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

6.4. Проекты систем космического базирования для обнаружения объектов, сближающихся с Землей

6.4. Проекты систем космического базирования для обнаружения объектов, сближающихся с Землей

Необходимость надежного обнаружения опасных небесных тел выдвигает перед космическим сегментом наблюдения множество далеко не простых требований: по обеспечению непрерывности контроля космического пространства, дальности обнаружения, оперативности, точности определения траекторий и других характеристик небесных тел и т. д. Анализу некоторых из этих требований было посвящено несколько работ отечественных экспертов (например, [Ковтуненко и др., 1994; 1995; Добров и др., 1996]). В настоящее время в мире ведутся интенсивные проработки таких технологий.

Основное преимущество телескопов, расположенных в космосе, — возможность оперативной работы и отсутствие влияния важных факторов для наземных наблюдений: погоды, времени суток, Луны и наличия земной атмосферы. Считается, что наилучшее размещение для телескопов космического базирования с целью обнаружения и наблюдения астероидов, опасных для Земли, — в треугольных точках Лагранжа на орбите Луны и/или на орбитах, подобных орбите Венеры [NASA report, 2007].

Основные проблемы создания космических телескопов — это высокая стоимость запуска, малый срок службы (7–10 лет) и риски, связанные с доставкой на орбиту и развертыванием космического аппарата, а также зависимость от устойчивости канала связи телескопов с Землей.

В последние годы особое внимание уделяется телескопам инфракрасного (ИК) диапазона. Астероиды большую часть (до 85 %) лучистой энергии, получаемой от Солнца, переизлучают в ИК-диапазоне, поэтому ИК-телескоп, использующий детекторы с высокой квантовой эффективностью, позволяет обнаруживать опасные астероиды на гораздо больших расстояниях по сравнению с оптическими телескопами того же размера. Это же обстоятельство (астероиды излучают в основном в ИК-диапазоне) обусловливает более высокую точность (по сравнению с видимым диапазоном) определения размеров астероидов. Действительно, разница оценок альбедо 0,1 или 0,2 предполагает разницу в диаметрах астероидов в 1,4 раза, а разница альбедо 0,9 или 0,8 означает размах в оценках диапазона всего на 5 %.

ИК-телескопы, размещенные в космосе, имеют все те же преимущества, что и оптические. ИК-технология развивается быстро. Как показано в отчете НАСА за 2007 г. [NASA report, 2007], ИК-технологии столь перспективны, что при использовании только ИК-телескопов, работающих на орбите Венеры или в точке Лагранжа L1 системы Земля — Луна, можно обеспечить обнаружение почти всех АСЗ даже без расширения сети наземных телескопов. В любом случае, телескопы космического базирования должны работать совместно с наземной сетью наблюдений.

Оценки, проведенные экспертами НАСА, показывают, что даже один постоянно работающий космический ИК-телескоп сравнительно среднего размера (0,5–1 м) может обеспечить за 10 лет работы обнаружение 90 % АСЗ с размерами более 140 м.

Конкретный пример планируемой ИК-системы — это NEOCam (The Near-Earth Object Camera) — камера ближнего ИК-диапазона, размещенная в точке Лагранжа L1 системы Земля — Луна. NEOCam будет использована для наблюдения и обнаружения потенциально опасных для Земли объектов. NEOCam состоит из 50-см ИК-телескопа, пассивно охлажденного до 30 К, рабочий диапазон 6–10 микрон. Предполагается, что NEOCam обнаружит 78 % потенциально опасных для Земли объектов с диаметрами больше 140 м за 5 лет работы. В случае продолжения миссии еще на 5 лет будет обнаружено около 90 % потенциально опасных тел. NEOCam чувствительна к широкому диапазону альбедо и сможет сканировать недоступные для наземных наблюдателей области небесной сферы. Принципиальное отличие от оптических систем — использование ИК-диапазона — позволяет напрямую определять физические характеристики астероидов [Mainzer et al., 2006]. Возможность установки телескопов космического базирования рассматривалась также в работах [Bidstrup et al., 2006; Jedicke et al., 2006].

В работе [Tedesco et al., 2002] смоделированы возможности ИК-наблюдений астероидов из космоса, даны количественные оценки перспектив обнаружения астероидов при использовании ИК-телескопов.

Микроспутник NEOSSat (The Near-Earth Object Surveillance Satellite, Канада) предполагается использовать для обнаружения и наблюдения астероидов, сближающихся с Землей, и астероидов, орбиты которых лежат внутри орбиты Земли. Предполагаемая дата запуска микроспутника — 2011 г. Этому микроспутнику будут доступны объекты 19,5^m при более чем 100-кратном суммировании единичных изображений. Основное важное требование для этого телескопа — наблюдать внутри угла 45° по направлению от Солнца (для лучшего обнаружения объектов, находящихся на орбитах внутри орбиты

Земли) и возможность 20-градусного отклонения от антисолнечного направления. Тестовые испытания проводятся с помощью микроспутника MOST (Microvariability and Oscillations of Stars). Этот микроспутник — совместный проект Организации оборонных исследований и разработок Канады и Канадского космического агентства. Спутник имеет двойное назначение — астрофизическое (поиск экзопланет и изучение пульсаций звезд) и наблюдения околоземных объектов. В программе работы — обнаружение и слежение за околоземными астероидами (Near-Earth Space Surveillance: NESS) и получение информации о координатах искусственных спутников Земли, находящихся на высоких (15 000–40 000 км) орбитах. Для обнаружения околоземных объектов на орбитах внутри орбиты Земли используется 15-см телескоп.

