AIAA pap. - 1990. -No. 1340.-p. 1-7.

21. Kerwin, P.W., Africano, J.L., et al. Optical Observations of the Orbital Debris Environment. // SPIE Space Debris Conference Proceedings (Orlando, FL), Apr. 16, 1993.

22. Taff L.G. Satellite debris: Recent Measurements. // J. Spacecraft. - 1985. - Vol. 23, No. 3. - pp. 342-346.

23. Dow K.L., Sykes M.V., Low F.J., Vilas F. The detection of Earth orbiting objects by IRAS. //Adv. Space res. - 1990. - Vol. 10, No. 3-4. pp. (3)381-(3)384.

24. Zook H.A., Cour-Palais G. // Lunar and Planet Sci. - Vol.20. 20th Conf., March 13-17, 19889: Abstr Pap. Pt. 3. - Houston (Tex.), 1989. - pp. 1259-1260.

25. Horz F., Grounds D. The cosmic dust collection facility on space station Freedom. // AIAA pap. - 1990. - No 1351. pp. 1-7.

26. Johnson N.L. History and Consequences of On-Orbit Break-Ups .// Adv.Space Res. -1985.-Vol. 5, N2.-pp. 11-19.

27. Temple L.P. III. The impact of space debris on manned space operations. "Space: New Opport. People. 37-th Int. Astronaut. Congr., Insbruck, Oct, 4-11, 1986. Abstr. Pap." S.I., s.a., IAA-420.

28. Kessler D.J. Orbital Debris Environment. // Proc.of the First European Conf.on Space Debris Darmstadt, Germany, April 1993. - pp. 251-262.

29. Хуторовский 3.H., Каменский С.Ю. и др. Риск столкновений космических объектов на низких высотах. // Столкновения в космическом пространстве (космический мусор). - М.: Косминформ. 1995.- с. 19-90.

30. Kerr J. Post-flight Examination of the STS-96 Orbiter. // The Orbital Debris Quarterly News. - 2000. - V.5, Issue 1. - p. 6.

31. Kerr J. Post-flight Examination of the STS-95 Orbiter. // The Orbital Debris Quarterly News. - 1999. - V.4, Issue 3. - p. 4.

32. Kerr J. Post-flight Examination of the STS-88 Orbiter. // The Orbital Debris Quarterly News. - 1999. - V.4, Issue 4. - p. 5.

33. Orbital Debris From Upper Stage Breakups. / Loftus J.P. Jr. (ed.). - AIAA. - 1989.

34. Third Tsyklon Upper Stage Breaks Up. // The Orbital Debris Quarterly News. . - 1999. - V.4, Issue 3.-p. 6.

35. Portree D.S F. Loftus J.P. Orbital Debris: A Chronology - http://ston.jsc.nasa.gov/ collections/trs/techrep/TP-1999-208856 - 1999. P. 175

36. The First Satellite Breakup of 2000. // The Orbital Debris Quarterly News. - 2000. -V.5, Issue 1. - p. 1.

37. Mueller A.C., Kessler D.J. The effects of particulates from solid rocket motors fired in space. // Adv.Sp.Res. - 1985. - Vol. 5, No 2. - pp. 77-86.

38. Burr is R.A. Orbiter Surface Damage to SRM Plume Impingement. // MDISCO Design Nota,N 1.4-3-016, 18 Dec.1978.

39. McKnight D.S. The Need for Wake Debris Modeling. //The Orbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 1. January 1997 - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v2il\ v2i l-3.html#debrismodeling

40. Отчет о НИР. Исследовать антропогенное загрязнение верхней атмосферы и околоземного космического пространства. Оценить возможности экологических последствий. Возможные экологические последствия воздействия ракетно-космической техники на атмосферу и околоземное космическое пространство. Обнинск, НПО Тайфун, 1989.

41. Позин А.А., Юдаков А.А., Юдаков А.Б., Уборский А.В. Разработка системы мониторинга полигона "Плесецк" // Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды. Москва. 1996. Секция 2. Мониторинг загрязнения природной среды. Тез. докл. - Обнинск: ВНИИГМИМЦД, 1996. - С. 34-36.

