Виктор САВИНЫХ, Владимир ВАСИЛЬЕВ, Юрий КАПРАНОВ, Игорь КРАСНОРЫЛОВ, Георгий КУФАЛЬ, Сергей ПЕРМИНОВ
 Наряду с другими проблемами выживания человечества в современную эпоху в последние годы серьезно заявила о себе проблема астероидно-кометной опасности. Накопление и осмысление новых наблюдательных данных и теоретических оценок о малых телах солнечной системы, обнаружение следов все большего числа космических катастроф на земной поверхности, новые факты о катастрофических столкновениях в солнечной системе в настоящее время — все это произвело существенный сдвиг в восприятии научными кругами и общественностью той реальной опасности, которую представляют собой столкновения крупных космических тел с Землей. Все больше возрастает понимание того, что падения крупных космических тел на Землю играли очень важную роль в развитии жизни на Земле в прошлом и могут оказать решающее влияние на нее в будущем.
В последние годы усилия специалистов по изучению астероидов все больше направлены на исследование именно астероидов, сближающихся с землей (АСЗ). С точки зрения фундаментальной науки такие вопросы, как происхождение АСЗ, механизмы их перехода на орбиты, сближающиеся с земной, время «жизни», связь с другими малыми телами Солнечной системы (кометами и метеоритами) и прочее, представляются очень важными для решения основной проблемы изучения ближнего космоса — проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы.
Сихотэ-Алинский метеорит (слева) и Millbillillie метеорит, Западная Австралия
С другой стороны, впоследние годы АСЗ все больше рассматриваются как потенциальные источники металлов и другого минерального сырья. Однако резкое возрастание в последнее время интереса к изучению АСЗ связано прежде всего с проблемой астероидной опасности.
На начало сентября 2009 года численность астероидов, сближающихся с Землей, составляла около 6,5 тыс. (~800-километровыхи ~5,5-гектомет-ровых). При этом доля обнаруженных километровых астероидов составляла 75-80%, а доля гектометровых всего 5-10%. Количество потенциально опасных АСЗ составляло 1070 (150-километровых и 920-гектометровых). Столкновение с Землей каждого из них — это реальная опасность для человечества.
Расчеты и результаты испытаний ядерного оружия показали, что минимальная масса астероида, способного вызвать глобальные катастрофические изменения климата, фауны и флоры на Земле, составляет несколько десятков миллиардов тонн, что соответствует пороговому диаметру такого астероида, равному 1 -2 км. Столкновение Земли с такой массой приведет к взрыву,тротиловый эквивалент которого составляет ~ 1 млн Мт (50 млн «Хиросим»). Выброс вещества из кратера примерно в 1000 раз превысит объем падающего тела, что может вызвать эффект «ядерной зимы»: пыль и сажа, поднятые в атмосферу, поглотят солнечное излучение, в результате чего резко снизится температура на поверхности Земли, произойдут глобальные изменения в экологии, что может привести к гибели значительной части населения Земли в течение нескольких месяцев или лет.
Charcas метеорит, Сан-Луис-Потоси, Мексика (слева) и метеорит Canyon Diablo, Аризона, США
В последние годы активность международной научной общественности вокруг проблемы «Астероидно-кометная опасность» резко возросла. Вопросы возможных столкновений Земли с астероидами и кометами и их вероятных последствий начали обсуждаться на уровне правительств, национальных и международных организаций и ведомств.
Россия, как одна из ядерных держав, обладающая развитыми космическими технологиями и опытом проведения космических миссий, не может и не должна быть в стороне от решения рассматриваемой проблемы. Для России это важно не только потому, что тем самым обеспечивается безопасность ее граждан, но и потому, что попутно будет получен опыт использования новых технологий, который, в частности, найдет применение при освоении ресурсов ближнего космоса.
Как известно, разработан и обсуждается проект Федеральной целевой научно-технической программы «Астероидно-кометная безопасность России».
В настоящее время рассматриваются три основных принципа отражения астероидно-кометной опасности. Это — отклонение угрожающего объекта с орбиты встречи с Землей, экранирование Земли от столкновения с угрожающим объектом, и наконец, его уничтожение.
 Самым простым способом отклонения небольших тел является ударное воздействие на них с помощью специального космического аппарата. Если объект диаметром 100 м движется по орбите с перигелием в 0,9 а.е. и афелием 4,0 а.е., лежащей в плоскости орбиты Земли, то аппарат-ударник массой 100 тонн при столкновении сообщит ему дополнительную скорость 0,25 м/с. Чтобы развести траектории объекта и Земли на миллион километров, удар необходимо нанести за 9,5 года (3 витка) до предполагаемого момента столкновения. Для более же крупных объектов применять этот способ вряд ли целесообразно ввиду неприемлемо большой массы космического аппарата.
