Космические средства отражения астероидно-кометной угрозы Земле
1 февраля 2019 года астероид 2002NT7 столкнется с Землей.
Это сообщение распространили все средства массовой информации летом 2002 года. Возможно, столкновение случится и раньше – например, завтра, когда очередной астероид примерно того же размера, своевременно не обнаруженный системами слежения, попадёт в Тихий океан... Это вызовет волну цунами, вал которой прокатится по материкам и принесёт ужасные разрушения, а через несколько дней наступит «ядерная зима». Во всех подробностях об ужасах встречи с кометой писал К. Фламмарион еще в далеком в 1894 г [1], (рис. 1, 2), современные компьютерные модели это подтверждают (рис.3).
Возможность столкновения не радует, однако такие случаи известны в истории нашей планеты. Столкновения крупных астероидов с Землёй происходили несколько раз - 251, 200 и 65 миллионов лет назад. Место падения последнего астероида известно - полуостров Юкатан, Мексика. Тогда погибло около 75% живых существ на планете, в том числе и динозавры. Еще одно подтверждение реальности столкновений кометных ядер с планетами - падение фрагментов кометы Шумейкера-Леви на Юпитер в июле 1994 г. Падение обломков ядра кометы с размерами от 1 до 10 км со скоростью около 60 км/с происходило с 16 по 22 июля на обратную сторону южного полушария Юпитера. Грандиозные взрывные последствия столкновений становились наблюдаемыми на видимом полушарии Юпитера в виде огромных темных пятен и расходящихся от них кольцевых ударных волн, по диаметру сравнимых с Землей.
К началу третьего тысячелетия было установлено существование на Земле около 140 значительных астероидно-метеоритных кратеров, - от "Каньона дьявола" в штате Аризона до Нгоро-Нгоро в Центральной Африке, незащищенная атмосферой Луна практически вся покрыта кратерами.
Опасность на пороге
Солнечная система чрезвычайно богата космическим мусором. В поясе астероидов за орбитой Марса и в поясе Койпера находится огромное количество малых космических тел с меняющимися из-за гравитационного взаимодействия орбитами и траекториями. Так, например, была потеряна и потом найдена приближающаяся в ноябре-декабре 2004 года комета Энке. Французские астрономы в 1993 г. предсказывали возможное столкновение с астероидом Тутатис (диаметр 2,7 километра) 26 сентября 2000 года. Астероид 2002NY40 пролетел на небольшом расстоянии от Земли в августе 2002 года, характерный размер астероида составляет около 800 километров. Астероид 2002 MN был обнаружен всего лишь в 120 тысячах километрах от Земли, когда объект уже отдалялся от неё. Ученые пропустили приближающийся объект по двум причинам. Во-первых, внимание астрономов приковано к более крупным небесным телам - от 1 км и больше в диаметре. А во-вторых, южное полушарие, со стороны которого прилетел астероид, пока не охвачено специальными поисковыми программами. Подобное происходит уже не первый раз. Дело в том, что в нашей солнечной системе из почти 195 тысяч известных астероидов более 2000 составляют так называемые астероиды, сближающиеся с Землей. Эти астероиды движутся по очень сильно вытянутым эллиптическим орбитам с большими периодами и в своем движении либо приближаются к орбите Земли, либо пересекают ее, или вообще почти полностью находятся внутри орбиты Земли. Следовательно, требуется решить задачу инвентаризации, учета всех опасных космических тел, имеющих возможность столкнуться с Землей. Такую задачу к 2008 году ставят для себя американские и европейские астрономы. Кроме того, для этой цели могут быть привлечены военные средства слежения за космическими объектами. Особую опасность представляют космические тела, прилетающие из-за пределов Солнечной системы и имеющие значительные скорости.
По уточненным прогнозам астрономов, упомянутый в заголовке раздела двухкилометровый астероид 2002NT7 на этот раз пролетит мимо Земли. Однако столкновение было «отменено» лишь после трех дней тревоги общественного мнения. Появилось время подумать.