Опишем теперь некоторые российские проекты космических систем обнаружения.

Для обеспечения регистрации потенциально опасного космического объекта космическими средствами, как правило, используются два подхода. Первый аналогичен проектированию обзорных систем в наземном телескопостроении: предлагается использовать оптический инструмент с максимально возможным полем зрения. К такому типу инструментов относятся описанные выше зарубежные проекты космического базирования. Второй подход использует так называемый барьерный принцип, аналоги которому можно найти и в наземных системах обнаружения. Этот подход ориентирован на своевременное обнаружение опасных небесных тел (ОНТ) на каком-то предельном расстоянии от Земли с помощью оптического барьера, создаваемого несколькими телескопами. Ниже предлагается обзор двух проектов. Один разрабатывается в НПО им. С. А. Лавочкина [Добров и др., 1996] и относится к первому типу, другой разрабатывается в ЦНИИМаш [Емельянов, Меркушев 2005] и относится ко второму типу.

Работы, проводимые в ЦНИИМаш, направлены на обоснование возможности обнаружения и определения параметров орбит малых (порядка 50 м) ОНТ, которые могут приближаться к Земле с произвольных направлений. Воздействия от столкновений с такими телами, как уже отмечалось, по своим масштабам подобны взрыву Тунгусского тела. Вряд ли такие тела в ближайшем будущем будут легко обнаруживаться. В лучшем случае упреждение возможно за 20–30 дней, и будет слишком поздно принимать меры для увода такого тела с угрожающей орбиты. Защита населения возможна без предотвращения падения ОНТ на Землю. Достаточно краткосрочного (за 5–20 сут) предупреждения для проведения таких мероприятий, как повсеместный увод людей из прибрежных зон морей и океанов, приостановление деятельности опасных производств, укрытие городского населения в бомбоубежищах, а в случае высокоточного определения района падения — полная эвакуация населения из района падения. Поэтому информационное обеспечение защиты населения от малых ОНТ является одним из первоочередных этапов решения проблемы АКО. Очень важно здесь привлечение космических телескопов (КТ) обнаружения и высокоточного определения прогнозируемого пролетного расстояния от Земли. По-видимому, без использования КТ эта задача не решается.

К сожалению, даже с помощью КТ, находящихся на околоземной орбите или в точке Лагранжа L1 (системы Солнце — Земля), не представляется возможным обнаруживать ОНТ, приближающиеся к Земле со стороны Солнца.

Это ограничение может быть преодолено при использовании всего двух космических телескопов, размещаемых на орбите обращения Земли вокруг Солнца, поля зрения которых образуют замкнутую барьерную зону гарантированного обнаружения малого ОНТ, идущего с любого направления. Высокоточное определение параметров орбиты и пролетного расстояния обеспечивается за счет синхронно-базисных наблюдений, проводимых при реализуемом большом расстоянии между космическими телескопами (около 0,45 а.е.), сравнимым с удаленностью ОНТ от Земли во время прохода через барьерную зону. Это расстояние превышает возможную базу между наземными телескопами на 3 порядка.

Высокая эффективность космических телескопов при решении задачи оперативного предупреждения о падении малых (размером 50–150 м) ОНТ и их использование в составе международной системы информационного обеспечения решения проблемы AKО, обусловливает существенный вклад в предупреждение об опасных сближениях с Землей. Естественно, что КТ были бы весьма эффективны для высокоточного определения параметров орбиты астероида Апофис с целью заблаговременного принятия решения о целесообразности изменения траектории астероида в случае его прогнозируемого падения на Землю.

Отметим еще проект космического средства наблюдения (КСН) «Конус» (НПО им. С. А. Лавочкина) В этом проекте рассматриваются космические средства наблюдений астероидов, перигелии и афелии орбит которых лежат в диапазонах 0,1–1 а.е. и 1–6 а.е. соответственно, а наклоны орбит к плоскости эклиптики — от 0 до 90°.

Для обнаружения приближающихся к Земле астероидов наиболее целесообразным представляется размещение КА с телескопом на орбите, совпадающей с орбитой Земли, но с некоторым отставанием от нее или опережением. При этом можно обеспечить достаточно приемлемые фазовые углы в процессе наблюдений небесных тел, и, что очень важно, зона контроля будет иметь относительно небольшие угловые размеры. Например, с расстояния 15 млн км двухсуточная зона подлета будет видна под углом около 60°. Таким образом, почти на порядок уменьшается площадь небесной сферы, подлежащая контролю, по сравнению с наблюдениями с Земли, с которой необходимо контролировать всю небесную сферу.

Кроме того, в предлагаемом варианте размещения КА обеспечиваются достаточно неплохие условия наблюдения астероидов, приближающихся к Земле со стороны Солнца. Для контроля «мертвой зоны», возникающей из-за засветки Землей и Луной, можно будет использовать наземные средства или КА с телескопом, работающим на околоземной орбите. Базовыми КА для создания КСН «Конус» могут стать созданные в НПО им. С. А. Лавочкина и прошедшие натурную отработку КА типа «Око», «Аркон» и перспективные КА типа «Спектр», а также КА, разработанные в других организациях и странах.