42. John P.D., Wong E.Y. and other. The Impact of Deorbiting Space Debris on Stratospheric Ozone. // TRW Abstracts, 1994.

43. Brady B.B., Fournier E.W., Martin L.R., Cohen R.B. Stratospheric Ozone Reactive Chemicals Generated by Space Launches Worldwide. TR-94(4231)-6, The Aerospace Corporation, El Segundo, CA, 1 Nov 1994.

44. Hanning-Lee M.A., Brady B.B., Martin L.R., Syage J.A. Ozone Decomposition on Aluminia: Implications for Solid Rocket Motor Exhaust. // Geophisical Research Letters. - 1996 - Vol.23, N 14, p. 1961.

45. Spiglanin Т., Edwards J. Stratospheric Effects of Rocket Plumes, an overview and update of a program to understand the local effects of rocket plumes in the stratosphere. 32-nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 1-3 July 1996.

46. Beiting E.J. Solid Rocket Motor Exhaust Model for Aluminia Particles in the Stratosphere. // J. of Spacecraft and Rockets. - 1997. - Vol. 20, N. 3. - pp. 303-310.

47. Laurance M.R., Brownlee D.E. The flux of meteoroids and orbital space debris striking satellites in low-Earth orbit. //Nature. - 1986. - Vol 323.

48. Lorenz R.D. Debris Hazard Poses Future.// Spaceflight. - 1988. - 30, No 1. - pp. 4-7.

49. Small Orbital Debris poses Continuing Hazards to Spacecraft.// Space Age Times. -1987. 14, No 5-6-pp. 10-12.

50. Imagery Survey of the Hubble Space Telescope. // The Orbital Debris Quarterly News. V.3, Issue 4. - 1998 - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v3i4\v3i4.html.

51. Carey W.C., Dixon D.G., McDonnel J.A.M. Space Shuttle microabrasion foil experiment (MFE) implications for aluminium oxide sphere contamination of near-Earth space. // Adv. Space Res. - 1985. - Vol. 5, N. 2. - pp. 87-90.

52. R.A.F. Grive, C.A. Wood, J.B. Garvin et al. Astronaut's guide to terrestrial impact craters. LPI Techn.Rep. N 88-03. - Houston, 1988.

53. Cour-Palais B.G. Results of the examination of the Skylab/Apollo windows for mi-crometeoroid impacts. // Proc.Lunar Planet.Sci. - 1979. - Vol. 10. - pp. 1655-1672.

54. Gruen E., Look H.A., Giese R.H. Collisional balance of the meteoritic complex. // Icarus. - 1985. - Vol.62.

55. Leonard W., Howell Jr. A stochastic model for particle impingements on orbiting space craft. // Journ.Astronaut.Sci. - Vol. 34, N 4. - P. 375-401.

56. Morrison D.A., Zinner E. 12054 and 76215: new measurements of interplanetary dust and solar flare fluxes. // Proc.Lunar Planet.Sci., Conf. 8th, 1977. - p. 841.

57. Zook H.A., Flaherly R.E., Kessler DJ. Meteoroid impacts on the Jeminy windows. // Planet.Space Res. - 1970. - Vol. 18. - pp. 953-964.

58. Wilson B.K. Long Duration Exposure Facility (LDEF) Archive System. // http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/conf-3 -ldef-wilson.pdf. 1998.

59. Zolensky M.E. et al. Interim report of the meteoroid and debris special investigation group, http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/cp3194-92-p277.pdf.1998

60. See Т.Н. et al. The LEO particulate environment as determined by LDEF. // http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/conf-space-94-p618.pdf. 1998.

61. See Т.Н. et al. LDEF meteoroid & debris special investigation group investigations and activities at the Johnson Space Center. // http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/ cp3275-95-ldmdsigjsc.pdf. 1997.

62. McDonnell et al. Particulate Detection in the Near Earth Space Environment Aboard the Long Duration Exposure Facility LDEF: Cosmic or Terrestrial? - I ALT Colloquium, No. 126.

63. Horz F. Mir Orbital Debris Collector Data Analyzed. // The Orbital Debris Quarterly News. V.4, Issue 2. 1999. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v4i2\v4i2.html

64. Побединская M. Японские эксперименты на российском сегменте МКС. // Новости космонавтики. - 2001. - № 12. с. 64-65.