Кто предупреждён – тот вооружён
В последнее десятилетие были разработаны европейская программа «Космический щит» и российская «Цитадель», предусматривающие построение систем космической защиты Земли от астероидно-кометной опасности. Однако в практическую фазу развития, предусматривающую финансирование, эти проекты не вступили. На сегодняшний день в инициативных работах по различным направлениям этих программ участвуют ученые и конструкторы ведущих оборонных ракетных и оружейных организаций России, США, Украины, европейских стран [11, 7].
Описание метода и средств борьбы с астероидами, как ни странно, впервые было опубликовано в советской научной фантастике [2]. В марте этого же, 1961 года, впервые противоракетой с ядерным зарядом за пределами атмосферы перехвачена атакующая Землю боеголовка. В тезисах докладов регулярно проводящейся конференции «Космическая защита Земли» представители НПО им. Лавочкина, КБМ им. Макеева показывали, что часть задач космической обороны может быть решена имеющимися сегодня средствами – пуском с поверхности Земли ракет с ядерным зарядом со стационарных позиций или подвижного носителя [7].
Средство воздействия на движущееся со скоростями от 40 до 100 м/с космическое тело большой массы по сути дела только одно – термоядерный взрыв. Задача воздействия – либо разрушить ОКТ, раздробив его на части, которые сгорят в атмосфере полностью или частично или же изменить траекторию движения тела, обеспечив гарантированное расхождение с Землей. Следует отметить, что в ходе проделанного анализа доступных источников информации автор пришёл к выводу, что нигде не рассмотрена ситуация столкновения ОКТ с Луной. Это может привести к негативным последствиям, как для Луны, так и для Земли. В худшем случае мы лишимся естественного единственного спутника Земли – Луны, будущей базы для добычи воды и обеспечения полётов в Солнечной системе.
Астероиды, характерным размером более километра, сближающиеся с Землёй, могут быть обнаружены и, возможно, уничтожены. Однако большую опасность представляют астероиды диаметром менее 1 км, которые в настоящее время невозможно обнаружить до тех пор, пока они не пролетят в непосредственной близости от Земли. Примерами таких столкновений могут служить Тунгусский метеорит (по оценкам астрономов его диаметр составлял 30-60 метров), мощность которого оценивается в 20 мегатонн тротилового эквивалента, метеориты, упавшие в джунглях Южной Америке. По некоторым данным, Тунгусский метеорит был ядром ледяной кометы. Падение такого метеорита в центр населённого города повлечёт за собой полное разрушение зданий в радиусе нескольких километров. А падение даже небольшого метеорита на атомную электростанцию грозит серьёзной экологической катастрофой.
Самыми опасными для Земли являются железные астероиды – при одинаковом размере они могут принести большие разрушения, чем каменные или ледяные.
Многие опасные космические тела невозможно определить заблаговременно. Для того, чтобы исключить возможность столкновения, последствия которого были бы неприемлемы для Земли, нужно обладать системами обнаружения, сопровождения (слежения) и воздействия. Задачами системы обнаружения и сопровождения являются: определение опасных космических тел на расстоянии, позволяющим заблаговременного организовать воздействие на тело. Задачами системы сопровождения (слежения) являются: расчёт траектории тела или параметров его орбиты. Задачи системы воздействия: увод опасного космического тела с орбиты или его разрушение/уничтожение. Для оптических станций обнаружения опасных космических тел, расположенных на Земле, серьёзной помехой является атмосфера, тела, расположенные в глубинах солнечной системы невозможно обнаружить; также недостаточен охват Южного полушария и ОКТ, летящие в сторону Земли со стороны Солнца, невидимы для телескопов до того момента, пока они не начнут удаляться от неё. Оптимально было бы иметь станции слежения и средства воздействия на опасные космические тела на дальних рубежах, недалеко от пояса астероидов – вблизи Луны и Марса.
