Каковы шансы, что космический корабль столкнется с космическим мусором?

Хе. Так что оказывается, поиск ответа на этот вопрос — это именно то, чем я зарабатываю на жизнь.

Бойкий ответ: это зависит.

1. Это зависит от того, насколько большой объект вы боитесь ударить. Вы беспокоитесь о повреждении жгутов проводов? Вас беспокоит утечка радиатора? Пробить дырку в модуле экипажа? Полностью уничтожить автомобиль? Чем больше объект, тем меньше вероятность, в довольно драматичных масштабах.
2. Это зависит от того, на какой орбите вы летите. Разные высоты и наклоны имеют совершенно разное количество мусора.
3. Это зависит от того, насколько велика ваша машина. Более крупные автомобили получают больше ударов.
4. Это зависит от того, как долго вы летите. Оставайтесь на орбите 10 лет, и вы получите примерно в 10 раз больше вещей, чем если бы вы остались на один год.

В ISS мы обычно пишем требования следующим образом:

[Оборудование] не пострадает от орбитального мусора, который может создать [катастрофическую опасность | отказ подкомпонента | другой определенный отказ] с вероятностью 0,xyz в течение XY лет.

Что именно мы пишем, зависит конкретно от задействованного оборудования, насколько мы заботимся о нем, насколько может пострадать станция, если мы ее потеряем и т. д.

Новый элемент критической структуры? Мы бы указали довольно жесткое требование, скажем, что-то более 99% за десятилетие.

Жгут проводов для антенны Wi-Fi для полезной нагрузки? Может быть, не так много, скажем, 95-98% в год.

Более строгие требования делают аппаратное обеспечение и (что, возможно, более важно) процесс его сертификации более дорогим.

Уровень полноты безопасности (SIL)

Способ, которым мы обычно проверяем и математически определяем риски, связанные с космическим полетом, в том числе от мусора, будет заключаться в уровнях SIL, которые описывают количество опасных событий, которые допустимо могут произойти за один час космического полета. Это очень похоже на авионику, железнодорожные системы и автономное вождение.

Количество событий в час очень мало, порядка микро- или нанособытий в час для самых низких уровней SIL, и уменьшается по мере того, как уровень SIL становится более опасным. Другими словами, среднее время безотказной работы должно быть очень высоким для аварий, которые являются катастрофическими и приводят к гибели людей или разрушению дорогостоящего имущества, такого как шаттл, спутник, зонд или станция.

Обратите внимание, что это идеальная статистика, которая не отражает реальную практику. Кроме того, число представляет собой совокупное время космического полета всех соответствующих космических аппаратов. Представьте себе тестирование всего парка из 5000 беспилотных автомобилей, каждый из которых проезжает по шоссе и улицам города в течение 1000 часов, в общей сложности 5 000 000 часов, и вы измеряете, сколько раз один из автомобилей попадал в «катастрофическую» ситуацию, которая привела к к летальному исходу или «опасной» ситуации, которая могла привести к летальному исходу. Скажем, числа 1 и 4 для полных 5 инцидентов. Тогда средняя интенсивность отказов составит 5 событий/5 000 000 часов времени в пути, или 10 ^-5событий/час. Это, вероятно, не будет считаться успешным с точки зрения авиационных стандартов, но производители автомобилей и регулирующие органы могут интерпретировать эти цифры как приемлемые. В космическом полете конструкторы и авиационные учреждения, которые их нанимают, довольно консервативны, поэтому они не были бы «достаточно хорошими» - технический термин - «недопустимый риск», а не «приемлемый риск».

Очевидно, что к некоторым беспилотным объектам относятся не так, как к пилотируемым космическим кораблям, а зонды, спутники, космические станции и т. д. будут иметь другие показатели риска. Выше приведен общий план.

Управление рисками

Итак, если эти показатели SIL должны быть выполнены для удовлетворительной безопасности миссии, что можно сделать, когда на околоземной орбите плавает случайный мусор? Ключ в том, чтобы:

• снизить вероятность возникновения опасных событий;
• а также управлять неисправностями, сбоями и катастрофами, когда они происходят.

