Анализ возможности использования лазерного воздействия на сближающееся с Землей небесное тело
|
RB,
м |
100 |
300 |
500 |
МB, кг |
1,26×1010 |
3,39×1011 |
1,57×1012 |
EQ,
дж |
1×1014»0,024 МТ |
2,7×1015
»0,63 МТ |
1,23×1016
»2,9МТ |
Эта энергия зависит от массы MF максимального
фрагмента тела после его разрушения, нормализованной по всей массе тела MB. Теоретические
и экспериментальные результаты по определению этой энергии E* довольно сильно
расходятся у разных авторов. В Табл. 2 приведены значения критической энергии E*, взятые для
приближенной оценки, согласно [14], для базальта, а также значения энергии
разрушения (фрагментации) EF
каменного астероида радиусом 500 м при кинетическом воздействии.
Табл. 2.
Критическая удельная и полная энергия кинетического разрушения
MF/MB |
0,001 |
0,01 |
0,1 |
0,5 |
RF/RB |
0,1 |
0,21 |
0,46 |
0,8 |
E*,
эрг/г |
9×108 |
8×107 |
2×107 |
1×107 |
EF, дж (RB=500 м) |
1,4×1017» 33,7 МТ |
1,3×1016» 3 МТ |
3,1×1015» 0,75 МТ |
1,6×1015» 0,37 МТ |
Эти
оценки показывают, что энергия кинетического разрушения тела имеет примерно тот
же порядок величины, что и энергия лазерного отклонения тела при dVB = 0,2 м/с.
По-видимому, для лазерного разрушения тела, ввиду распределенности по времени
лазерного воздействия, требуется бóльшая энергия, чем для кинетического.
Желательна, по-видимому, также концентрация воздействия на небольшом
временнóм отрезке. Вопрос этот сложен и требует дополнительного
изучения.
В
дальнейшем анализе будем основываться на варианте коррекции орбиты и отклонения
тела.
3.1.2.
Средняя мощность излучения
Для определения мощности излучения,
следуя [1], рассмотрим импульсный вариант лазерного излучения и зададим его
основные параметры: энергетическую интенсивность облучения единичной площади
цели при сообщении импульса If
[вт/см2], продолжительность импульса t
[с], частоту пульсаций n [имп/с], радиус поперечного сечения луча
у цели Rf
[км]. Предполагаем ступенчатый характер зависимости интенсивности лазерного
излучения в импульсе от времени, If(t)=const, ti<t< ti + t,
см. Рис. 6. Тогда энергия, передаваемая в одном импульсе EI и энергия всех
импульсов за единицу времени, т.е. средняя мощность излучения PL:
EI= If
p
Rf2 t= aI RB2; aI = p
g2 t If,
(7)
PL= EI
n = If p
Rf2 t n= If p g2
t n RB2 =aP RB2, aP= p
g2 t n If. (8)
Табл.
3. Энергия в импульсе и средняя мощность
лазерного луча
(If=0,5 Гвт/см2, t
= 50×10-9 с, n
= 10 Гц)
RB, м |
100 |
300 |
500 |
Rf, м |
40 |
90 |
150 |
EI, Гдж |
1,3 |
6,4 |
17,7 |
PL,
Гвт |
13 |
64 |
177 |
Для численной оценки возьмем If=0,5 Гвт/см2,
t = 50×10-9
с, n = 10 Гц [1], g=0,3
для RB=0,3-0,5
км, g=0,4 для RB=0,1 км (l
» 3×10-6
м). Тогда aI=7,07×1010
дж/км2, aP=7,07×1011
вт/км2 при g=0,3. В Табл. 3 приведены значения
энергии в импульсе EI
и средней мощности PL
для разных астероидов.
3.1.3.
Продолжительность воздействия
Суммарная энергия EQ и средняя
мощность PL
определят время воздействия:
Dta= EQ
/ PL = (aE/aP) RB.
(9)
Полагая, что в процессе этого воздействия
тело движется по орбите с постоянной скоростью V¥,
получим путь, проходимый телом при воздействии:
Dsa =V¥ Dta.
