23/11/17 15:53

Наука

Как ученые рассчитывают вероятный ущерб от падения космического корабля

(Wired Magazine, США)

09/11 10:14

Вы, вероятно, слышали, что почти девятитонная китайская орбитальная станция «Тяньгун-1» скоро упадет на Землю. Если точнее — в любой момент вплоть до апреля 2018 года. Бóльшая часть аппарата сгорит в атмосфере, но крупные куски (весом до 100 кг, согласно одной из оценок) могут в конечном счете достичь поверхности планеты.


Но вот в чем проблема: никто не знает, где эти куски приземлятся. Экспертов это, правда, не смущает: шансы на то, что один из них рухнет на вас, невелики (примерно один к триллиону).


А вот о чем вы, вероятно, НЕ слышали, так это то, каким именно образом эти шансы можно определить. В таком случае позвольте открыть для вас в высшей степени увлекательный мир анализа степени риска возвращения объекта в атмосферу — науки о прогнозировании того, какие из десятков тысяч бесхозных космических аппаратов, использованных ракетоносителей, а также других дрейфующих на земной орбите предметов переживут неизбежное свидание с атмосферой и создадут угрозу для людей.


Прежде всего, следует понять, что в случае падения космического корабля в полной сохранности поверхности он достичь не может. Небольшие объекты под воздействием высоких температур и суровых условий входа в атмосферу сгорают полностью (для этого существует грозный термин «аэротермический распад»). А компоненты более крупных космических аппаратов вполне могут падение пережить, в зависимости от своих тепловых свойств, степени аэродинамичности и местонахождения внутри объекта.


«Представьте корабль транспортной тарой, — говорит инженер аэрокосмических систем Майкл Уивер, занимающийся оценкой рисков возвращения объектов в плотные слои атмосферы при Аэрокосмической корпорации США. — Его корпус должен разрушиться до того, как внутренние детали подвергнутся воздействию высоких температур, но внутри этих деталей могут быть другие, а внутри них — еще детали».


Данный эффект матрешки может значительно сказаться на устойчивости компонентов. При наличии достаточно подробных чертежей исследователи могут смоделировать процесс разрушения обломков в атмосфере. NASA использует программу под названием ORSAT (Object Reentry Survival Analysis Tool, «анализатор выживания объектов при возвращении в атмосферу»), а Аэрокосмическая корпорация — AHAB (Atmospheric Heating and Breakup, «аэродинамический нагрев и распад».


Выживают в таких условиях, как правило, высокоплавкие компоненты: титановые сплавы, оптические элементы вроде стекла и различные емкости, такие как баки с горючим, кислородом и водой, которые часто оборачивают термостойкими материалами. Последние могут быть довольно большими (как, например, топливный бак ракеты Boeing Delta, приземлившейся в Джорджтауне, штат Техас), но угрозу представляют не все пережившие вход в атмосферу объекты. «Если это кусок термоизоляционного покрытия, при возвращении на Землю он вам не навредит», — говорит Марлон Зорге, старший конструктор Аэрокосмической корпорации и эксперт по моделированию направленности осколков.


Чтобы квалифицировать мусор как опасный, энергия, выделяемая при его контакте с какой-либо поверхностью должна составлять как минимум 15 джоулей. «Это примерно то же самое, что бросать шар для боулинга с высоты 30 сантиметров», — говорит Зорге.


Любые потенциально опасные ввиду размера осколки учитываются при определении размера географической области, в пределах которой они могут приземлиться. В случае с управляемым спуском в атмосфере, когда процесс контролируется человеком, данная зона, как правило, невелика и располагается на значительном расстоянии от мест пребывания людей. Одним из самых популярных районов крушения является идеально соответствующий своему названию «Океанский полюс недоступности» — наиболее удаленная от суши точка в южной части Тихого океана.


Но возврат в атмосферу аппарата «Тяньгун-1» контролироваться НЕ будет, а потому место его приземления неизвестно никому.


Зато риск-аналитики знают следующее: китайский аппарат в настоящее время кружит вокруг планеты при наклоне орбиты в 42,8 градуса. «Это означает, что он может приземлиться где угодно между 42,8 градуса северной широты и 42,8 градуса южной широты», — говорит Уивер, причем координата долготы может быть любой. Пока вы читаете это, «Тянгун-1» проходит над всей поверхностью Земли, «а потому под угрозой находится любое скопление людей в данной зоне».


Но на деле все не так страшно. Вспомните уроки в школе: вода покрывает около 3/4 планеты, а значит, шанс падения обломков в океан составляет 75%, а вероятность ранений или смертей при этом вообще ничтожна.


Что касается оставшейся четверти поверхности Земли, она заселена негусто и неравномерно. Чтобы рассчитать риск для ее обитателей, исследователи используют данные наподобие карты распределения мирового населения с нанесенной на нее сеткой координат, оценивая численность и плотность населения с помощью удобных сеток широты и долготы.


Такие сетки позволяют исследователям оценить вероятность приземления объектов на определенной широте/долготе, а также количество людей, которым может грозить опасность. Сотрудники Отдела реализации программ по орбитальному мусору НАСА предложили график, демонстрирующий среднюю плотность населения ниже диапазона наклонений орбиты. (Мы добавили красную линию, обозначающую наклон в 42,8° аппарата «Тянгун-1»). В диаграмме использованы данные двух карт распределения населения с нанесенной на них сеткой координат: от 2000 года и демографической моделью на 2050-й. Как следует из данного графика, средняя плотность населения под орбитой «Тяньгун-1» составляет менее 25 человек на квадратный километр.


Не так уж и много. Более того, все расчеты являются не более чем консервативными предположениями. Помните порог в 15 джоулей? Такое количество энергии может нанести серьезный ущерб, если вас ударит прямо по голове, да и только. В остальных случаях с вами, скорее всего, все будет в порядке. К тому же, диаграммы наподобие той, что составлена НАСА, не учитывают вероятность нахождения людей внутри зданий или автомобилей на момент падения обломков. «График есть математический эквивалент ситуации, при которой люди равномерно распределены по сетке, находятся на улице и смотрят вверх», — говорит Тэд Мюльгаупт, руководитель Центра орбитальных исследований Аэрокосмической корпорации.


Все вышеизложенное объясняет, почему никого из экспертов не волнует падение аппарата «Тяньгун-1», когда и где бы это ни произошло. Китайские космические аппараты несомненно крупны, но Земля и ее незаселенные районы гораздо, гораздо больше.

 


Робби Гонсалес — старший ответственный редактор Wired, лаборант Аризонского университета и научный сотрудник детской больницы Бостона.

Сохранить

ссылки по теме