Не слишком крупный астероид (размером в несколько десятков метров) можно свести с траектории и с помощью специального буксировщика. Здесь так же возможны несколько подходов. Во-первых, это размещение на небесном теле ионного или плазменного двигателя с питанием от автономного источника — солнечных батарей или реактора. Несколько двигателей , работая определенное время, способны изменить скорость астероида на несколько сантиметров в час, что достаточно для предупреждения столкновения. Поскольку любой объект имеет массу и соответственно притягивает другие объекты, возможен и иной вариант: «Гравитационный тягач» массой в тонну или более, используя работающий от солнечных батарей ионный (или плазменный) двигатель или маневровые двигатели на гидразине, зависнет на высоте в четверть километра над поверхностью астероида. Сила притяжения космического аппарата постепенно увлечет астероид в сторону с его траектории — по сути дела, тяга двигателей в течение месяца будет частично передаваться небесному телу. Для астероида диаметром около 100 м и с массой 2-Зх 106 тонн дополнительная сила составит величину в несколько граммов. Если немного расширить рамки задачи, вырисовываются интересные возможности — транспортировки небольших астероидов с целью дальнейшего их использования в качестве источников сырья для космической индустрии.
Кратер от метеорита, близ местечка Swan Valley, Западная Австралия(слева) и кратер от метеорита близ города Роторуа, Новая Зеландия
Если рассматривается не непосредственно угрожающий Земле астероид, а лишь потенциально опасный, периодически проходящий поблизости, то время, необходимое для проведения коррекции орбиты, не слишком критично. В связи с этим на буксировщике целесообразно использовать электро-рореактивные двигатели с ядерной энергетической установкой, характеризующиеся большим удельным импульсом при малом расходе рабочего тела. Однако наибольшей проблемой при этом будет организация хранения на борту аппарата приемлемого количества этого рабочего тела — по скромным прикидкам, речь будет идти о 500-600 т.
Иначе будет обстоять дело при необходимости защиты от астероида, обнаруженного уже на траектории встречи, например за несколько десятков суток. Аппараты с двигателями малой тяги просто не успеют за столь короткий промежуток времени сообщить ему сколько-нибудь существенный импульс.
Рассматривались различные варианты воздействия энергии ядерного взрыва на космическое тело.
Кратер от метеорита Каалиярв, Эстония
При использовании ядерного заряда для разрушения астероидов необходимо соблюсти два условия: осколки разрушенного тела сами по себе должны быть существенно менее опасны для Земли, чем исходное тело, и должен быть обеспечен их разлет, исключающий последующее групповое воздействие на Землю.
Исходя из второго требования, перехват по штатной схеме функционирования должен осуществляться на максимально возможном удалении от планеты, что существенно усложняет задачу наведения. Первое же требование обусловливает рост мощности применяемых зарядов и накладывает ограничения на максимальные размеры космического тела, к которому метод разрушения может быть применен. Следует учитывать плотность и состав потенциально опасного объекта. Многие астероиды по своему строению скорее похожи на кучу мусора, чем на сплошное космическое тело, а в таком случае они легко поглотили бы энергию ядерного взрыва. Взрыв в этом случае почти не повлияет на траекторию астероида. После ядерного взрыва большой астероид может просто расколоться на несколько крупных кусков, которые продолжат свое движение по направлению к Земле.
 С учетом всех этих обстоятельств нам представляется, что недостаточно внимания уделяется эффективному и технически достаточно просто реализуемому способу организации на пути астероида воздушных пузырей. В этом случае тоже происходит обмен кинетическими энергиями молекул воздуха с материалом астероида, подобно столкновению с рассмотренным выше аппаратом-ударником. Однако важными преимуществами «пузырей» являются следующие обстоятельства.
Во-первых, большим пузырем легче попасть в астероид — он влетает в него сам. Во-вторых, «болванка» будет эффективна только при центральном ударе, когда вектор ее скорости проходит через центр масс астероида, в то время как масса газа равномерно распределяется по всей поверхности астероида автоматически. В-третьих, «болванка» будет совершенно неэффективна для «рыхлых» астероидов, которые она попросту будет «прошивать» насквозь. И наконец, кратковременное ударное воздействие трудно сделать управляемым и регулируемым. Процесс прохождения астероидом газового облака можно растянуть на секунды, облегчая как процесс наблюдения, так и возможное управление при прохождении астероидом заданной последовательности «пузырей».
Эффективность использования «пузырей» сравнима с применением ядерного оружия без риска стать заложниками ядерных террористов.
Такое торможение, проведенное всего лишь за две недели до возможного столкновения с Землей, способно устранить глобальную катастрофу. При этом только энергия торможения сопоставима с общей энергией, выделяющейся при взрыве водородной бомбы с тротиловым эквивалентом более 1 Мт.
 Здесь возникает важный вопрос, связанный с транспортировкой нужного количества газа и организацией самого газового облака. Нетрудно подсчитать, что при торможении в газовой среде со средней плотностью 0,1 кг/м3 (соответствует плотности земной атмосферы на высоте около 16 км) и объеме 100х 100х 10 000 м его масса составит около 10 000 т, — это означает, что его запасы должны быть созданы заранее и при необходимости использованы с помощью нескольких ракет-носителей. Сами газовые облака могут быть заключены в специальные оболочки необходимого размера и сгруппированы вдоль траектории движения потенциально опасного небесного тела наподобие дирижаблей ПВО времен Второй мировой войны.