65. Павельцев П. Европейская PROBA. // Новости космонавтики. - 2001. - № 12. с. 43-44.

66. Johnson N et al. NASA/JSC Orbital Debris Models. // The Orbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 2. 1997. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v2i2\v2i2-5.html

67. Protecting the Space Shuttle from meteoroids and space debris. - National academy press. Washington, D.C. 1996. - p. 53.

68. Protecting the Space Station from meteoroids and space debris. - National academy press. Washington, D.C. 1997. - p. 55.

69. Kessler, D.J., Reynolds, R.C., and Anz-Meador, P.D., Review of Various Models Used to Describe the Orbital Debris Environment, International Astronautical Federation paper IAA6.3-93-744, 44th Congress of the International Astronautical Federation (Graz, Austria), Oct. 16-22, 1993.

70. McKnight D.S. Review of International Activities in Orbital Debris Environment Modeling. // The Orbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 3. 1997. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\ v2i3\v2i3-3 .html

71. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду. - М.: Анкил, 2000. - 640 с.

72. Назаренко А.И., Морозов Н.П. Эволюция техногенного загрязнения околоземного космического пространства. // Международная космическая конференция

2001 Космос без оружия - арена мирного сотрудничества в XXI веке 11-14 апреля, 2001 г., Москва. Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2001. - с. 114.

73. Reynolds R. Man-Made Debris Environment Characterisation for Spacecraft Vulnerability Assessment. // Second International Conference on Engineering, Construction and operations in Space, Albuguergue, April 1990.

74. Eichler P. and Rex D. Chain Reaction of Debris Generation by Collisions in Space. - A Final Threat to Spaceflight 40th Congress of the IAF, paper IAA-89-628, oct.7-13, 1989, Malaga, Spain.

75. Friesen L.J., Jackson A.A. Results in orbital evolution of objects in the geosynchronous regions. - AIAA Pap. - 1990. - N1362. pp. 1-10.

76. Reynolds R.S., Anz-Meador P.D., and Ojakangas G.W. The impact of alternative mission models on the future orbital debris environment. // Adv. Space Res. - 1991. - 11, N12.-pp. 29-32.

77. Kessler, D.J., Grun, E., and Sehnal, L. (eds.) Space Debris and Satellite Orbits, Advances in Space Research. - 1985. - Vol. 5, No. 2. - pp. 3-96.

78. Kessler, D.J., Zarnecki, J.C., and Matson, D.L. (eds.) Cosmic Dust and Debris, Advances in Space Research. - 1991. - Vol. 11, No. 12. pp. 3-98.

79. Meshishnek M.J. Overview of the Space Debris Environment. - The Aerospace Corporation, El Segundo, CA, Marth 1995. TR-95(5231)-1, SMC-TR-95-9.

80. Лебединец В. H. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль. - JL: Гид-рометеоиздат. - 1981.-272 с.

81. Андреева Л.А., Буздыгар Т.В., Дорохова И.В., Каширин А.И., Клюев О.Ф., Портнягин Ю.И., Юдаков А.А. Исследования пылевого загрязнения околоземного космического пространства и его влияния на материалы и элементы систем космических аппаратов // Труды XIXX-XXX чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (Калуга, 1994, 1995 гг.). Секция «К.Э. Циолковский и проблемы научного прогнозирования». - М.: ИИЕТ РАН, 1998.-С. 27-39.

82. Андреева JI.A., Клюев О.Ф., Портнягин Ю.И. и др. Исследование процессов в верхней атмосфере методом искусственных облаков. - Л.: Гидрометеоиздат. -1991 г.- 174 с.

83. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. - М.: Наука, 1978. - 336 с.

84. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с.

85. Уоллис Г.Б. Одномерные двухфазные течения. - М.: Мир, 1972. - 440 с.

86. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. - М.: Наука. 1982. - 392 с.

87. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. - М.: Наука, 1976. - 862 с.

88. Кроу С. Коэффициент сопротивления для частиц в реактивном сопле. // Ракетно-космическая техника. - 1967.- Т.5, N 5.

89. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. - Минск, Наука и техника, 1972.- 480 с.

90. Бородин В.А. Распыливание жидкостей. - М. 1967.

