Zespół Kesslera - Kessler syndrome

Populacje śmieci kosmicznych widziane z zewnętrznej orbity geosynchronicznej (GSO). Istnieją dwa główne pola szczątków: pierścień obiektów w GSO i chmura obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO).

Zespół Kessler (zwany również efekt Kessler , kolizyjnego kaskadowych lub ablacji kaskady ) zaproponowany przez NASA naukowca Donald J. Kessler 1978, teoretyczna scenariusz, w którym gęstość obiektów orbicie Ziemi (LEO) ze względu na zanieczyszczenia przestrzeń jest na tyle wysoka, że ​​zderzenia między obiektami mogą spowodować kaskadę, w której każda kolizja generuje kosmiczne śmieci , zwiększające prawdopodobieństwo dalszych kolizji. Jedną z implikacji jest to, że rozmieszczenie szczątków na orbicie może utrudnić działalność kosmiczną i wykorzystanie satelitów w określonych zakresach orbitalnych przez wiele pokoleń.

Historia

NORAD, Gabbard i Kessler

Willy Ley przewidział w 1960 r., że „z czasem wiele takich przypadkowo zbyt szczęśliwych strzałów nagromadzi się w kosmosie i będą musiały zostać usunięte, gdy nadejdzie era załogowych lotów kosmicznych”. Po wystrzeleniu Sputnika 1 w 1957 roku, North American Aerospace Defence Command (NORAD) rozpoczęło tworzenie bazy danych ( Katalog Obiektów Kosmicznych ) wszystkich znanych startów rakiet i obiektów osiągających orbitę: satelitów, osłon ochronnych oraz dopalaczy górnego i dolnego stopnia rakiety. NASA opublikowała później zmodyfikowane wersje bazy danych w dwuwierszowym zestawie elementów , a na początku lat 80. system tablic ogłoszeniowych CelesTrak opublikował je ponownie.

Wykres zanieczyszczeń wysokości i okresu orbitalnego
Diagram Gabbarda przedstawiający prawie 300 kawałków szczątków z rozpadu pięciomiesięcznego trzeciego stopnia chińskiego boostera Long March 4 w dniu 11 marca 2000 r.

Śledzący, którzy zasilali bazę danych, byli świadomi istnienia innych obiektów na orbicie, z których wiele było wynikiem eksplozji na orbicie. Niektóre zostały celowo wywołane podczas testów broni antysatelitarnej (ASAT) w latach 60. , a inne były wynikiem eksplozji stopni rakietowych na orbicie, gdy resztki paliwa rozszerzyły się i rozerwały ich zbiorniki. Aby usprawnić śledzenie, pracownik NORAD John Gabbard prowadził oddzielną bazę danych. Badając eksplozje, Gabbard opracował technikę przewidywania ścieżek orbitalnych ich produktów, a diagramy (lub wykresy) Gabbarda są obecnie szeroko stosowane. Badania te wykorzystano do udoskonalenia modelowania ewolucji i rozpadu orbity.

Kiedy baza danych NORAD stała się publicznie dostępna w latach 70., naukowiec NASA Donald J. Kessler zastosował technikę opracowaną do badania pasa asteroid do bazy danych znanych obiektów. W 1978 roku Kessler i Burton Cour-Palais byli współautorami „Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, pokazując, że proces kontrolujący ewolucję asteroidy spowodowałby podobny proces zderzenia w LEO w ciągu dziesięcioleci, a nie miliardów lat. Doszli do wniosku, że około 2000 r. śmieci kosmiczne wyprzedzą mikrometeoroidy jako główne zagrożenie ablacyjne dla orbitujących statków kosmicznych.

W tamtym czasie powszechnie uważano, że przeciąganie z górnych warstw atmosfery spowoduje deorbitację szczątków szybciej, niż zostały one stworzone. Gabbard był jednak świadomy, że liczba i rodzaj obiektów w kosmosie były niedostatecznie reprezentowane w danych NORAD i znał ich zachowanie. W wywiadzie krótko po opublikowaniu artykułu Kesslera Gabbard ukuł termin „ zespół Kesslera” w odniesieniu do nagromadzenia szczątków; stał się szeroko stosowany po tym, jak pojawił się w artykule popularnonaukowym z 1982 roku , który zdobył nagrodę National Journalism Award Stowarzyszenia Pisarzy Lotnictwa Kosmicznego w 1982 roku.

