Прогноз развития науки и техники в 21-м столетии

Данное предложение включает в себя четыре различных сценария слежения за траекторией астероидов и комет, несущих угрозу столкновения с Землей. Астероид Апофис (Apophis) является частным случаем такого небесного тела, отличающегося малыми размерами.

При разработке предложения особое внимание уделялось вопросам чувствительности и надежности следящих систем. Только максимально высокая чувствительность маркеров и датчиков позволит сделать надежный расчет траектории астероида, устранив тем самым тревогу жителей Земли.

При разработке следящих систем приборы и оборудование подбирались таким образом, чтобы они могли функционировать от источников энергии, уже применявшихся ранее для энергетического обеспечения космических аппаратов.

При разработке предложения астероид представлялся грудой валунов, щебня и пыли, слабо связанных друг с другом мизерной гравитацией. Такое представление обостряло потенциальные трудности, связанные с посадкой на астероид, креплением оборудования, выбором места установки оборудования, высоким риском выхода оборудования из строя.

Следствием требований высокой надежности следящих систем, стало использование в некоторых сценариях, избыточного числа датчиков или маркеров. Умозаключение, которым я пользовался при этом простое: “Каждый избыточный датчик может спасти миллион жизней”.

Требования высокой надежности определили использование как можно более простых датчиков или маркеров, ориентированных на съем и передачу простой первичной информации. Математическую обработку данных предполагается производить на Земле.

Из требований простоты, как составляющей надежности, предполагается произвольное размещение датчиков или маркеров на поверхности астероида.

Из уважения к членам высокой комиссии, безусловно, являющимися профессионалами, и опасения занять их время, я постарался избежать известных истин и пустых рассуждений.

В дальнейшем те элементы предложения, которые, на мой взгляд, имеют инновационный характер, будут выделены красным светом.

Предполагает наблюдение за движением астероида с Земли методами радиолокации и оптической астрономии. На поверхности астероида размещаются маркеры, играющие роль пассивных ретрансляторов.

Маркеры в количестве до десяти штук доставляются к астероиду и разбрасываются произвольным образом по поверхности астероида.На борту космического аппарата находятся дальномеры и видеокамеры, при помощи которых измеряются расстояния и углы между маркерами. Путем прямых измерений и расчетов маркеры привязываются к единой системе координат. Каждый маркер (точка на поверхности астероида) получает собственные уникальные координаты.

Астероид в дальнейших расчетах может быть представлен в виде вращающегося вокруг нескольких осей неправильного многогранника. Вершинами такого многогранника являются точки размещения маркеров. По данным астрономических наблюдений определяются все оси вращения астероида и расчетным путем определяются координаты полюсов в единой системе координат.

По данным астрономических наблюдений рассчитывается прогнозная траектория движения астероида, которая постоянно уточняется по мере поступления новых данных.

Любая сила, влияющая на траекторию движения астероида, в общем случае влияет на угловые скорости маркеров относительно некоторых осей вращения астероида, и может быть обнаружена по изменению параметров движения маркеров. Наблюдая за движением маркеров, мы сможем заметить изменение их угловых скоростей вокруг некоторых осей вращения астероида и сделать вывод о наличии, величине и направлении силы влияющей на траекторию движения астероида.

Маркеры представляют собой пленочные конструкции (может быть надувные) из полимерных материалов, металлизированных алюминием или специальными порошковыми смесями. Минимальные размеры маркера 10 на10 метров, что соответствует достигнутому разрешению по поверхности (опыт радиолокации астероида 1999 JG с Земли). Недостатком данного сценария является сложность технологии разворачивания мерной ленты и обматывание этой лентой астероида со сверхнизкой орбиты. Такие конструкции способны рассеивать или направленно отражать энергию радиоволн.

Технология использования надувных конструкций из металлизированных синтетических пленок в качестве пассивных ретрансляторов, отработана при эксплуатации американских спутников серии “Эхо”.