91. Карлсон С. Экспериментальное определение отставания частиц при течении смеси газа и частиц в сопле. // Ракетно-космическая техника. - 1964. - Т.2, N11.

92. Уолш Д. Н. Соотношения для коэффициента сопротивления малых частиц в потоке высокоскоростного газа. // Ракетно-космическая техника. М., 1972. Т. 10, N 11.

93. Казанников A.M., Кайдалов О.В. Эволюция пылевого облака в верхней атмосфере. // Труды ИЭМ, 1990, вып. 21(143), с. 97-102.

Заключение

В результате проведенных исследований изучены и обобщены теоретические и экспериментальные данные об антропогенном загрязнения ОКП; создана физико-математическая и расчетная модели эволюции локального пылевого образования в ВА и ОКП и выполнено численное моделирование эволюции подобного образования; с использованием численной модели выполнены расчеты процесса выброса пылевых частиц из газодинамического генератора и проведен анализ полученных данных, их сравнение с результатами лабораторных и натурных экспериментов с применением генератора 430Т.

В ходе исследований успешно решены следующие задачи:

1. Разработана физическая модель эволюции облаков пылевых частиц в верхней атмосфере (ВА) и околоземном космическом пространстве (ОКП). Модель реализована в виде комплекса специального программного обеспечения для трехмерного моделирования пространственно-временной эволюции произвольного облака частиц, заданного в виде представительного набора дисперсных частиц с индивидуальными динамическими характеристиками.

2. Выполнены численные расчеты процессов выброса частиц с размерами до 20 мкм из газодинамического генератора. Проведен сравнительный анализ результатов лабораторных и натурных ракетных экспериментов с использованием модельного газодинамического генератора. Установлено хорошее соответствие параметров процесса формирования облака частиц, наблюдаемых в лабораторных и ракетных экспериментах, и результатов численного моделирования.

3. Выявлено несколько особенностей выброса из газодинамического генератора, которые подтверждены в ходе лабораторных и ракетных экспериментов. В частности, установлена сильная зависимость конфигурации результирующего облака частиц от наличия атмосферного давления во внешней среде. При выбросе частиц из газодинамического генератора с внутренним давлением 5-20 атм. в вакуум образуется однородное облако со средними скоростями микрочастиц порядка 90 м/с (при давлении в генераторе 20 атм.). В случае выброса в плотную атмосферу формируется лидирующее быстрое облако частиц со скоростями до 150 м/с и медленный «хвост» частиц со скоростями до единиц м/с.

4. Проведены численные расчеты эволюции облака в верхней атмосфере и космическом пространстве в вариантах образования на баллистических траекториях и на околоземных орбитах, в диапазоне высот 90-800 км, при различных конфигурациях выброса и поля скоростей частиц, в том числе и частиц с начальными динамическими характеристиками, соответствующими модельному газодинамическому генератору.

5. Результаты моделирования показывают, что в случае выброса облака частиц на баллистической траектории на высотах до 200 км образуется локальное загрязнение верхней атмосферы дисковидной формы диаметром до нескольких сот километров, толщиной 2-3 км на высотах 80-90 км. При объемах выброса, характерных для ракет-носителей «Старт» пространственная плотность частиц размером 5 мкм в центральной, наиболее плотной части области облака составит 0,1 - 2 частиц на м3.

Эволюция и форма облака зависит от условий выброса (ориентации генератора, параметров его собственной скорости относительно атмосферы). Так при значительной (порядка 1 км/с) собственной горизонтальной скорости генератора становится заметным эффект «опрокидывания» облака.

6. В эволюции выброса облака частиц на орбитальной траектории выявлены три этапа:

I - формирование расширяющегося облака частиц, сопровождающееся его вращением вокруг генератора;

II - вытягивание облака вдоль орбиты, его расслоение и постепенный переход на более низкие орбиты;

III -торможение облака частиц в атмосфере с формированим узкого и длинного шлейфа в верхней атмосфере.

Пространственно-временные параметры процессов сильно зависят от высоты выброса и плотности атмосферы, направления выброса, размеров частиц.