Следует отметить, что это лишь один из крайних случаев, когда астероид сравнительно большой и достаточно плотный. Такие астероиды можно обнаружить задолго до столкновения и заранее принять необходимые меры. Не менее опасны и сравнительно небольшие астероиды с диаметром около 20 м, летящие навстречу движению Земли со скоростями до 50-60 км/сек. Но в этом случае «подушки безопасности» работают еще эффективнее, поскольку энергия их сопротивления возрастет пропорционально квадрату скорости самого объекта, вследствие чего их масса может быть значительно уменьшена.
На рисунке приведены графики, показывающие зависимость необходимой массы газового облака от диаметра потенциально опасного каменного астероида при различных скоростях его пролета при условиях эффективного замедления за 14 дней до возможного столкновения с Землей.
Зависимость минимальной массы тормозящего газового облака от размеров астероида при разных относительных скоростях
Как видно из графиков, необходимая масса «подушки безопасности» значительно снижается при уменьшении размеров астероида и увеличении его скорости. Так, для эффективного торможения потенциально опасного каменного небесного тела с диаметром около 20 м, летящего со скоростью 60 км/сек,достаточно 3-5т газа. Кроме того, следует учесть, что пропорционально плотности астероида можно изменять массу таких «подушек» без снижения их эффективности.
 Не следует забывать и о проблеме «космического мусора», летающего на околоземных орбитах и реально угрожающего безопасности космических полетов. Организация кратковременных воздушных пузырей на соответствующих орбитах позволит эффективно бороться и с этой опасностью. Например, газовый пузырь размером 100х100х100м и массой 1 тонна способен на 600 м/сек. затормозить влетающие в него объекты с массой около килограмма. При этом сам «пузырь» должен обращаться по встречной орбите для обеспечения максимальных относительных скоростей.
Нам представляется, что такие возможности могут рассматриваться как способ целенаправленной коррекции орбит астероидов — потенциальных источников сырья, а также при проведении астроинженерных акций с целью изучения и изменения условий на Марсе или на Венере.
Для получения необходимой информации о движении потенциально опасных небесных тел можно рекомендовать размещение на наиболее проблемных астероидах лазерных маяков, в автоматическом режиме находящих Землю и посылающих по команде с Земли серию мощных световых импульсов. По этим импульсам можно с высокой точностью (см/сек и см) определять скорость и параметры движения опасного объекта. Расчеты показывают, что установка на астероиде лазера с достаточно просто реализуемыми параметрами позволит проводить траекторные измерения объекта на расстояниях около миллиарда километров, т.е. вплоть до орбиты Сатурна, при использовании наземных телескопов трехметрового диаметра. Такие телескопы уже не являются уникальными, они используются в ряде обсерваторий, что делает оптическую систему наблюдений в целом практически независимой от метеоусловий.
Метеорит Haxtun, Колорадо, США (слева) и метеорит Hoba, Хрутфонтейн, Намибия
Обеспечение необходимых параметров лазера и точность его наведения тоже не вызывают особых технических проблем. Можно также воспользоваться лазерной станцией — ретранслятором, находящимся в непосредственной близости от самого астероида.
 Лазерные маяки целесообразно ставить на достаточно крупные объекты, столкновения которых с Землей грозят глобальной катастрофой. На сравнительно небольших телах, которые способны вызвать лишь локальные разрушения, можно устанавливать панели уголковых отражателей, с помощью которых производится точное определение места падения с целью заблаговременной эвакуации населения, нейтрализации производств и т.д. Такая панель с эффективной площадью около одного квадратного метра при локации с Земли и приеме отраженного сигнала на входной апертуре около 3-х метров позволит проводить высокоточные траекторные измерения на расстояниях до 106 км, то есть за 10-20 часов до возможного столкновения. Надо отметить, что телескопы с такой апертурой не являются уникальными — на Земле насчитывается уже 18 оптических телескопов с апертурой от 4 до 11 м.
Наконец, использование лазерных малогабаритных измерителей дальности на космических аппаратах, пролетающих мимо потенциально опасных объектов, позволит получать их высокоточное объемное изображение, что значительно облегчит выбор методов воздействия на такой объект.
Метеорит Гоба
Представленные возможные меры не требуют создания принципиально новых технологий в дополнение к уже существующим. Но они требуют дальнейшего развития автоматической и пилотируемой космонавтики и постановки перед ней реальных практических задач, решение которых не только устранит те угрозы, которые осознало человечество, но и объединит его усилия в настоящем овладении Космосом.
Реализация подобных проектов открывает новые перспективы для развития земной Цивилизации.
Источник: inauka.ru.
Рейтинг публикации:
|