Достоинством этого сценария является отсутстНедостатком данного сценария является сложность технологии разворачивания мерной ленты и обматывание этой лентой астероида со сверхнизкой орбиты. вие потребности в источнике энергии.

Недостатком является необходимость длительных наблюдений для выявления слабых сил влияющих на траекторию астероида, таких как солнечное излучение, гравитационное влияние пролетающих астероидов, неравномерное остывание поверхности астероида и другие.

Предполагает измерение угловых скоростей некоторых точек на поверхности астероида относительно всех осей вращения астероида, непосредственно размещенными на поверхности астероида гироскопическими датчиками.

Гироскопические датчики в количестве один-два десятка штук доставляются к астероиду на космическом аппарате и разбрасываются произвольным образом по поверхности астероида. На борту космического аппарата находятся дальномеры и видеокамеры, при помощи которых измеряются расстояния и углы между гироскопическими датчиками.Каждый гироскопический датчик (а вместе с ним и точка на поверхности астероида) получает собственные уникальные координаты.

Привязка гироскопических датчиков к единой системе координат (присвоение собственных уникальных координат) может быть осуществлена и без использования дальномеров. Для этого необходимо выполнить следующие условия:

• гироскопы всех датчиков раскручены предварительно, на Земле или на борту космического аппарата;
• все гироскопические датчики приведены к единой системе координат (оси всех гироскопов однонаправлены и параллельны);
• передача данных с гироскопических датчиков начинается после прикрепления их к поверхности астероида, одновременно, в единый момент времени Т0.

Используя тот факт, что оси всех гироскопов однонаправлены и параллельны, и тот факт, что передача данных с датчиков начинается в единый момент времени Т0, можно построить в 3D пространстве моделирования траектории движения всех датчиков в единой системе координат с момента времени Т0.

Каждый датчик будет двигаться в 3D пространстве моделирования по винтовой траектории относительно начала координат. Винтовые траектории всех датчиков очертят в 3D пространстве моделирования множество точек, которые могут принадлежать только одному вращающемуся уникальному многограннику.

Решение такого многогранника программным путем (определение расстояний и углов между его вершинами) позволит присвоить каждому гироскопическому датчику (а вместе с ним и точке на поверхности астероида) собственные уникальные координаты в единой системе координат. Можно обойтись без дальномерной аппаратуры размещенной на космическом аппарате. Но для повышения точности определения координат можно использовать совместно данные, полученные расчетным путем и путем измерений дальномерной аппаратурой.

Накопленная за некоторый промежуток времени информация, полученная с гироскопических датчиков, позволит определить количество осей вращения астероида и координаты полюсов этих осей в единой системе координат. В дальнейшем мы сможем отслеживать параметры вращательного движения каждого датчика в единой системе координат, в том числе изменение угловых скоростей каждого датчика относительно любой из осей вращения астероида.

По полученным данным в 3D пространстве моделирования строится прогнозная траектория движения астероида, которая уточняется по мере поступления новых данных. Любые влияющие на траекторию движения астероида силы будут обнаружены в момент их появления через изменения угловых скоростей датчиков относительно некоторых осей вращения астероида.

Чувствительность гироскопических датчиков по угловой скорости, которую можно достичь сегодня на кольцевых лазерных гироскопах (ring laser gyroscope) и волоконно-оптических гироскопах (fiber-optic gyroscope) составляет 10-8 рад/сек (0,001°/ч). Чувствительность системы из большого количества гироскопических датчиков будет в несколько раз выше. При проведении расчетов могут быть использованы данные, полученные от различных комбинаций гироскопических датчиков по количеству и местоположению. Это позволит снизить погрешности и выделить силы слабого влияния, а также производить отбраковку датчиков, вышедших из строя.