Ю-™ микронные частицы AI2O3, выброшенные из модельного генератора на орбите высотой 350 км в направлении орбитального движения, испытывают сильное тормозящее действие атмосферы. Максимальные размеры облака на высотах 200-300 км составляют 500-700 км в направлении выброса и до 200 км в горизонтальной плоскости. Все пылевые частицы полностью теряют горизонтальную скорость, опускаясь до высоты 80-90 км, в течение « 50 минут. Шлейф затормозившихся частиц в верхней атмосфере растягивается на « 12000 км.

Аналогичный выброс, но произведенный на высоте 600 км испытывая значительно более слабое воздействие атмосферы, формирует пылевое образование планетарного масштаба. Максимальные размеры орбитального облака составляют 5000 км в направлении выброса, 500 км в вертикальной плоскости. Образовавшееся облако частиц полностью тормозится за « 350 минут, успев совершить 3,5 орбитальных витка. Шлейф затормозившихся частиц в верхней атмосфере представляет собой опоясывающую всю Землю полосу шириной до 200 км.

7. Оценена теоретическая экологически безопасная для состояния верней атмосферы и околоземного космического пространства возможность проведения космических экспериментов с выбросом пылевых частиц при выполнении ряда условий, ограничивающих высоты и геометрические параметры выброса.

Оптимальными для проведения космических экспериментов являются высоты 300-400 км. С целью минимизации риска для космических аппаратов выброс следует проводить в полусферу, противоположную движению космического аппарата со скоростями частиц не более 100 м/с.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Юдаков, Александр Александрович, 2002 год

1. The 1.teragency Report on Orbital Debris. Interagency Group (Space). -http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/IAR/report95.html, 1995.

2. Belk C.A., Robinson J.H., Alexander M.B. , et al. "Meteoroids and Orbital Debris: Effects on Spacecraft". NASA Reference Publication 1408. http://mtrs.msfc.nasa.gov/mtrs/97/rpl408.pdf, 1997.

3. McKnight, D.S. and Anz-Meador, P.D. Historical Growth of Quantities Affecting OnOrbit Collision Hazard. // J. Spacecraft and Rockets. - 1993. - Vol . 30, No. 1. - pp. 120-124.

4. Bernhard R., Christiansen E. Orbital Debris as Detected on Exposed Spacecraft. // TheOrbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 4.- 1997. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\ newsletter\v2i4\v2i4-4.html.

5. Orbiter Meteoroid / Orbital Debris Impacts: STS-50 (6/92) through STS-86 (10/97),JSC-28033. // The Orbital Debris Quarterly News. V.3, Issue 3. - 1998. - http://sncallisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v3i3\v3i3.html

6. Roth E.A. Space Debris - a hazard for the space station // European Sp.Agency Bui.1985. -N44. -p . 63-65.

7. Orbital Debris. A technical assessment. - Washington D.C.: National Academy Press,1995. p. 210.

8. McCormick Bemell. A new technique for predicting geosynchronous satellite collisionprobability. // Astrodynamics, 1985: Proc. AAS /A IAA Astrodyn. Conf, Vail , Colo, Aug. 12-15, 1985. Pt. 2. - San-Diego (Calif.), 1986. -pp . 821-830.

9. Johnson N.L. History and consequences of on-orbit break-ups. // Adv. Space Res.1985. - Vol.5, No. 2. pp. 11-19.

10. Su S.-Y., Kessler D.J. Contribution of explosion and future collision fragments to theorbital debris environment.// Adv. Space Res. - 1985. - Vol.5, No. 2, pp. 25-34.

11. Klinkrad H. , Jehn R. The Space Debris Environment of the Earth. // E S A Journal,1992.-Vol. 16. pp. 1-11.

12. AUahdadi, F. (ed.), Orbital Debris Detection and Mitigation. // Proceedings of S.P.I.E.,Vol . 1951, Apr. 15-17, 1993.

13. Johnson N.L. , Nauer D.J. Orbital debris detection: Techniques & issues. // A I A A pap.- 1990. - No 1330. - pp. 1-8.

14. Eichler P., Rex D. The risk of collision between manned spsce vehicles and orbitaldebris - Analysis and basic conclusions. // Z . Flugwis. und Weltraumforsch. - 1990. 14,№3.-рр. 145-154.

