Книга: Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

10.5. Эффективность кинетического воздействия на астероид

10.5. Эффективность кинетического воздействия на астероид

Выше была проанализирована эффективность приложения импульса скорости к небесному телу. В литературе по проблеме космической угрозы делались, да и сейчас делаются предложения о создании такого импульса с помощью удара по угрожающему астероиду. При этом в качестве ударяющего тела предполагалось использовать космический аппарат. При ударе по астероиду космический аппарат передает определенное количество движения астероиду, что изменяет скорость астероида и, следовательно, его траекторию. Имеет смысл напомнить очень простые соотношения, описывающие соударения двух тел и сопутствующие соображения.

В качестве иллюстративных моделей можно выбрать случай абсолютно неупругого удара и его противоположность — случай абсолютно упругого удара. Сначала для простоты будем считать, что тела имеют идеальную сферическую форму, а удар — центральный (т. е. векторы скоростей тел направлены по линии, соединяющей центры тел).

Абсолютно неупругим ударом называют такой удар, после которого скорости обоих соударяющихся тел оказываются одинаковыми. В случае абсолютно неупругого удара космический аппарат, ударяющий по астероиду со значительной относительной скоростью, доходящей до десятков км/с, просто внедряется в небесное тело, поглощается им и продолжает дальнейшее движение совместно с ним. Разумеется, удар на таких скоростях вызывает значительные побочные эффекты, однако к их рассмотрению целесообразно обратиться несколько позже. Если абсолютно неупругий удар централен (рис. 10.7 а), то, как известно из механики соударяющихся тел (см., например, [Хайкин, 1947]), при естественном здесь и далее предположении m₁ ? m₂ имеем простое выражение для скорости астероида V после удара:

где V₁ и V₂ — соответсвенно скорости ударника и астероида до удара, V — скорость общего тела (астероид + ударник) после удара, dV₂ — изменение скорости астероида после удара.

В случае нецентрального удара (рис. 10.7 б) необходимо разложить обе скорости на составляющие V_n1 и V_n2 в направлении линии, соединяющей центры шаров, и составляющие V_t1, V_t2 — в перпендикулярном направлении (чтобы не загромождать рисунок, составляющие скоростей не показаны). Для составляющих V_n1 и V_n2 все будет обстоять точно так же, как и при центральном ударе, хотя очевидно уменьшение изменения скорости астероида. Составляющие V_t1, V_t2 вызовут вращение астероида, дополняющее его первичное движение относительно центра масс.

^{Рис. 10.7. Абсолютно неупругий удар двух тел: а — случай центрального удара, б — случай нецентрального удара}

В случае абсолютно упругого удара оба тела после удара движутся раздельно и самостоятельно, приобретая измененные скорости V₁? и V₂? (рис. 10.8).

^{Рис. 10.8. Абсолютно упругий удар двух тел}

Изменение скорости астероида dV = V₂?— V₂ после абсолютно упругого удара телом, имеющим гелиоцентрическую скорость V₁, описывается формулой:

Очевидно, что изменение скорости астероида при абсолютно упругом ударе увеличилось вдвое по сравнению со случаем абсолютно неупругого удара.

Для случая нецентрального удара, разлагая скорости тел аналогичным образом, как и ранее, можно показать, что при абсолютно упругом ударе нормальные составляющие скоростей ведут себя точно так же, как и при центральном ударе. Таким образом, и здесь нецентральность удара уменьшает изменение скорости астероида по сравнению со случаем центрального удара.

Выше упоминалось о некоторых побочных эффектах при ударе малого тела по астероиду. Прежде всего, их проявление зависит от структурных свойств самого астероида. За последние десятилетия постепенно накапливаются свидетельства того, что малые (гектометровые) астероиды часто представляют собой скопление обломков, слабо связанных гравитацией (см. главу 3). Вместе с тем, астероид более крупных размеров может быть и монолитным. Лишь одно это разнообразие возможных случаев приводит к возможности проявления двух различных моделей удара, что уже само по себе обусловливает значительный разброс оценок результата кинетического воздействия.

Далее, очевидным эффектом, сопутствующим кинетическому воздействию, является образование ударного кратера на астероиде. Определенная часть кинетической энергии малого тела при ударе превращается в тепловую и кинетическую энергию вещества, находящегося за фронтом ударной волны, распространяющейся в теле астероида от точки удара. В результате появляется кратер, из которого выбрасывается парогазовый факел, создающий реактивный момент, приложенный к астероиду и дополнительно меняющий его количество движения. Можно предполагать, что при ударе, близком к центральному, изменение скорости астероида должно возрасти сверх значений, рассчитанных для двух исходных моделей.

Кроме того, в случае относительно монолитного астероида сейсмическая волна, распространяющаяся от кратера, может вызвать отколы части небесного тела со стороны, противоположной удару. Отлетающие части тела будут уносить с собой часть общего количества движения. Этот эффект также способен внести свою долю в результирующее изменение скорости ударяемого тела (в данном случае уменьшение).

Наконец, имеется достаточно данных о том, что форма малых астероидов весьма далека от сферической. Это обстоятельство служит еще одной причиной уменьшения количества движения, передаваемого центру масс астероида и, следовательно, расчетной эффективности увода.

Поэтому следует считать, что относительное изменение скорости астероида при кинетическом воздействии определяется отношением масс ударника к телу-мишени, но умноженного на некоторый коэффициент k_уд. Этот коэффициент зависит от структурных свойств астероида, степени нецентральности удара и, следовательно, может меняться в значительных пределах. Так, например, в итоговом отчете по астероидной опасности, разработанном в JPL NASA по контракту с фондом B612 в 2008 г. [Yeomans et al., 2008], принимается, что значение коэффициента k_уд может изменяться от единицы до пяти.

В результате приращение скорости в общем случае может быть записано в виде

Все вышесказанное свидетельствует о том, что оценки результатов кинетического воздействия будут отличаться большим разбросом, что всегда необходимо иметь в виду. В еще большей степени велика неопределенность расчетов при анализе физического воздействия на астероид ядерным взрывом [Губарев, 2008].

Эти соображения подчеркивают необходимость получения сведений о структуре угрожающего астероида, для которого планируется кинетическое воздействие. Прямым и очевидным способом являются космические миссии к такому астероиду и его исследование с помощью соответствующей научной аппаратуры.