Исследование околоземного космического пространства
Развитие человечества выводит его в новые области обитания и делает их объектом исследования. Таким объектом исследования и новой средой обитания является околоземное космическое пространство (ОКП).
Исследование ОКП ставит ряд проблем. Первая проблема расширение понятия «Инфосфера». Принципиальным является то, что ОКП все больше интегрируется в человеческую цивилизацию и проблема «человек – инфосфера» расширяется до ОКП.
Еще одной проблемой являются фонды хранения пространственной информации. Столетиями они создавались только для хранения информации о Земле, получаемой наземными методами, а позже методами аэрофотосъемки. Дистанционные методы не только существенно увеличили обзорность, но дают качественно новые подходу к анализу информации о Земле. Кроме того объемы космической информации ни порядки превосходят объемы информации получаемой наземными методами. Это побуждает применение новых методов анализа информации и новых методов хранения пространственной информации.
Существует проблема неоднородности пространства Чем менее изучена какая-либо область, тем она более однородна с точки зрения исследователя. Это проблема «черного ящика». По мере изучения объекта выявляют его неоднородности, что должно находить отражение в соответствующих гетерогенных моделях.
С проблемой неоднородности связана проблема получения и первичной обработки информации. Эта проблема усложняется тем, что космическая информация используется не в одной области или отрасли, а во многих отраслях и при решении существенно разных задач. Не только широко применяемой задачей позиционирования, но и связи, глобального и локального мониторинга, экологии и др. Поэтому такие задачи решаются применении методов искусственного интеллекта при получении и обработки информации.
Наконец существует проблема определения границ этого пространства. Это обусловлено расширением сферы человеческой деятельности, которая эти границы отодвигает все дальше от Земли.
В настоящее время нет четкого определения таких границ. Например, одна из оценок связывает эту область с зоной земного притяжения 930 км. Есть оценки в 1500 км. Но это слишком малые величины. Если связывать ОКП с Землей, точнее с деятельностью земной цивилизации, то необходимо учитывать фактор присутствия человека в этом пространстве.
Анализ этого фактора связывает эту границу с высотой геостационарных спутников примерно 36000. Электрическое поле также попадает в эту зону 36000 км. Высокие эллиптические орбиты простираются до 47000 км.
Поэтому зону ОКП определим от 100 км над поверхностью Земли до расстояния 8Re (земных радиусов) над поверхностью Земли (примерно 51000 км).
Таким образом, дальняя граница ОКП (по отношению к Земле) определяется сферой с центром в центре Земли с радиусом равным 9 земным от центра или 8 земным от поверхности.
В США космическое пространство принято делить на околоземное, долунное и залунное. Долунное космическое пространство (ДКП) простирается до орбиты Луны (384 400 км или примерно 60Re), залунное космическое пространство (ЗКП) определяется одной астрономической единицей (23481Re). Подавляющее большинство космических средств сосредоточено в ОКП – в области низких орбит (около 60%).
Спутники па низких орбитах (700-1500 км) обладают некоторыми преимуществами перед другими космическими аппаратами по энергетическим характеристикам, однако, проигрывают в длительности сеансов связи, а также общем сроке службы. Период обращения спутника, в среднем, составляет 100 мин, при этом примерно 30% этого времени он пребывает на теневой стороне планеты. Аккумуляторные бортовые батареи способны испытать в год около 5000 циклов зарядки/разрядки, как результат – срок их работы не превышает 5-8 лет.
Средневысотные орбиты располагаются между первым и вторым радиационными поясами, то есть на высоте 5000-15000 км. Эти аппараты слабее геостационарных, поэтому для полного покрытия поверхности Земли необходима орбитальная группа из 8-12 спутников (например, Spaceway NGSO, ICO, Ростелесат); каждый спутник находится в зоне радиовидимости наземной станции недолго, примерно 1,5-2 ч.