15. Sato Т., Kayama Н., Furusawa A. , Kimura I. M U radar measurements of orbital debris. // A IAA pap. No. 1343. p. 1-9.

17. Reynolds R.C. Review of current activities to model and measure the orbital debrisenvironment in low-earth orbit. // Adv. Space Res. - 1990. - Vol . 10, No. 3-4. - p. 359371.

18. Maley P. The need for optical study of space debris parentage. // Adv. Space Res.1990. - Vol. 10, No. 3-4. - p. 373-376.

19. Henize K.G. , O^Neill C.A., Mulrooney M.K . CCD observations of orbital debris. //A IAA pap. - 1990- № 3870.- p.1-7.

20. Henize K.G. , Stanley J.F. Optical observatinos of space debris. // A I A A pap. - 1990.No. 1340.-p. 1-7.

21. Kerwin, P.W., Africano, J.L., et al. Optical Observations of the Orbital Debris Environment. // SPIE Space Debris Conference Proceedings (Orlando, FL), Apr. 16, 1993.

22. Taff E.G. Satellite debris: Recent Measurements. // J. Spacecraft. - 1985. - Vol . 23,No. 3. - pp. 342-346.

23. Dow K.L. , Sykes M.V. , Low F.J., Vilas F. The detection of Earth orbiting objects by

24. AS. // Adv. Space res. - 1990. - Vol. 10, No. 3-4. pp. (3)381-(3)384.

25. Zook H.A., Cour-Palais G. // Lunar and Planet Sei. - Vol.20. 20^ ^ Conf, March 13-17,19889: Abstr Pap. Pt. 3. - Houston (Tex.), 1989. - pp. 1259-1260.

26. Horz Р., Grounds D. The cosmic dust collection facility on space station Freedom. //A I A A p a p . - 1990.-No 1351.pp. 1-7.

27. Johnson N.L. History and Consequences of On-Orbit Break-Ups .// Adv.Space Res.1985.-Vol. 5, N 2 . - p p . 11-19.

28. Temple L.P. III. The impact of space debris on maimed space operations. "Space: NewOpport. People. 37-th Int. Astronaut. Congr., Insbruck, Oct, 4-11, 1986. Abstr. Pap." S.I., s.a., IAA-420.

29. Kessler D.J. Orbital Debris Environment. // Proc.of the First European Conf on SpaceDebris Darmstadt, Germany, April 1993. - pp. 251-262.

30. Хуторовский 3.H., Каменский С Ю . и др. Риск столкновений космических объектов на низких высотах. // Столкновения в космическом пространстве (космический мусор). - М.: Косминформ. 1995.- с. 19-90.

31. Кеп- J. Post-flight Examination of the STS-96 Orbiter. // The Orbital Debris QuarterlyNews. - 2000. - V.5, Issue 1. - p. 6.

32. Kerr J. Post-flight Examination of the STS-95 Orbiter. // The Orbital Debris QuarteriyNews. - 1999. - V.4, Issue 3. - p. 4.

33. Kerr J. Post-flight Examination of the STS-88 Orbiter. // The Orbital Debris QuarteriyNews. - 1999. - V.4, Issue 4. - p. 5.

34. Orbital Debris From Upper Stage Breakups. / Loftus J.P. Jr. (ed.). - A IAA . - 1989.

35. Third Tsyklon Upper Stage Breaks Up. // The Orbital Debris Quarterly News. - 1999.-V .4 , Issue 3 . -p . 6.

36. Portree D.S F. Loftus J.P. Orbital Debris: A Chronology - http://ston.jsc.nasa.gov/collections/trs/_techrep/TP-1999-208856 - 1999. P.175

37. The First Satellite Breakup of 2000. // The Orbital Debris Quarterly News. - 2000.V.5, Issue 1. - p. 1.

38. Mueller A.C. , Kessler D.J. The effects of particulates from solid rocket motors fired inspace. //Adv.Sp.Res. - 1985. - Vol . 5, No 2. - pp. 77-86.

39. Burris R.A. Orbiter Surface Damage to SRM Plume Impingement. // MDISCO DesignNota,N 1.4-3-016, 18 Dec.1978.

40. McKnight D.S. The Need for Wake Debris Modeling. //The Orbital Debris QuarterlyNews. V.2, Issue 1. January 1997 - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v2il\ v2i 1 -3 .html#debris_modeling

41. John P.D., Wong E.Y. and other. The Impact of Deorbiting Space Debris on Stratospheric Ozone. // TRW Abstracts, 1994.