(10)
Для оценки положим V¥=20
км/с. В Табл. 4 приведены время и путь воздействия Dta, Dsa,
соответствующие значениям EQ,
PL,
данным в Табл. 1, 3. Исходя из этой оценки пути Dsa, а также из
возможных отклонений тела от Земли (п. 2.1), из принятого места нахождения
лазера (на Луне или в точке либрации системы Земля-Луна) и из предварительной
оценки возможной дальности лазерного воздействия, приняты расчетные
максимальные расстояния от лазера до цели rL. Они также приведены
в Табл. 4.
Табл. 4.
Временная и путевая длительность, а также дальность лазерного воздействия (dVB=0,2 м/с, cm=2,5 дин×с/дж,
If=0,5
Гвт/см2, t=50×нс,
n=10 Гц).
RB, м |
100 |
300 |
500 |
Rf, м |
40 |
90 |
150 |
Dta, c |
7700»2 ч |
41700»12 ч |
69500»19 ч |
Dsa, км |
0,15×106 |
0,83×106 |
1,39×106 |
rL, км |
0,65×106 |
1,5×106 |
2×106 |
3.2. Геометрические
характеристики воздействия
Рис. 7. Геометрическая
модель лазерного пучка
(D0-минимальный
диаметр пучка, r0-расстояние
до сужения).
Основными геометрическими
характеристиками воздействия являются начальный и конечный диаметры лазерного
луча D1=2R1,
Df=2Rf, а также
дальность действия rL,
см. Рис. 7.
Конечный диаметр и длина пучка Df и rL оценены выше, в п.
3.1.2, 3.1.3. Для оценки начального диаметра D1
применим метод Когельника-Ли анализа Гауссовых пучков [15, 1]. При этом диаметр
D1
удовлетворяет условию:
rL=r0
{1+(Df2/D02–1)1/2}, r0=p
D02/(4 m l); D02=D12/2; (11)
или
D1-2=a
[1+(1–2/c2)1/2]; a=c/b; c=1+ Df2
/b; b=8 m l rL/p.
(12)
Здесь m
– «фактор качества» луча, принимаем m=3
[1].
Табл. 5.
Начальный радиус лазерного пучка.
RB,
м |
100 |
300 |
500 |
R1,
м (l=3×10-6
м) |
49 |
51 |
45 |
R1,
м (l=0,25×10-6
м) |
9,4 |
5,4 |
4,4 |
В Табл. 5, во второй строке приведены
значения начального радиуса пучка R1
для l=3×10-6
м (т.е. инфракрасного DF
лазера) и значений Rf=Df/2, rL, указанных в Табл. 4.
Видим, что в данном случае начальный диаметр пучка довольно большой, ~100 м.
При этом начальная энергетическая плотность лазерного пучка несколько меньше,
чем конечная, для небольшого астероида с радиусом RB=100 м, и
превышает конечную интенсивность в 4-10 раз для более крупных астероидов с
радиусом RB=300-500
м.
Отметим, что радиолокационные антенны
примерно такого размера уже существуют и функционируют на Земле. Это, например:
70-м антенны станций дальнего космоса в Евпатории, Медвежьих озерах и
Уссурийске (см. рис. 8), 64-м VLBI
антенны в Голдстоуне, Канберре и Мадриде системы дальнего космоса НАСА, 100-м
антенна в Эффелсберге, Германия [16].
Рис. 8. 70-м радио-локационная антенна
(Уссурийск, Россия).
Однако современные оптические телескопы
имеют пока существенно мéньшие апертуры. Правда, сейчас
проектируется несколько больших телескопов. Так рядом Европейских стран сейчас
обсуждается проект 100-м гигантского телескопа [17], рис. 9.
Рис. 9. Схема 100-м
телескопа [17].
Если
l = 0,25×10-6 м, т.е.
имеем ультрафиолетовый лазер, то ограничения по дальности будут более слабыми.