Цели и задачи работы
Целью работы является концепция построения системы интерпланетного космического базирования для защиты Земли на дальних рубежах от опасных космических тел. Решаемыми задачами при достижении цели являются: определение компонентов системы, мест их расположения и последовательности разворачивания этих компонентов. Одной из главных задач является оценка возможного времени разворачивания системы до состояния готовности.
Общая концепция системы
Существует два способа воздействия на опасные космические тела: увод с опасной орбиты или уничтожение (разрушение). Наиболее вероятными средствами воздействия будут термоядерные заряды, которые будут доставляться с помощью носителей (тип носителей). Системы обнаружения и воздействия наиболее целесообразно размещать вблизи мест вероятного появления опасных космических тел ( на дальних рубежах Земли), что позволит заблаговременно воздействовать на них и исключить возможность столкновения с Землёй.
Элементы системы: космические станции, расположенные на околоземных, окололунных и орбитах вблизи Марса, группировки спутников, Лунная база. Такое строение позволит обнаружить опасные космические тела вблизи мест их формирования и максимально эффективно воздействовать на них.
Техника и материалы для станций на начальном этапе доставляются с Земли, постепенно проходя этапы, начиная с низкой околоземной орбиты. Доставка компонентов с земли будет дорогостоящей, поэтому необходимо сотрудничество государств.
Наиболее целесообразным будет расположение станций слежения и воздействия вне Земли, на окололунной орбите и на орбите Марса - это позволит заблаговременно обнаружить опасные космические тела. Для того, чтобы создать дальние рубежи защиты вблизи Марса, необходимо совершить длительное и дорогостоящее путешествие. Основные затраты экспедиции на Марс будут состоять из затрат на преодоление Земного тяготения. Поэтому на начальном этапе выгоднее создать базу на Луне, чтобы использовать её как платформу для запуска экспедиций на Марс (Лунное притяжение в 4.5 раза слабее Земного). Создание Лунной базы потребует больших материальных затрат на начальном этапе, когда всё оборудование и материалы будет необходимо привезти с Земли.
Космическая база
Для обеспечения защиты Земли от ОКТ нужно разместить в космосе, в местах приближённых к вероятным местам появления ОКТ, пилотируемые базы несущие КЛА с термоядерными зарядами – средствами воздействия на астероиды.
Наличие экипажа существенно повышает надёжность функционирования базы и выполнения поставленной задачи. Основные функции космической базы :
· Обнаружение и анализ возможных опасностей от движущихся космических тел
· Поддержание в разных степенях постоянной боевой готовности КЛА – истребителей ОКТ.
· Выполнение научных исследований
Для выполнения поставленных задач космическая база должна иметь примерно следующий состав сооружений и оборудования:
· Радио- и оптические телескопы, средства связи
· Хранилище воды, жидких кислорода, водорода, компонентов других топлив
· Энергетические установки (ядерные, солнечные, термоэлектрические)
· Жилые и рабочие помещения со средствами защиты и жизнеобеспечения
· Причальные, стыковочные, стартовые устройства для пилотируемых и непилотируемых КЛА
· Защищённое хранилище боевых блоков – термоядерных зарядов
· Комплект КЛА – истребителей
· Пилотируемые корабли для смены экипажа
Требования к КЛА-истребителю
Главная задача КЛА – истребителя доставить термоядерный заряд в точку встречи с ОКТ. Чем раньше будет выполнено первое воздействие на ОКТ, тем больше времени останется для последующих ударов в случае неудачи предыдущих воздействий. Чем раньше будет достигнут результат, тем больше будет расхождение ОКТ с Землёй и Луной. Следовательно, аппарат должен развивать максимально возможное ускорение в течение длительного времени. Этому условию отвечает применение ядерного ракетного двигателя [4], имеющего более чем в три раза лучшие характеристики по удельному импульсу, чем кислородно-водородный ЖРД. У электрических ракетных двигателей этот показатель еще выше, но абсолютное значение тяги мало, потому для космического истребителя наилучшим образом подойдет ЯРД, рабочим телом является водород, полученный путём разложения воды. Вода доставляется вначале с Земли, а затем с Луны.