Высокими орбитами считают геостационарные и высокие эллиптические орбиты. Геостационарные орбиты (круговые) используются чаше всего для размещения космических аппаратов. Они обладают существенными преимуществами: возможна непрерывная круглосуточная связь, а сдвиг частоты практически отсутствует. Геостационарные спутники располагаются на высоте около 36000 км над поверхностью Земли и вращаются синхронно с ней. Они как бы «зависают» над определенной точкой «подспутниковой точкой». Однако, на самом деле, положение такого спутника не фиксировано. Он испытывает некоторый «дрейф» из-за ряда факторов, вследствии чего орбита смещается со временем.
Высокая эллиптическая орбита (ВЭО) — это тип эллиптической орбиты у которой высота в апогее (до 50000 км) во много раз превышает высоту в перигее (500 км).
К основным физическим свойствам и природным особенностям околоземного космического пространства можно отнести:
- гравитационное, магнитное и электрическое поле Земли;
- процессы в ионосфере Земли;
- глубокий космический вакуум;
- тепловое излучение;
- космические лучи и солнечное излучение;
- радиационные пояса Земли.
Рассмотрим влияние этих факторов
Влияние гравитационного поля Земли
Фигура Земли представляет собой достаточно сложную поверхность, названную геоидом. Ее форма до настоящего времени окончательно не определена, поэтому задача ее дальнейшего уточнения – предмет теории гравиметрии и теории фигуры Земли. Возмущающее ускорение, вызванное гравитационным полем несферической Земли, составляет 1/656 долю g. Для низких и высоких эллиптических орбит этот фактор играет роль, поскольку космические аппараты то попадают в зону притяжения Земли (930 км), то выходят из нее.
Анализ влияния возмущения на движение космического аппарата КА по эллиптической орбите показывает, что в среднем орбита не изменяет своих размеров и формы, то есть остаются практически неизменными ее большая полуось, фокальный параметр, эксцентриситет и линейный эксцентриситет, высота апогея и перигея. Вместе с тем она постепенно поворачивается в пространстве вокруг оси, совпадающей с осью вращения Земли, и происходит вращение линии аспид (апогей – перигей), что существенно влияет на баллистическую устойчивость КА.
При формировании орбитальных группировок КА необходимо выбирать элементы орбит таким образом, чтобы максимально снизить воздействие гравитационного поля Земли на движение КА. Это позволит в конечном итоге обеспечить баллистическую устойчивость группировки в течение длительного времени и минимизировать необходимые для коррекции орбиты бортовые запасы топлива.
Влияние магнитного поля Земли
Магнитосфера Земли имеет сложную форму. Со стороны, обращенной к Солнцу, расстояние до её границы варьируется в зависимости от интенсивности солнечного ветра и составляет около 70000 км (10-12 радиусов Земли Re, где Re = 6371 км). Граница магнитосферы, или магнитопауза, со стороны Солнца по форме напоминает снаряд и по приблизительным оценкам находится на расстоянии около 15 Re. С ночной стороны магнитосфера Земли вытягивается длинным цилиндрическим хвостом (магнитный хвост), радиус которого составляет около 20-25 Re. Хвост вытягивается на значительное расстояние — намного большее, чем 200 Re, и где он заканчивается – не известно.
Источники магнетизма Земли находятся в основном в трех компонентах планеты: в ядре, коре и верхней атмосфере. Магнитное поле с течением времени испытывает определенные изменения и возмущения. Регулярные изменения, подчиняющиеся определенной закономерности, называются невозмущенными вариациями. К ним относятся годовые лунно-суточные и солнечно-суточные невозмущенные вариации. Спорадические (конъюнктурные) изменения магнитного поля Земли называют магнитными возмущениями.
Интенсивные возмущения носят название магнитных бурь, которые могут длиться от несколько часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно по всей Земле. При этом с наибольшей интенсивностью они фиксируются в высоких широтах. Магнитные бури вызываются потоком солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер. Магнитные бури представляют опасность для экипажей пилотируемых космических кораблей и функционирования бортовой аппаратуры.
Прогнозировать магнитные бури можно максимум за трое суток. За это время можно провести какие-либо практические действия с КА и экипажем, направленные на снижение (или исключение) воздействия потока высокоэнергетических частиц. Во время магнитных бурь существенно изменяются параметры слоев ионосферы, отражающей и поглощающей радиоволны. В результате возникают значительные помехи в области коротковолновой связи.