Badania uzupełniające

Duży aparat, obok którego stoi mężczyzna, aby sprawdzić wagę
Kamery Baker-Nunn były szeroko stosowane do badania kosmicznych śmieci.

Brak twardych danych na temat śmieci kosmicznych skłonił do przeprowadzenia serii badań w celu lepszego scharakteryzowania środowiska LEO. W październiku 1979 r. NASA zapewniła Kesslerowi fundusze na dalsze badania. W badaniach tych wykorzystano kilka podejść.

Do pomiaru liczby i wielkości obiektów kosmicznych wykorzystano teleskopy optyczne i radary krótkofalowe, a pomiary te wykazały, że opublikowana liczba populacji była o co najmniej 50% za niska. Wcześniej sądzono, że baza danych NORAD zawierała większość dużych obiektów na orbicie. Niektóre obiekty (zazwyczaj amerykańskie statki kosmiczne wojskowe) zostały pominięte na liście NORAD, a inne nie zostały uwzględnione, ponieważ uznano je za nieistotne. Lista nie mogła łatwo uwzględniać obiekty o rozmiarach poniżej 20 cm (8 cali), w szczególności szczątki z eksplodujących stopni rakietowych i kilka testów antysatelitarnych z lat 60. XX wieku.

Zwrócone statki kosmiczne zostały zbadane pod mikroskopem pod kątem niewielkich uderzeń, a odnalezione fragmenty Skylab i modułu dowodzenia/serwisu Apollo okazały się zagłębione. Każde badanie wykazało, że strumień szczątków był wyższy niż oczekiwano, a szczątki były głównym źródłem zderzeń mikrometeoroidów i orbitalnych szczątków w kosmosie. LEO wykazał już zespół Kesslera.

W 1978 roku Kessler odkrył, że 42 procent skatalogowanych szczątków było wynikiem 19 zdarzeń, głównie eksplozji zużytych stopni rakietowych (zwłaszcza amerykańskich rakiet Delta ). Odkrył to, najpierw identyfikując te starty, które zostały opisane jako posiadające dużą liczbę obiektów powiązanych z ładunkiem, a następnie przeglądając literaturę w celu określenia rakiet użytych do startu. W 1979 r. odkrycie to zaowocowało ustanowieniem programu NASA Orbital Debris po odprawie skierowanej do wyższego kierownictwa NASA, obalając wcześniej panujące przekonanie, że większość nieznanych szczątków pochodzi ze starych testów ASAT, a nie z wybuchów rakiet górnego stopnia w USA, które pozornie można było łatwo opanować. poprzez zubożenie niewykorzystanego paliwa z górnej rakiety Delta stopnia po wtrysku ładunku. Począwszy od 1986 roku, kiedy odkryto, że inne międzynarodowe agencje prawdopodobnie doświadczają tego samego rodzaju problemów, NASA rozszerzyła swój program o agencje międzynarodowe, z których pierwszą była Europejska Agencja Kosmiczna. Wiele innych komponentów Delta na orbicie (Delta była koniem roboczym amerykańskiego programu kosmicznego) jeszcze nie eksplodowało.

Nowy zespół Kesslera

W latach 80. Siły Powietrzne USA (USAF) przeprowadziły eksperymentalny program w celu ustalenia, co by się stało, gdyby szczątki zderzyły się z satelitami lub innymi szczątkami. Badanie wykazało, że proces ten różnił się od zderzeń mikrometeoroidów, w których powstały duże fragmenty szczątków, które stałyby się zagrożeniem kolizyjnym.