Поэтому здесь при RB=100 м также принимаем g=Rf/RB=0,3, как и при RB=(300-500) м. Третья
строка Таблицы 5 дает значения начального радиуса пучка R1 для этого УФ
варианта. Видим, что в данном случае диаметр пучка существенно меньше, его
легче реализовать. Однако здесь очень велика начальная энергетическая
интенсивность лазерного пучка.
Таким образом, для реализации
эффективного лазерного воздействия на опасные небесные тела необходимо решить
ряд сложных проблем, в частности, по высокой энергетической интенсивности
пучка, по большой излучающей апертуре, по точности наведения луча. В этой связи
отметим, что в [18] выдвинута идея газо-линзовых телескопов, которые могут
облегчить решение проблемы создания лазерного пучка большого диаметра и высокой
плотности энергии.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Для
обеспечения мощности лазерного пучка PL
(8) необходима определенная электрическая мощность PE. Она зависит
от типа лазера. Полагаем, что используется химический лазер, например, ИК DF-лазер. В этом случае
за счет использования химической энергии электрическая эффективность установки hE=PL/PE довольно
высока, hE»2-10 [1].
Правда, хотя при работе лазера и происходит определенная рекомбинация веществ,
все же при этом требуется некоторый запас химических реагентов. Далее,
полагаем, что необходимая электрическая энергия получается с помощью солнечных
батарей, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Пусть PS – необходимая
мощность солнечной радиации, а hS=PE/PS - кпд батарей.
Тогда необходимые мощности PE,
PS:
PE = PL/hE;
PS = PE/hS
= PL/hE hS.
(13)
Полагаем, что солнечная постоянная,
мощность потока солнечного излучения на орбите Земли, IS0=1370
Вт/м2 [19]. Учитывая, что лазерно-энергетическая станция находится в
близкой окрестности Земли, оценим мощности PE,
PS,
а также необходимую площадь солнечных батарей
FSP= PS/IS0.
(14)
Для представления о размерах солнечных
батарей считаем их квадратом со стороной aSP=(FSP)1/2.
Для оценки положим hE=1, hS=0,1. В Табл. 6
приведены вырабатываемая электрическая мощность PE, используемая мощность солнечной
радиации PS,
площадь FSP
и линейный размер aSP
солнечных батарей.
Табл. 6.
Основные характеристики энергетической станции (hE=1, hS=0,1)
RB,
м |
100 |
300 |
500 |
PE,
Гвт |
13 |
64 |
177 |
PS,
Гвт |
126 |
636 |
1770 |
FSP,
км2 |
92 |
464 |
1290 |
aSP,
км |
10 |
22 |
36 |
Замечания. 1)
Отметим, что если лазерно-энергетическая станция сооружается на Луне, то для
создания солнечных батарей энергетической установки может быть применен
интересный метод на основе использования лунной породы [3].
2) При сооружении такой очень крупной
энергетической, лазерной и астрономической станции для доставки грузов на Луну
могут оказаться полезными новые экономичные траектории перелета с Земли с
захватом КА на эллиптическую орбиту спутника Луны [20-28].
5. ВЫВОДЫ
В
работе выполнен анализ характеристик космической лазерно-энергетической и
астрономической базы для воздействия на небесное тело, сталкивающееся с Землей,
и предупреждения этого столкновения. Предполагается, что такие станции могут
быть организованы на Луне и (или) в некоторых точках либрации системы
Земля-Луна. Солнечные батареи энергетической станции производят электрическую
энергию. Эта энергия используется, в первую очередь, для работы астрономической
обсерватории, осуществляющей поиск опасных небесных тел, сближающихся с Землей.
В случае обнаружения тела,
сталкивающегося с Землей, электрическая энергия используется для получения
высокоэнергетического лазерного пучка импульсного действия, направляемого на
опасное тело. Предполагается, что при воздействии лазерного излучения вещество
тела превращается в плазму, поток которой от тела создает реактивное ускорение,
действующее на тело. Рассмотрена возможность применения такой системы для
разрушения тела или для заблаговременного (~ за год до столкновения) сообщения
телу достаточно большого импульса скорости (~ 0,2 м/с), чтобы отклонить тело от
Земли.