Влияние электрического поля Земли
Естественное электрическое поле Земли наблюдается в твердом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Оно обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несет в себе определенную информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце Наличие электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под воздействием космических лучей, ультрафиолетовою излучения Солнца, излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе, электрических разрядов в атмосфере и других факторов. Многие атмосферные явления и процессы: конвекция, образование облаков, осадки и другие – приводят к частичному разделению разноименных электрических зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Земля относительно атмосферы заряжена отрицательно.
Существующие электрические поля атмосферы приводят к возникновению токов, разряжающих «конденсатор» «атмосфера – поверхность земли». При этом значительную роль в обмене зарядами играют осадки. Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушных масс, ветры, турбулентность – все это источники генерации электрического поля в ионосфере. Величина его напряженности зависит от местоположения точки, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, активности Солнца. Сила тока при этом достигает сотен и тысяч ампер.
Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер. В период магнитных бурь и полярных сиянии электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том что воздействие электрического поля Земли на их функционирование проявляются в виде: электризации внешних поверхностен КА; нарушении функционирования бортовых систем, помехи в связи.
Влияние ионосферы Земли
Ионосфера простирается от мезосферы до высот порядка тысячи километров. Ионосфера представляет собой природное образование разряженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности специфическими свойствами. определяющими характер распространения в ней радиоволн и различных возмущении. При распространении радиоволн в ионосфере происходит их отражение, двойное лучепреломление, рассеивание и нелинейные эффекты.
В зависимости от плотности заряженных частиц в ионосфере выделяются слои D (60—90 км), Е (90 120 км) и F (выше 130—140 км). Попадающая в ионосферу (анизотропную среду) волна испытывает двойное лучепреломление, то есть расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. По мере распространения двух накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны в определенных условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается. В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.
Помимо регулярной зависимости (регулярной ионосферы) электронной концентрации от высоты, в ионосфере происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число спорадических образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Это приводит при передаче сигнала к хаотическим изменениям принимаемого сигнала. Существование неоднородных образований приводит к рассеянию радиоволн на частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Неоднородные образования возникают в ионосфере также при прохождении через нее метеоритов.
Существуют особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. В частности, их нижняя частота ограничена поглощением. Поэтому связь осуществляется в диапазоне коротких и в ночные часы -в диапазоне средних волн. Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от ее нижней границы.
Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, а затем возвращается в сопряженную точку, расположенную в другом полушарии. Для инфразвуковых радиоволн, частота которых меньше частоты ионов, ионосфера ведет себя как нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики. Таким образом, влияние ионосферы проявляется через воздействие на линии связи в виде помех и изменения сигналов.
Глубокий космический вакуум
Глубокий космический вакуум обуславливает: испарение поверхностных слоев КА в процессе сублимации; изменение оптических характеристик терморегулирующих материалов и бортовой аппаратуры; изменение условий теплопередачи КА с внешней средой; изменение поверхностных и объемных свойств материалов .
Сублимация может сказываться на работе бортовых радиоэлектронных устройств при наличии разности температур между различными контактирующими материалами. В условиях глубокою космического вакуума нельзя применять большинство смазочных материалов, используемых в наземных условиях, из-за их высокой скорости испарения.
К отрицательным явлениям, возникающим в условиях космического вакуума, можно отнести и адгезию («прилипание» поверхностных слоев двух разнородных жидких или твердых веществ при их соприкосновении). При этом возникают микроскопические трещины, коррозия, возрастает коэффициент трения, возможны случаи сваривания материалов в холодном состоянии.
К числу других отрицательных эффектов космического вакуума можно отнести утечку газов и паров как через неплотности в конструкциях, так и через стенки КА. В результате возникает собственная внешняя атмосфера космического аппарата.
Тепловые воздействия в космическом пространстве
Для поддержания необходимого теплового режима космические носители оборудуются специальной системой терморегулирования, состоящей из активных и пассивных элементов, и имеющей большое энергопотребление (до 20% от общего потребления бортовой энергии), объем и массу (до 25% массы КН).