W 1991 roku Kessler opublikował „Collisional cascading: Granice wzrostu populacji na niskiej orbicie okołoziemskiej” z najlepszymi dostępnymi wówczas danymi. Powołując się na wnioski USAF dotyczące powstawania gruzu, napisał, że chociaż prawie wszystkie obiekty gruzowe (takie jak drobinki farby) były lekkie, większość ich masy znajdowała się w gruzach około 1 kg (2 funty 3 uncje) lub cięższe. Masa ta może zniszczyć statek kosmiczny po uderzeniu, tworząc więcej szczątków w obszarze masy krytycznej. Według Narodowej Akademii Nauk:

Na przykład obiekt o masie 1 kg uderzający z prędkością 10 km/s prawdopodobnie jest w stanie katastrofalnie rozbić statek kosmiczny o masie 1000 kg, jeśli uderzy w element o dużej gęstości w statku kosmicznym. W takim rozpadzie powstawałyby liczne fragmenty większe niż 1 kg.

Analiza Kesslera podzieliła problem na trzy części. Przy wystarczająco niskiej gęstości dodawanie gruzu przez uderzenia jest wolniejsze niż tempo ich zanikania, a problem nie jest znaczący. Poza tym jest gęstość krytyczna, gdzie dodatkowe szczątki prowadzą do dodatkowych kolizji. Przy gęstościach przekraczających tę masę krytyczną produkcja przekracza rozpad, prowadząc do kaskadowej reakcji łańcuchowej, redukującej orbitującą populację do małych obiektów (wielkości kilku centymetrów) i zwiększając zagrożenie aktywności kosmicznej. Ta reakcja łańcuchowa jest znana jako zespół Kesslera.

W przeglądzie historycznym z początku 2009 roku Kessler podsumował sytuację:

Agresywne działania kosmiczne bez odpowiednich zabezpieczeń mogą znacznie skrócić czas między zderzeniami i stworzyć niedopuszczalne zagrożenie dla przyszłych statków kosmicznych. Niektóre z najbardziej niebezpiecznych dla środowiska działań w kosmosie obejmują duże konstelacje, takie jak te pierwotnie zaproponowane przez Inicjatywę Obrony Strategicznej w połowie lat 80., duże konstrukcje, takie jak te, które rozważano pod koniec lat 70. do budowy elektrowni słonecznych na orbicie okołoziemskiej, oraz - wojna satelitarna przy użyciu systemów testowanych przez ZSRR, USA i Chiny w ciągu ostatnich 30 lat. Takie agresywne działania mogą doprowadzić do sytuacji, w której awaria pojedynczego satelity może doprowadzić do kaskadowych awarii wielu satelitów w okresie znacznie krótszym niż lata.

Generowanie i niszczenie gruzu

Główny artykuł: Kosmiczne śmieci

Każdy satelita, sonda kosmiczna i misja z załogą mogą wytworzyć kosmiczne śmieci . Teoretyczny kaskadowy syndrom Kesslera staje się bardziej prawdopodobny w miarę wzrostu liczby satelitów na orbicie. W 2014 roku na orbicie Ziemi krążyło około 2000 komercyjnych i rządowych satelitów. Szacuje się, że istnieje 600 000 kawałków kosmicznych śmieci o długości od 1 do 10 cm ( 1 ⁄ 2 do 4 cali ), a średnio jeden satelita jest niszczony przez kolizję ze śmieciami kosmicznymi każdego roku.

Najczęściej stosowanymi orbitami zarówno dla załogowych, jak i bezzałogowych pojazdów kosmicznych są niskie orbity okołoziemskie , które obejmują zakres wysokości wystarczająco niski, aby szczątkowy opór atmosferyczny był wystarczający do utrzymania strefy w czystości. Zderzenia, które występują w tym zakresie wysokości, również stanowią mniejszy problem, ponieważ kierunki, w których lecą fragmenty i/lub ich niższa energia właściwa, często skutkują orbitami przecinającymi się z Ziemią lub posiadaniem perygeum poniżej tej wysokości.

