№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК: 629.765-045:539
© 2013 г. МАСЛЕННИКОВ А.А.1
ПРОЕКТНО-БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ ОТКЛОНЕНИЯ АСТЕРОИДА "АПОФИС"
Рассмотрены способы отклонения астероида "Апофис" от Земли: отклонение кинетическим ударом, подрывом ядерного заряда и приложением постоянно действующей тяги с помощью ядерной электроракетной двигательной установки. Приведены проектно-баллистические оценки затрат на доставку соответствующих средств воздействия к астероиду "Апофис" до 2029 г. Оценены величины смещения "Апофиса" относительно Земли при пролете в 2029 г. Показано, что лучшим средством отклонения астероида "Апофис" является отклонение с помощью подрыва ядерного заряда на поверхности или под поверхностью астероида. Рассмотрена принципиальная возможность уничтожения астероида "Апофис" с помощью подрыва ядерного заряда.
Введение. С развитием астрономии в начале 19-го столетия были открыты малые тела солнечной системы — астероиды. Существуют астероиды с поперечным размером от нескольких сотен километров до 100 м и меньше. Крупнейшим астероидом является Паллада (в 2006 г. Церера переведена в разряд планет-карликов) с характерным диаметром 490 ± 50 км. Астероидов с размером более 200 км насчитывается ~30, размером от 80 до 200 км--800. С уменьшением размера число астероидов растет и может достигать сотен тысяч [1, 2]. Основная масса этих тел располагается в Главном астероидном поясе между Марсом и Юпитером. Их средние расстояния от Солнца составляют 2,2...3,6 а.е. Все малые планеты движутся в прямом направлении по орбитам, эксцентриситет которых редко превышает 0,4. Наклонение большинства орбит к эклиптике составляет порядка нескольких градусов, однако бывают и исключения с наклонением до 80°. Период обращения вокруг Солнца составляет от 3 до 9 лет.
По своим физическим свойствам астероиды укрупнено можно разделить на каменные, железо-каменные и железные. Плотность каменных астероидов составляет порядка 2,5.3 г/см3, а плотность железных — 7,7 г/см3. Самые темные астероиды отражают 3.4%, самые яркие — до 40% падающего на них света.
Большинство астероидов имеет обломочную неправильную форму и поверхность, покрытую кратерами. При этом они вращаются с периодами от двух до сотен часов. Встречаются астероиды со сложным вращением, когда вращение идет вокруг нескольких осей сразу. Имеют место двойные и тройные астероиды, состоящие, как правило, из одного крупного и одного—двух меньших по размеру спутников. Примером двойного астероида является астероид 243 Ида.
В конце 19-го, начале 20-го века были открыты астероиды, орбиты которых пересекают орбиту Земли. Существуют три семейства таких астероидов, названных по имени типичных представителей — малых планет: 1221 Амур, 1862 Аполлон, 2962 Атон. К семейству Амура относятся астероиды, орбиты которых в перигелии почти касаются ор-
1РКК "Энергия" им. С.П. Королёва.
биты Земли. "Аполлонцы" пересекают земную орбиту с внешней стороны, их переге-лийное расстояние меньше 1 а.е. "Атонцы" имеют орбиты с большой полуосью меньше земной и пересекают земную орбиту изнутри.
Наблюдения за этими астероидами показали, что они могут приближаться к Земле на опасные расстояния (порядка сотен и даже десятков тысяч километров), так что угроза их столкновения с Землей вполне реальна. В настоящее время, когда наблюдается значительный рост населения и его плотности, даже небольшой астероид с кинетической энергией несколько килотонн может привести к большому числу жертв и разрушений.
Исходя из этого Совет Европы в марте 1996 г. принял резолюцию, призывающую правительства стран—членов ЕС и стран наблюдателей, оказывать максимальную поддержку составлению наиболее полного списка объектов сближающихся с Землей и определения их характеристик. В декабре 1999 г. аналогичную резолюцию приняла Генеральная Ассамблея ООН. В 1998 г. НАСА в кооперации с Военно-воздушными силами США при поддержке Конгресса США начала осуществлять проект под названием "Космическая стража". Его цель — в течение 10 лет открыть и составить каталог не менее 90% всех тел размеров не менее 1 км, способных сближаться с Землей до расстояния меньше 0,3 а.е. Наблюдения осуществлялись на ряде американских телескопов с диаметром зеркала от 1 до 1,8 м.
К середине 2009 г. было открыто 778 астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ) до 7,5 млн км размером с километр и более, что позволило оценить общее число таких тел в популяции АСЗ — 940 ± 50 [3]. По данным [4] на 24 августа 2009 г., было обнаружено 1070, на 1 июня 2010 г. — 1089 [1] таких АСЗ. Из них 150 имеют километровые размеры, 920 — гектокилометровые. Только 75 тел являются условно угрожающими Земле (подходят ближе, чем расстояние до Луны) и только один реально угрожающий — астероид Апофис, который в 2029 г. пройдет от Земли на расстоянии геостационарной орбиты. При этом его траектория может измениться так, что в 2036 г. он может столкнуться с Землей [5].