Анализ выполнен для астероидов радиусом
(0,1–0,5) км. Необходимая энергия воздействия для отклонения тела оценена
величиной ~(0,1–13)×1015 дж»(0,02–3) МТ
ТНТ. При этом средняя мощность лазерного излучения и электрическая мощность
энергетической станции составляют ~(13–180) Гвт, время лазерного воздействия
~(8–70) тыс. с, наибольшая расчетная дальность воздействия ~(0,6–2) млн. км. В
зависимости от длины волны излучения и размера астероида начальный диаметр
пучка оценен в (10–100) м, а конечный – в (60–300) м. Площадь солнечных батарей
составляет (90–1300) км2.
Реализация такой системы по ряду
параметров является трудной научно-технической проблемой. Важным представляется
также анализ (с помощью математического моделирования и, затем, реального
эксперимента) физических основ данного лазерного способа воздействия, в
частности, процесса формирования и устойчивого поддержания (в течение примерно
суток) плазменной струи. При возможности построения такая система позволяет
обеспечить предупреждение столкновения Земли не только с мелкими, но и с
довольно крупными опасными небесными телами при приемлемом времени упреждения
воздействия. В случае реализации данного проекта, ввиду научно-технической
сложности проблемы, высокой стоимости проекта и из соображений безопасности,
по-видимому, целесообразно данную космическую базу сооружать как международную и
при сотрудничестве ряда научных коллективов.
Автор благодарен В.А. Кочкину за ряд
полезных советов и обсуждений работы. Автор признателен также А.Е. Корольковой
и А.В. Чернову за помощь в оформлении работы.
Работа выполнена при поддержке
Российского Фонда Фундаментальных Исследований РФФИ (Грант РФФИ 01-01-00133) и
Харбинского политехнического института HIT
(Китай).
6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Phipps C. Laser Deflection of NEO’s. – NASA Near Earth Object Interception Workshop. Proceedings. LA-UR-92-420. P. 256-420.
2. Медведев
Ю.Д. и др. Астероидно-кометная опасность. Под ред. А.Г. Сокольского. ИТА РАН,
МИПАО. С-Петербург, 1996.
3. Ignatiev A. Electric Power Development in Space from
In-Situ Lunar Resources. - 2002 International Symposium on “Deep Space
Exploration Technology and Application”. Qingdao, China, August 12-15, 2002.
Presentation, p. 1-4.
4. Isobe S., M. Yoshikawa. Earth, Moon and Planets, 72.
1995, pp. 263-266.
5. Isobe S. A Strategy to Detect NEOs: from Ground-Based
to Lunar-Based Observations. – The International Conference “Space Protection
of the Earth”. Proceedings. Chelyabinsk Scientific Center News, Special Issue,
Part 2. 1997. P.7-9.
6. Lunar Base and Space Stations for NEO’s Observations
and Protection of the Earth from the Asteroid-Comet Hazard. – Proposal of the
“2002 International Symposium on Deep Space Exploration Technology and
Application”. Qingdao, China, August 12-15, 2002.
7. Ivashkin V.V. On energy-astronomical laser space base
for the asteroid-comet hazard mitigation. – International Lunar conference 2003
/ International Lunar Exploration Working Group 5 (ILEWG 5). 16-22 November
2003. Waikoloa, Hawaii Island, Hawaii, USA. Conference Abstracts. 2003, Space
Age Publishing Company. P. 25.
8. http://www.spaceagepub.com/abstracts.html
http://www.spaceagepub.com/pdfs/Ivashkin_3.pdf
9. http://www.rol.ru/news/misc/spacenews/03/11/27_003.htm
10. Ивашкин
В.В. Качественный сравнительный анализ некоторых методов изменения орбиты
сближающегося с Землей малого небесного тела. Сборник трудов конференции
“Околоземная астрономия XXI
века”, г. Звенигород, 21-25 мая 2001 г. ИНАСАН. М.: ГЕОС, 2001. С. 294-304.