42. Brady B.B., Fournier E.W., Martin L.R., Cohen R.B. Stratospheric Ozone ReactiveChemicals Generated by Space Launches Worldwide. TR-94(4231)-6, The Aerospace Corporation, E l Segundo, С A , 1 Nov 1994.

43. Hanning-Lee M.A. , Brady B.B., Martin L.R., Syage J.A. Ozone Decomposition onAluminia: Implications for Solid Rocket Motor Exhaust. // Geophisical Research Letters. - 1996 - Vol.23, N 14, p. 1961.

44. Spiglanin Т., Edwards J. Stratospheric Effects of Rocket Plumes, an overview and update of a program to understand the local effects of rocket plumes in the stratosphere. 32-nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 1-3 July 1996.

45. Belting E.J. Solid Rocket Motor Exhaust Model for Aluminia Particles in the Stratosphere. // J. of Spacecraft and Rockets. - 1997. - Vol . 20, N . 3. - pp. 303-310.

46. Laurance M.R., Brownlee D.E. The flux of meteoroids and orbital space debris striking satellites in low-Earth orbh. //Nature. - 1986. - Vol 323.

47. Lorenz R.D. Debris Hazard Poses Future.// Spaceflight. - 1988. - 30, No 1. - pp. 4-7.

48. Small Orbital Debris poses Continuing Hazards to Spacecraft.// Space Age Times.1987. 14, No 5-6-pp. 10-12.

49. Imagery Survey of the Hubble Space Telescope. // The Orbital Debris Quarterly News.V.3, Issue 4. - 1998 - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v3i4\v3i4.html.

50. Carey W.C., Dixon D.G., McDonnel J .A .M. Space Shuttle microabrasion foil experiment (MFE) implications for aluminium oxide sphere contamination of near-Earth space. // Adv. Space Res. - 1985. - Vol . 5, N . 2. -pp . 87-90.

51. R.A.F. Grive, C.A. Wood, J.B. Garvin et al. Astronaut's guide to terrestrial impactcraters. LPI Techn.Rep. N 88-03. - Houston, 1988.

52. Cour-Palais B.G. Results of the examination of the Skylab/Apollo windows for micrometeoroid impacts. // Proc.Lunar Planet.Sci. - 1979. - Vol . 10. - pp. 1655-1672.

53. Graen E., Look H.A., Giese R.H. Collisional balance of the meteoritic complex. //1.arus. - 1985. - Vol.62.

54. Leonard W., Howell Jr. A stochastic model for particle impingements on orbitingspace craft. // Joum.Astronaut.Sei. - Vol. 34, N 4. - P. 375-401.

55. Morrison D.A., Zinner E. 12054 and 76215: new measurements of interplanetary dustand solar flare fluxes. //Proc.Lunar Planet.Sci., Conf 8th, 1977. - p. 841.

56. Zook H.A., Flaherly R.E., Kessler D.J. Meteoroid impacts on the Jeminy windows. //Planet.Space Res. - 1970. - Vol. 18. - pp. 953-964.

57. Wilson B.K. Long Duration Exposure Facility (LDEF) Archive System. //http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/conf-3 -ldef-wilson.pdf 1998.

58. Zolensky M.E. et al. Interim report of the meteoroid and debris special investigationgroup, http ://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/cp3194-92-p277.pdf 199 8

59. See Т.Н. et al. The L E O particulate environment as determined by LDEF. //http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/conf-space-94-p618.pdf 1998.

60. See Т.Н. et al. LDEF meteoroid & debris special investigation group investigationsand activities at the Johnson Space Center. // http://techreports.larc.nasa.gov/ltrs/pdf/ cp3275-95-ldmdsigjsc.pdf 1997.

61. McDonnell et al. Particulate Detection in the Near Earth Space Environment Aboardthe Long Duration Exposure Facility LDEF: Cosmic or Terrestrial? - l A U Colloquium, No. 126.