Астероид 99942 Апофис (Apophis, ранее 2004 MN4) открыт в 2004 г. в обсерватории Китт-Пик в Аризоне (США), собственное название получил 19 июля 2005 г. Астероид относится к группе атонов, он сближается с орбитой Земли в точке, приблизительно соответствующей 13 апреля [1, 6]. По оценкам астрономов, его диаметр составляет ~270 м. Астероиду соответствует тип метеоритов — хондриты. Хондриты — это каменные, зернистые метеориты с низким содержанием железа. Таких метеоритов сравнительно немного--9% из всех собранных на Земле. Апофис состоит в основном из
минералов пироксена и оливина. Плотность таких метеоритов 2,5...3 г/м3.
Первоначальная оценка НАСА для мощности взрыва при падении астероида составляла 1480 Мт, после уточнения размеров ее снизили до 506 Мт. Эффект взрыва может варьировать в зависимости от состава астероида, места и угла удара. В любом случае взрыв причинит огромные разрушения на тысячах квадратных километров, но не создаст долгосрочных глобальных эффектов, подобных "астероидной зиме".
По своим размерам Апофис представляет сравнительно небольшое тело, подобных которому значительно больше, чем открытых на сегодняшний день астероидов километрового размера. Поэтому NASA рекомендовало провести второй этап поиска астероидов с размером до ~140 м. При этом прогнозы показывают, что число открытых астероидов составит ~120000. Возрастет до 5.10 тыс. и число потенциально опасных астероидов [3].
Таким образом, можно констатировать, что в ближайшее время Земле могут угрожать только астероиды размером до ~300 м и Апофис является хорошей моделью для отработки системы защиты Земли от тел данного класса. Следует отметить, что существует потенциальная угроза столкновения с долгопериодическими, движущимися по квазипараболическим и гиперболическим орбитам, кометами. Их размеры могут достигать нескольких десятков километров. Поэтому при разработке системы защиты
надо учитывать и эту возможность. Концепции системы защиты Земли от опасных комет и астероидов рассмотрены, например, в [1, 7, 8].
Способы и средства обеспечения астероидно-кометной безопасности
Обеспечить астероидно-кометную безопасность Земли можно отклонением опасного космического тела (ОКТ) с траектории столкновения с Землей или разрушением его на фрагменты безопасного размера.
Возможны следующие способы отклонения ОКТ с траектории столкновения:
1) Отклонение с помощью кинетического удара, когда силовое воздействие с целью изменения направления вектора скорости осуществляется путем попадания в ОКТ КА-ударником, который представляет из себя "болванку", кинетическая энергия которой передается астероиду или комете. КА-ударник может состоять из разгонного блока (РБ) и некоторого балласта, масса которого определяется траекторией перелета и энергетическими возможностями РН с РБ для каждой конкретной даты старта.
При этом величина передаваемого ОКТ импульса зависит от скорости соударения с ударником. При скоростях соударения менее 10 км/сек величина импульса определяется только энергией удара и определяется по формуле [8]:
Р = 10ПЕ, (1)
где Р — импульс, приобретаемый ОКТ, кг • м/сек; Е — энергия соударения в Мт.
При скоростях соударения от 10 до 40 км/сек получаемый ОКТ импульс определяется по формуле
Р = (1012...1013)Е, (2)
где Р — импульс, приобретаемый ОКТ, кг • м/сек; Е — энергия соударения в Мт.
Увеличение величины импульса на один-два порядка при росте скорости соударения объясняется тем, что при скоростях >10 км/сек значительный вклад в величину импульса начинает вносить реактивная сила от разлетающихся обломках, образующихся при столкновении, которое носит взрывной характер. Поэтому траекторию перехвата ОКТ нужно выбирать так, чтобы скорость соударения была >10 км/сек.
Преимуществом этого способа отклонения ОКТ является сравнительная простота, недостатком — малая величина воздействия.
2) Отклонение с помощью подрыва ядерного заряда.
В этом случае средством отклонения является ядерный заряд, доставляемый к астероиду. Ядерный заряд подрывается либо в непосредственной близости от ОКТ, либо после заглубления в него. Главное требование — отклонить астероид, а не разрушить его. В этом случае использование мощных зарядов неприемлемо, так как разрушающее воздействие будет больше, чем величина отклонения.
Поэтому отклонять астероиды и кометы можно только, применяя заряды небольшой мощности. В зависимости от времени до столкновения может потребоваться применение нескольких таких зарядов. Оценки [8, 9] показали, что предельно допустимая энергия неразрушающего контактного ядерного взрыва должна быть такой, чтобы диаметр образовавшегося кратера не превышал 1/10 диаметра астероида. В [8, 10] показано, что радиус зоны разрушения (диаметр кратера) от поверхностного ядерного взрыва для силикатной породы определяется по формуле:
К = (200...300)Е1/3, (3)
где К — радиус зоны разрушения (диаметр кратера), м; Е — мощность термоядерного взрыва, Мт.
Для "Апофиса" предельный диаметр кратера составит 27 м. Для получения такого кратера мощность поверхностного ядерного взрыва должна составить от 0,7 до 2,5 кт.
Для приповерхностного (маловысотного) и ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.