КЛА снабжен вспомогательной ЖРДУ на высококипящих самовоспламеняющихся компонентах топлива, ее баки оборудованы капиллярными заборными устройствами. ЖРДУ нужна для обеспечения маневрирования при корректировании траектории встречи с астероидом, для создания начальной осевой перегрузки для осаждения жидкого водорода перед первым и следующими запусками ЯРД и организации всплытия пузырей водорода, который используется в качестве газа наддува водородных баков и перемешан в невесомости с жидким компонентом.
Одной из особенностей использования КЛА-истребителя является то что в некоторых случаях он прорывается к цели через метеорный рой с огромной скоростью. На таких скоростях метеорный рой может послужить ощутимой помехой для достижения цели и даже повредить и уничтожить КЛА-истребитель. Для разрешения этого вопроса предлагаются следующие варианты решения проблемы: а) запуск навстречу метеорному рою облако мелких частиц, скорее всего это будут ледяные частицы б) применение для разрушения встречных метеоров излучения мощного лазера [4,8].
Термоядерный заряд
Рассматривая возможные варианты встречи с ОКТ, можно утверждать, что гарантированное внедрение заряда в толщу материала астероида маловероятно, поэтому энергия взрыва будет использована для разрушения и изменения траектории ОКТ лишь частично. Отсюда следует вывод, что астероиды километровых размеров потребуют гигатонных зарядов и эффективной автоматики и программного обеспечения маневрирования истребителя и подрывом заряда. При полном использовании энергии термоядерного горючего масса его по оценке автора для обеспечения гигатонного тротилового эквивалента составит около 15 тысяч кг и займет объем около 30 кубических метров, что вполне можно поместить в сферу радиуса около двух метров. Конечно, военного применения такой заряд иметь не может и предназначен только для использования в целях обороны Земли. Для обеспечения гарантии безопасного применения заряда следует обеспечить его разрушение при входе в атмосферу и поставить перед создателями оружия задачу о разработке лазерного инициатора термоядерной реакции для исключения возможного радиоактивного заражения атмосферы продуктами ядерного деления.
Требует специального рассмотрения тактика стрельбы по двойным и разрушившимися с образованием нескольких крупных и все еще опасных частей астероидам. На взгляд автора, является целесообразным последовательный запуск КЛА-истребителей с временными интервалами и интервалами по дальности, исключающими повреждение последующего аппарата при подрыве заряда предыдущего и позволяющими успеть обработать текущую ситуацию для принятия решения.
Концепция и порядок развёртывания системы
В первую очередь создаётся станция на околоземной орбите, отрабатывается технология получения кислорода/водорода из доставленной на орбиту воды. Доставляется КЛА на станцию, заправляется водородный бак ЯРД, пристыковывается термоядерная боевая часть, выполняется отработка техники боевого применения по подходящему безопасному для Земли астероиду и делаются выводы по надёжности системы. Космическая станция ставится на боевое дежурство. Происходит дальнейшее расширение системы Космической защиты Земли с учётом использования ресурсов Луны и Марса. Автор считает, что первый этап развития системы КЗЗ может быть выполнен до 2015-2020 года, а второй этап на протяжении всего 21 века. Задача развертывания космических средств защиты может быть выполнена на базе имеющихся в России готовых решений и технических средств – ЯРД РД-0410, ЯЭУ Бук, Топаз, непрерывного газодинамического бортового космического СО2 – лазера РД-0600, РН Энергия, Протон, Союз и долговременного опыта эксплуатации орбитальных станций.
Оценка возможностей КЛА - истребителя.
Представляется интересным выполнить хотя бы приблизительные оценки КЛА – истребителя. Для этого оценим массы элементов КЛА.