62. Horz F. Mir Orbital Debris Collector Data Analyzed. // The Orbital Debris QuarterlyNews. V.4, Issue 2. 1999. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v4i2\v4i2.html

63. Побединская M . Японские эксперименты на российском сегменте МКС. // Новости космонавтики. - 2001. - № 12. с. 64-65.

64. Павельцев П. Европейская PROBA. // Новости космонавтики. - 2001. - J42 12. с.43-44.

65. Johnson N et al. NASA/JSC Orbital Debris Models. // The Orbital Debris QuarterlyNews. V.2, Issue 2. 1997. - http://sn-callisto.jsc.nasa.gov\newsletter\v2i2\v2i2-5.html

66. Protecting the Space Shuttle from meteoroids and space debris. - National academypress. Washington, D.C. 1996. - p. 53.

67. Protecting the Space Station from meteoroids and space debris. - National academypress. Washington, D.C. 1997. - p. 55.

68. McKnight D.S. Review of International Activities in Orbital Debris EnvironmentModeling. // The Orbital Debris Quarterly News. V.2, Issue 3. 1997. - http://sncallisto.jsc.nasa.gov\newsletter\ v2i3\v2i3-3 .html

69. Экологические проблемы и рисьси воздействий ракетно-космической техники наокружающую природную среду. - М.: Анкил, 2000. - 640 с.

70. Reynolds R. Man-Made Debris Environment Characterisation for Spacecraft Vulnerability Assessment. // Second International Conference on Engineering, Construction and operations in Space, Albuguergue, April 1990.

71. Eichler P. and Rex D. Chain Reaction of Debris Generation by Collisions in Space. - AFinal Threat to Spaceflight 40th Congress of the lAF , paper IAA-89-628, oct.7-13, 1989, Malaga, Spain.

72. Friesen L.J., Jackson A .A . Results in orbital evolution of objects in the geosynchronous regions. - AIAAPap. - 1990. - N1362. pp. 1-10.

73. Reynolds R.S., Anz-Meador P.D., and Ojakangas G.W. The impact of alternative mission models on the future orbital debris environment. // Adv. Space Res. - 1991. - 11, N12.-pp. 29-32.

74. Kessler, D.J., Grun, E., and Sehnal, L. (eds.) Space Debris and Satellite Orbits, Advances in Space Research. - 1985. - Vol . 5, No. 2. - pp. 3-96.

75. Kessler, D.J., Zamecki, J.C., and Matson, D.L. (eds.) Cosmic Dust and Debris, Advances in Space Research. - 1991. - Vol. 11, No. 12. pp. 3-98.

76. Meshishnek M.J. Overview of the Space Debris Environment. - The Aerospace Corporation, E l Segundo, CA, Marth 1995. TR-95(5231)-1, SMC-TR-95-9.

77. Лебединец В. Н. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль. - Д.: Гидрометеоиздат. - 1981.-272 с.

78. Андреева Л.А., Клюев О.Ф., Портнягин Ю.И. и др. Исследование процессов вверхней атмосфере методом искусственных облаков. - Л.: Гидрометеоиздат. 1991 г.- 174 с.

79. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. - М.: Наука, 1978. - 336 с.

80. Coy Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с.

81. Уоллис Г.Б. Одномерные двухфазные течения. - М.: Мир, 1972. - 440 с.

82. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. - М.: Наука. 1982. - 392 с.

83. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. - М.; Наука,1976. - 862 с.

84. Кроу Коэффициент сопротивления для частиц в реактивном сопле. // Ракетнокосмическая техника. - 1967.- Т.5, N 5.

85. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. - Минск, Наука и техника,1972. - 480 с.

86. Бородин В.А. Распыливание жидкостей. - М. 1967.

87. Карлсон Экспериментальное определение отставания частиц при течениисмеси газа и частиц в сопле. // Ракетно-космическая техника. - 1964. - Т.2, N 1 1 .

88. Уолш Д. Н. Соотношения для коэффициента сопротивления малых частиц в потоке высокоскоростного газа. // Ракетно-космическая техника. М., 1972. Т. 10, N 11.

89. Казанников A . M . , Кайдалов О.В. Эволюция пылевого облака в верхней атмосфере. // Труды ИЭМ, 1990, вып. 21(143), с. 97-102.