Основное влияние на тепловые условия оказывает солнечное излучение. Дополнительно, тепловой баланс зависит от солнечного излучения, отраженного от Земли и Луны и собственного теплового излучения Земли. Влияние на тепловой баланс оказывают внутренние источники тепла КА – электронная аппаратура, двигатели, бортовой компьютер.
В результате поглощения лучистой энергии температура металлических частей КА может достигать 700 – 800° К и более В целях снижения температуры поверхности необходимо применять специальные покрытия на основе белых красок; экранную и вакуумную изоляцию; ограничивать количество внутренних источников тепла; обеспечивать тепловой контакт освещенных и теневых сторон поверхности.
Изменение теплового режима сказывается в первую очередь на оптической и оптико-электронной аппаратуре.
Космические лучи и солнечные корпускулярные излучения
Взаимодействие заряженных частиц (корпускул ионов, протонов, электронов), существующих в космическом пространстве, с материалами и техническими системами КА связано с ионизацией этих материалов.
Радиационные пояса Земли
Радиационные пояса Земли представляют собой области космического пространства, заполненные заряженными частицами, удерживаемыми магнитным полем Земли. Значения потоков заряженных частиц в радиационных поясах Земли на несколько порядков превышают потоки космических лучей. Космические аппараты, функционирующие на высокоэлептических и стационарных орбитах, проходят через два радиационных пояса Земли. Их воздействие сказывается на функционировании радиоэлектронной аппаратуры и влияет на состояние экипажа.
Кроме естественных могут образовываться и искусственные радиационные пояса, как результат высотных ядерных взрывов и
испарений радиоактивных веществ в космосе. Необходимо отметить правовые особенности использования ОКП. Оно не поддается разграничению с помощью естественных или искусственных границ.
В настоящее время международном праве нет согласования нижних границ околоземного космического пространства. Космическое и воздушное пространство разделяет диффузионный слой толщиной около 35 км, в котором орбитальный полет еще, а аэродинамический управляемый полет уже невозможен.
Можно выделить следующие особенности околоземного космического пространства
1. Околоземное космическое пространство это природная среда, постепенно формирующаяся как геотехническая система.
2. Важнейшей особенностью космической техники является необходимость ее функционирования в трех сферах – на земле, в воздухе и космосе. Такая особенность не свойственна другим современным техническим системам.
3. Движение в ОКП осуществляется в соответствии с объективными законами. Устойчивый орбитальный полет возможен только вне плотных слоев атмосферы.
4. В процессе функционирования в космосе на технические системы оказывают влияние специфические факторы, чего нельзя сказать о других средах Происходит испарение и постоянное стирание поверхностных слоев материалов корпуса; изменение оптических характеристик терморегулируюиитх покрытий и оптических материалов; превращение смазок в абразивный материал; электрические разряды на поверхности; пробои тонкостенных оболочек корпусов. Данные обстоятельства приводят к снижению надежности различных технических систем и сокращению срока активного существования их на орбите. Это позволяет говорить о том, что в космосе должны функционировать специфических средства, приспособленных к эффективным действиям в данной среде.
5. Околоземное космическое пространство не поддается делению по государственной принадлежности, оно экстерриториально. С одной стороны, признание полного или частичного суверенитета государств на космическое пространство поставит под угрозу выполнение программ освоения космоса из-за протестов государств по поводу нарушения их суверенитета, с другой, экстерриториальность космоса позволяет влиять на события, происходящие в любой точке земного шара.
6. Околоземное космическое пространство в настоящее время – это специфическая сфера деятельности человечества, где могут проводиться военные действия с целью защиты национальных интересов.
Интегральную оценку значения освоения космоса для достижения глобальных целей дал бывший президент США Линдон Джонсон еще в 1964 году: «Британцы господствовали на море и руководили миром. Мы господствовали в воздухе и были руководителями свободного мира с тех пор как установили это господство. Теперь это положение займет тот, кто будет господствовать в космосе». Поэтому исследование и развитие ОКП ставит ряд новых научных задач, решение которых обуславливает прогресс человечества и его будущее
Источник