Министерство обороны США каталогизировало 27 000 обломков на околоземной орбите, мчащихся вокруг планеты со скоростью около 17 500 миль в час; Статистический анализ показаний датчиков, проведенный НАСА, показывает, что 23 000 из них имеют размер мяча для софтбола (d = 9,7 см) или больше и, таким образом, определенно достаточно велики, чтобы вызвать катастрофическое событие. Кроме того, предполагается:

• 23 000 штук > 10 см (d), размером с мяч для софтбола
• 500 000 штук > 1 см (d), размером с мрамор
• 100 000 000 штук > 0,1 см (d), ширина графита механического карандаша

Те, что размером с мрамор, и все, что меньше, не могут быть надежно отслежены.

Пути этих более массивных обломков анализируются ( диаграмма выше) и дается консервативно большая погрешность, чтобы снизить вероятность столкновения до 10 ^-9 событий в час или около того. Это, вероятно, основано на статистических тестах (диаграмма выше), таких как моделирование Монте-Карло (или что-то подобное, но более быстрое в вычислительном отношении). В том маловероятном случае, если один из 23 000–27 000 крупных отслеживаемых объектов слишком далеко отклонится от своей прогнозируемой траектории во время мониторинга(диаграмма выше) и, возможно, приближается к космическому кораблю в опасной близости, НАСА инициирует Процедуру предотвращения засорения, возможно, включающую как автоматические, так и ручные роли маневрирования космического корабля в безопасное место, что является частью давних руководящих принципов НАСА как средство ограничения События SIL 4 от возникновения до приемлемой частоты/вероятности отказов.

Что касается более мелкого мусора, то современные корабли оснащены экранирующей и в идеале резервной защитой (схема) и резервными критическими системами и оборудованием на случай, если мелкий мусор повредит основные экраны или критически важные компоненты или подсистемы. Избыточность значительно снижает вероятность отказа и значительно увеличивает среднее время безотказной работы. Эти экраны работают для мусора размером менее 1 см.

Вероятность риска обломков среднего размера трудно измерить?

Остается самый смертоносный мусор размером от 1 см до 10 см. Они достаточно велики, чтобы пробить защиту, и в то же время достаточно малы, чтобы их нельзя было отследить.

Чтобы найти вероятность столкновения с ними, нам нужно будет использовать исторические данные о том, сколько часов налетали все космические корабли по сравнению с тем, сколько столкновений с такими обломками произошло. К сожалению, количество столкновений статистически незначимо. Другая проблема заключается в том, что количество обломков не остается постоянным. Например, в 2009 году коммерческий космический корабль с Иридиумом врезался в скрытый российский спутник , в результате чего образовались тысячи новых обломков. Таким образом, количество обломков не остается постоянным, что делает расчеты вероятности зависимыми от хронологического времени, в течение которого человечество исследовало или использовало околоземное пространство. Это усложняет вычисления:

• небольшое количество столкновений, практически статистически незначимых
• изменяющееся во времени количество опасного мусора размером 1–10 см

Сравните это с нашим примером тестирования парка беспилотных автомобилей. Мы можем легко (теоретически) масштабировать это до десятков миллионов часов испытаний и десятков аварий. Вероятность аварии более или менее статична или, по крайней мере, возвращается к среднему значению для всех автомобилей, потому что опасность аварии не увеличивается или уменьшается непрерывно, если какая-либо переменная, например снегопад, не искажает данные, при этом непропорциональное количество аварий происходит в снежных условиях. и датчики, не способные обнаружить заснеженные знаки.

Может не быть удовлетворительного диапазона чисел для количественной оценки вероятности без существенных исторических данных о столкновениях, близких к столкновениям, количестве часов космического полета, проведенных с начала освоения космоса, и приблизительного количества мусора размером 1–10 см по всей поверхности Земли. Хронология космических полетов, использования и исследования. НАСА может знать все эти данные. Даже тогда наше обнаружение объектов размером более 10 см улучшилось, наш космический корабль теперь (вероятно) более надежен, поэтому любые (гипотетические) прошлые столкновения были более вероятными, чем сегодня, введя еще один набор переменных, чтобы сделать вещи еще более надежными. невозможно вычислить, поскольку эти вероятности будут основываться на исторических данных, которые смещены в сторону устаревших технологий прошлого.