Каждый датчик для съема, обработки и передачи данных нуждается в источнике электроэнергии мощностью10 -15 Вт. В качестве таких источников могут использоваться электрохимические источники, солнечные батареи, радиоизотопные источники энергии или гибридные системы. Выбор источника электроэнергии зависит от времени эксплуатации датчиков. Так если время миссии составит 6 месяцев можно использовать электрические аккумуляторы с подзарядкой от солнечных батарей. Если время миссии составит годы, то использовать придется радиоизотопные источники.

Достоинством этого сценария есть высокая надежность работы всей системы, высокая чувствительность и быстрота обнаружения сил. Предложенная система позволит выявить слабые и временные силы, влияющие на траекторию астероида, такие как солнечное излучение, гравитационное влияние пролетающих астероидов, неравномерное остывание поверхности астероида и другие.

Недостатком этого сценария является необходимость иметь большое количество источников энергии.

Предполагает слежение за траекторией двух точек на поверхности астероида, в базовой системе координат, задаваемой прецизионным гироскопом. Одна из этих точек является местом крепления космического аппарата к поверхности астероида, другая - центром тяжести астероида.Прецизионный гироскоп и система съема данных находятся на космическом аппарате. Система съема данных отслеживает траектории двух точек в базовой системе координат прецизионного гироскопа относительно начала координат.

После посадки космического аппарата и прикрепления его к поверхности астероида, начинается съем данных о его движении относительно начала координат базовой системы координат. В базовой системе координат космический аппарат будет вращаться вокруг ротора гироскопа. Вращательное движение космического аппарата будет иметь сложный, однако, повторяемый характер. Траекторию такого движения можно отобразить в 3D пространстве моделирования, можно описать математическими уравнениями. По изменению параметров этой траектории во времени можно судить о возникновении сил действующих на астероид в точке прикрепления космического аппарата. Определение величины и направления таких сил - это стандартная задача на нахождение значений параметров, реализующих максимум или минимум некоторой зависящей от них величины.

Следующим этапом станет вычисление координат центра тяжести астероида в базовой системе координат. Для этого необходимо определить направление от начала координат к центру тяжести астероида и расстояние до центра тяжести астероида.

Направление на центр тяжести можно определить датчиками гравитации, в том числе при помощи имеющегося прецизионного гироскопа. Расстояние до центра тяжести астероида находим, пользуясь законом Ньютона о всемирном тяготении. Для этого достаточно два раза измерить вес (сжатие пружины под действием веса) на различном расстоянии от поверхности астероида. Или использовать гравиметры другой конструкции.

После определения расстояния до центра тяжести астероида, траекторию движения центра тяжести астероида в базовой системе координат можно описать математическими уравнениями и отобразить в 3D пространстве моделирования. В координатах времени мы получим сложную винтовую траекторию, внутри которой мгновенные оси вращения космического аппарата, пересекаясь, образуют множество точек.

Это множество точек принадлежит кривой с большим радиусом кривизны. Приведя ее в соответствие с доступными достоверными данными из других источников, мы сможем построить прогнозную траекторию движения центра тяжести астероида.

Для удобства расчетов можно перенести начало координат в центр тяжести астероида. Тогда траектория движения центра тяжести будет близка к прямой линии (с учетом кривизны орбиты). Любые отклонения от прогнозной траектории будут следствием действия на астероид каких-то сил. Эти силы можно определить по величине и направлению математическими методами.

Таким образом, мы можем использовать два варианта расчета сил воздействующих на астероид. Расчеты будут несколько отличаться, из-за различного расстояния от точки приложения сил до точки крепления космического аппарата и центра тяжести астероида соответственно. Но в итоге точность расчетов будет повышена. Высокая чувствительность прецизионных гироскопов по угловой скорости может достичь 10-9 рад/сек.

Управление прецизионными гироскопами в условиях космоса, и обработка информации отработаны при проведении исследований на спутнике NASA Gravity Probe-B (GP-B).

Достоинствами этого сценария есть упрощенные требования к космическому аппарату, который должен выполнить всего одно действие – посадку на астероид, потребность в одном источнике энергии, использование апробированных блоков приборов.