Термоядерное взрывное устройство: 15000 кг
Лазер с запасом рабочего вещества: 1500 кг
Средства связи: 500 кг
Рулевая ЖРДУ: 1000 кг
Двигатель ЯРД: 2000 кг
Семь сферических баков R=2м, толщина 2мм, материал алюминиевый сплав: 2000 кг
Шесть отделяемых цилиндрических баков со сферическими днищами, длина 20 м, R=2 м: 7500 кг (6х1250 + элементы крепления)
Масса водорода в семи сферических баках: 1665 кг (запас рабочего тела на 7 минут)
Масса водорода в шести отделяемых баках: 107000 кг
Схема КЛА – истребителя приведена на плакате. Для улучшения массового совершенства КЛА используются подвесные криогенные баки от отработавших верхних ступеней ракет-носителей, которые с помощью электроракетных двигателей малой тяги выводятся в точки Лагранжа для сборки на космических станциях. Эта схема и экономически привлекательна, поскольку используются уже готовые, уже выведенные на орбиту баки. На первом этапе работы ДУ используется водород из подвесных баков. При том удельном импульсе (8927 м/c), который обозначен для советского ЯРД тягой 36 тс (357 кН), массовый расход жидкого водорода плотностью 71кг/м3 составляет 40 кг/с. При этих расходах время выработки водорода из подвесных баков составляет 45 минут. Начальная тяговооруженность КЛА-истребителя – 0.26, конечная 1.5, конечная скорость после выработки рабочего тела из подвесных баков, рассчитанная по формуле Циолковского, составляет 13200 м/с. После этого подвесные баки отделяются, и КЛА в компоновке, представленной на плакате, может добавить ещё 720 м/с за 7 минут работы ЯРД. Этот резерв используется для компенсации возможных ошибок наведения на конечном этапе полета перед встречей с целью, где важно располагать запасом скорости. Для решения задачи точного прицеливания и встречи с целью используется рулевая ЖРДУ на самовоспламеняющихся компонентах топлива.
Выводы
В работе показана важность понимания астероидно-кометной опасности и технической возможности создания средств защиты Земли от опасных космических тел. На базе и с использованием этого проекта могут быть составлены детальные технические задания на разработку КЛА-истребителя опасных космических тел, гигатонного термоядерного заряда, пилотируемой станции дальних рубежей защиты. Впервые поставлены вопросы о защите Луны от столкновения с опасным космическим телом для исключения негативных последствий этого столкновения для Земли.
Список использованной литературы
1. КОНЕЦЪ МIРА. АСТРОНОМИЧЕСКIЙ РОМАНЪ К. ФЛАММАРИОНА. ПЕРЕВОДЪ . авленкова. С.-ПЕТЕРБУРГЪ 1895.
http://epizodsspace. narod. ru/bibl/flammarion/obl_st. html
2. ТОМАН Космос. Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР Москва 1961
http://oldsf. narod. ru/TARGET/toman. htm
3. http://www. ippe. rssi. ru/i-basa/main-basa. htm – ядерные энергетические установки
4. http://www. kbkha. ru/rus/24f. php – космический лазер и ядерный ракетный двигатель
5. http://www. krugosvet. ru/index. htm – термоядерное оружие
6. http://www. skc. ru - ЯЭУ Топаз
7. http://www. snezhinsk. ru/asteroids/ - конференции о космической защите Земли, КЗЗ 94-2000
8. http://pulenta. ru/ - Американский боевой лазер
9. www. hyperspace. nm. ru – космические и наземные телескопы
10. http://www. russianforces. org/podvig/rus/publications/nuketests/ - ядерные испытания
11. http://npc. sarov. ru – ядерное и термоядерное оружие
В ходе выполнения работы рассмотрено и сохранено около 500 открытых источников информации, в списке литературы приведены для иллюстрации наиболее характерные.