Rozpad orbity jest znacznie wolniejszy na wysokościach, na których opór atmosferyczny jest nieznaczny. Niewielki opór atmosferyczny , zaburzenia księżycowe i opór wiatru słonecznego mogą stopniowo sprowadzać szczątki na niższe wysokości, gdzie fragmenty w końcu ponownie wnikają, ale proces ten może trwać tysiąclecia na bardzo dużych wysokościach.

Implikacje

Zdjęcie wykonane z modeli używanych do śledzenia szczątków na orbicie Ziemi, stan na lipiec 2009 r.

Zespół Kesslera jest kłopotliwy z powodu efektu domina i niekontrolowanego sprzężenia zwrotnego, w którym zderzenia między obiektami o znacznej masie odrzucają szczątki spowodowane siłą zderzenia. Odłamki mogą następnie uderzyć w inne obiekty, wytwarzając jeszcze więcej kosmicznych śmieci: jeśli doszłoby do wystarczająco dużej kolizji lub eksplozji, na przykład między stacją kosmiczną a niedziałającym satelitą lub w wyniku wrogich działań w kosmosie, powstałe w ten sposób szczątki kaskada może sprawić, że perspektywy długoterminowej żywotności satelitów, zwłaszcza na niskich orbitach okołoziemskich, będą bardzo niskie. Jednak nawet katastrofalny scenariusz Kesslera w LEO stwarzałby minimalne ryzyko dla wystrzeliwania satelitów kontynuowanych poza LEO lub satelitów poruszających się po średniej orbicie okołoziemskiej (MEO) lub orbicie geosynchronicznej (GEO). Katastrofalne scenariusze przewidują wzrost liczby kolizji rocznie, w przeciwieństwie do fizycznie nieprzekraczalnej bariery dla eksploracji kosmosu, która występuje na wyższych orbitach.

Unikanie i redukcja

ITU często wymaga od projektantów nowego pojazdu lub satelity wykazania, że ​​można go bezpiecznie unieszkodliwić po zakończeniu jego eksploatacji, na przykład za pomocą kontrolowanego systemu powrotu do atmosfery lub doładowania na orbitę cmentarną . W przypadku wystrzeliwania w USA lub satelitów, które będą nadawały na terytoria USA — w celu uzyskania licencji na świadczenie usług telekomunikacyjnych w Stanach Zjednoczonych — Federalna Komisja Łączności (FCC) wymagała, aby wszystkie satelity geostacjonarne wystrzelone po 18 marca 2002 r. zobowiązały się do przeniesienia do orbity cmentarne pod koniec okresu eksploatacji. Przepisy rządu USA podobnie wymagają planu pozbycia się satelitów po zakończeniu ich misji: ponownego wejścia w atmosferę, przeniesienia na orbitę magazynową lub bezpośredniego wydobycia.

Proponowanym energooszczędnym sposobem deorbitacji statku kosmicznego z MEO jest przeniesienie go na orbitę w niestabilnym rezonansie ze Słońcem lub Księżycem, co przyspiesza rozpad orbity.

Jedną z technologii proponowaną do pomocy w radzeniu sobie z fragmentami o wielkości od 1 do 10 cm ( 1 ⁄ 2 do 4 cali ) jest miotła laserowa , proponowany wielomegawatowy laser naziemny, który może deorbitować szczątki: strona szczątków uderzona przez laser ablować i wytworzyć pchnięcie, które zmieni ekscentryczność szczątków, aż wejdzie ponownie w nieszkodliwy sposób.

Potencjalny wyzwalacz

Envisat satelitarny jest duża, nieaktywne satelita o masie 8,211 kg (18102 funtów), który unosi się na 785 km (488 mi), na wysokości których środowisko zanieczyszczenia to można się spodziewać, że największe dwa ułożonymi przedmioty przechodzą w ciągu około 200 m (660 stóp) Envisat każdego roku – i prawdopodobnie wzrośnie. Don Kessler przewidział w 2012 r., że może łatwo stać się głównym źródłem szczątków z kolizji w ciągu następnych 150 lat, w których pozostanie na orbicie.