Недостатком сценария является невысокая надежность прецизионных гироскопических датчиков с электростатическим подвесом ротора, являющихся сложным и довольно капризным устройством.

Предполагает наблюдение с Земли за маркерами, размещенными на астероиде, при помощи средств радиолокации. Одновременно непосредственно на поверхности астероида предполагается измерять параметры движения выделенного сечения астероида относительно инерциальной системы координат.

Такая система слежения за изменениями траектории астероида снаружи и изнутри одновременно, является наиболее информационно емкой. Может быть, даже максимально информационно емкой. С помощью такой комбинированной системы можно получать информацию с момента начала действия сил, и уточнять ее непосредственно наблюдая с Земли за параметрами вращения маркеров.

Космический аппарат, облетев астероид на предельно низкой высоте, обматывает его мерной лентой (маркером) в произвольном направлении. Совершив посадку, космический аппарат служит в дальнейшем источником энергии и передатчиком.

Источником энергии может быть существующие радиоизотопные энергетические установки. Или разрабатываемые радиоизотопные энергетические установки, например проект MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator). Или проект RSG (Radioisotope Stirling Generator), разрабатываемый компанией Lockheed Martin Astronautics.

Мерная лента представляет собой металлизированную полимерную пленку шириной не менее десяти метров, которая через каждые двадцать метров имеет чередующиеся участки с различными отражающими радиоволны свойствами. Эта мерная лента всегда будет видимой с Земли.

Вместе с мерной лентой на астероид наматывается один виток оптического гироскопа, работающего на эффекте Саньяка. Для предотвращения механических поломок витка лучше всего наматывать несколько оптических волокон, защищенных оболочкой. Здесь существует техническая трудность, не отработанная на практике в условиях космоса. Речь идет о присоединении вторых концов оптических волокон к источнику света. Эта техническая проблема есть проблема сращивания двух концов оптического волокна, и в условиях Земли она решается различными способами. Некоторые из них могут быть применены в условиях космоса.

По круговому оптическому пути луч света распространяется в двух противоположных направлениях. Пока оптическая система находится в покое относительно инерциальной системы координат, оба световых луча распространяются по оптическому пути одинаковой длины, и при сложении лучей фазовый сдвиг отсутствует. За точку отсчета может быть взят произвольный момент времени, именно в этот момент времени оптическая система будет считаться находящейся в покое.

Когда оптическая система вращается относительно инерциальной системы координат с некоторой угловой скоростью, между световыми волнами возникает разность фаз ΔΨ. В формулу определяющую разность фаз ΔΨ входит величина S - площадь, окаймленная оптическим путем.

ΔΨ=kS/c*Ω

В нашем случае при диаметре астероида более 300 метров, площадь, окаймленная оптическим путем, составит около 100 тысяч квадратных метров, что позволяет добиться высокой чувствительности при определении разности фаз световых лучей.

При движении астероида по орбите выделенное сечение астероида, окаймленное оптическим путем, будет совершать сложное вращательное движение. Вследствие этого разность фаз ΔΨ будет изменяться по сложному периодическому закону. Связав закономерности изменения разности фаз с закономерностями движения мерной ленты (маркера), которая является периметром выделенного сечения, мы получаем чувствительную систему слежения за отклонениями астероида от расчетной прогнозной траектории.

Воздействие любой сторонней силы на траекторию движения астероида изменит угловые скорости в некоторых точках витка оптического гироскопа. Это нарушит привычный характер изменения разности фаз ΔΨ во времени, и станет сигналом для наблюдений методами радиоастрономии. По уточненным данным измерений и наблюдений обновляется модель траектории астероида.

Достоинства данного сценария - это высокая чувствительность, возможность выявления слабых сил, влияющих на траекторию астероида, потребность в одном источнике энергии, а также простота используемого гироскопа.

Недостатком данного сценария является сложность технологии разворачивания мерной ленты и обматывание этой лентой астероида со сверхнизкой орбиты.