11. Ivashkin V.V. On the Asteroid-Comet Hazard Mitigation Problem for
the Earth. - 2002 International Symposium on “Deep Space Exploration Technology
and Application”. Qingdao, China, August 12-15, 2002. Proceedings, p. 143-148.
12. Угроза
с неба: рок или случайность? Опасность столкновения Земли с астероидами,
кометами и метеороидами. // Науч. ред. А.М. Микиша и М.А. Смирнов.
Космосинформ, Москва. 1999.
13. Лазер. Лазерное излучение. – Большая
Советская энциклопедия, т. 14. 3 издание. Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: «Советская
Энциклопедия», 1973. С. 105-114.
14. Housen K.R.,
and Holsapple K.A. On the Fragmentation of Asteroids and Planetary satellites.
– Icarus, 84, 1990. P. 226-253.
15. Джеррард
А., Дж.В. Берч. Введение в матричную оптику. – Пер. с англ. М.: Мир. 1978. 341
с.
16. Ivashkin V.V. On the History of Space Navigation
Development. – 44th Congress of the IAF, October 16-22, 1993 / Graz,
Austria, IAA.2.1-93-670, p. 1-15. // In: History of Rocketry and Astronautics.
Philippe Jung, Editor. AAS History Series, Vol. 22. IAA History Symposium, Vol.
14. An American Astronautical Society Publication. Part III: The Space Age.
Chapter 12. 1998. P. 271-280.
17. McGourty
Cristine. Astronomy’s next big thing. - BBC NEWS: Science/Nature.
2002, 2 July. UK - http://news/bbc/co.uk/1/hi/sci/tech/2116605.stm
18. Michaelis
M.M., C.A. Dempers, M. Kosch, et al. A gas-lens telescope. // Nature, Vol. 353.
1991, P. 547-548.
19. Солнечная постоянная. - Большой
энциклопедический словарь, т. 2. Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: «Советская Энциклопедия», 1991. С. 380-381.
20. Belbruno E.A.,
and J.K. Miller. Sun-Perturbed
Earth-to-Moon Transfers with Ballistic Capture. // Journal of Guidance, Control
and Dynamics. 1993. V. 16. № 4. P. 770-775.
21. Kuninori
Uesugi. Space Odyssey of an Angel – Summary of the Hiten’s Three Years Mission.
// AAS Paper 93-292, AAS/GSFC International Symposium on Space Flight Dynamics,
1993. P. 1-20.
22. Hiroshi
Yamakawa, et al. On the Earth-Moon Transfer Trajectory with Gravitational
Capture. // AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, 1993. Paper AAS
93-633. P. 1-20.
23. Biesbrock R., G. Janin Ways to the Moon? // ESA Bulletin. 2000. №
103. P. 92-99.
24. Bello Mora M., F. Graziani, P. Tiofilatto, et al. A Systematic
Analysis On Week Stability Boundary Transfers To The Moon. In Proceedings of 51st
International Astronautical Congress, IAF-00-A.6.03, Rio de Janeiro, Brazil,
October 2000.
25. Koon W.S., M.W. Lo, J.E. Marsden, et al. Low Energy Transfer to
the Moon. // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 2001. Kluwer Academic
Publishers, Netherlands. V. 81. P. 63-73.
26. Ивашкин В.В.
О траекториях полета точки к Луне с временным захватом ее Луной. // Доклады
Академии Наук. Механика. 2002, том 387, N
2, с. 196-199.
27. Racca
G., Foing B., et al. A Solar-Powered Visit to the Moon: SMART-1. // ESA
bulletin. V. 113 – february 2003. P. 14-27.
28. Ivashkin V.V.
On the Earth-to-Moon Trajectories with Temporary Capture of a Particle
by the Moon. – 54th International Astronautical Congress, Bremen,
Germany, September 29 - October 3, 2003. Paper IAC-03-A.P.01. P. 1-9.