SpaceX jest Starlink Program budzi niepokój wśród wielu ekspertów o znacznie pogarsza możliwości Kessler zespołem ze względu na dużą liczbę satelitów cele programowe, aby umieścić w Leo, jako cel programu wzrośnie ponad dwukrotnie satelity obecnie w Leo. W odpowiedzi na te obawy SpaceX powiedział, że duża część satelitów Starlink jest wystrzeliwana na niższej wysokości 550 km, aby osiągnąć mniejsze opóźnienie (w porównaniu z 1150 km, jak pierwotnie planowano), a zatem oczekuje się, że uszkodzone satelity lub szczątki zejdą z orbity w ciągu pięciu lat nawet bez napędu, ze względu na opór atmosferyczny.

W fikcji

  • Powieść Kena McLeoda z 1999 roku The Sky Road (książka 4 z serii Fall Revolution) przedstawia konsekwencje syndromu Kesslera jako główne narzędzie fabularne.
  • W powieści Petera F. Hamiltona z 2001 roku „ Upadły smok ” mieszkańcy planety Santa Chico celowo wywołali syndrom Kesslera, aby „zamknąć niebo” przed grasującymi statkami kosmicznymi, uniemożliwiając dalsze podróże na lub z planety.
  • Początkowy segment mangi Planetes z 2003 roku koncentruje się wokół ekipy zajmującej się czyszczeniem orbitalnych śmieci, której jedynym celem jest zmniejszenie ryzyka Kesslera.
  • Film Gravity z 2013 roku przedstawia katastrofę z zespołem Kesslera jako podżegający incydent w historii, kiedy Rosja zestrzeliwuje starego satelitę.
  • Telewizja SyFy Defiance zawierała problemy związane z zespołem Kesslera wpływające na podróże i komunikację w wyniku konfliktu ras pozaziemskich z ludzkością, co spowodowało „Arkfall”, gdy szczątki ich statków zostały rozrzucone.
  • Powieść Neala Stephensona Seveneves z 2015 roku zaczyna się od niewyjaśnionej eksplozji Księżyca na siedem dużych kawałków, późniejszego stworzenia chmury gruzu przez zderzenia zespołu Kesslera i ostatecznego zbombardowania powierzchni Ziemi przez meteoroidy księżycowe.
  • W powieści Marca Camerona Tom Clancy: Oath of Office z 2018 roku irańscy dysydenci planują wystrzelenie dwóch rosyjskich pocisków nuklearnych w kosmos, aby zniszczyć orbitującego satelitę, który następnie wywołałby syndrom Kesslera.
  • Gra wideo Ace Combat 7: Skies Unknown z 2019 r. zawiera incydent z zespołem Kesslera jako główny punkt fabuły po tym, jak przeciwne frakcje nieumyślnie rozpoczęły ataki ASAT przeciwko sobie jednocześnie. Powstałe pole szczątków inicjuje kaskadę kolizji orbitalnych, która powoduje katastrofalne szkody w globalnej infrastrukturze komunikacyjnej.
  • Gra wideo Battlefield 2042 z 2021 r. zawiera incydent z zespołem Kesslera, który pogrąża świat w chaosie, a dwa największe supermocarstwa inwestują zasoby, aby przywrócić swoje satelity na orbitę.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Kessler, D (2009). „Syndrom Kesslera (omówione przez Donalda J. Kesslera)” . Zarchiwizowane od oryginału dnia 2010-05-27 . Źródło 2010-05-26 .
  • Artykuł w numerze Popular Mechanics z lipca 2009 roku autorstwa Glenna Harlana Reynoldsa omawia syndrom Kesslera w odniesieniu do kolizji satelitów z lutego 2009 roku i jak prawo międzynarodowe może potrzebować rozwiązania tego problemu, aby zapobiec przyszłym incydentom: Reynolds, GH (2009, lipiec) . "Kurs kolizyjny". Mechanika popularna , s. 50-52.
  • Film dokumentalny: Punkt zderzenia: Wyścig w celu oczyszczenia przestrzeni (długość: 22 minuty 28 sekund), zawarty w dodatkowym materiale na płycie Blu-ray Disc for Gravity (film) .

Zewnętrzne linki