ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ АСТЕРОИДУ 2001 JV1

1. ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВОЦентральный НИИ машиностроения ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛЕТА КА К ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОМУ АСТЕРОИДУ 2001 JV1 С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ОРБИТЫ ВЗРЫВОМ Ю.Ф. Колюка, Т.И. Афанасьева Таруса, 2014

2. Основание и цели работы Седьмая Рамочная Программа Еврокомиссии Проект «NEOShield»: Разработка миссии КА к потенциально опасным космическим объектам (ПОО), сближающимся с Землей, с целью демонстрации принципиальной возможности изменения траектории движения ПОО с отклонением их от Земли за счет определенного воздействия на них современной космической техники и технологий. Оценка достигаемого эффекта изменения параметров движения ПОО для выбранного способа воздействия.

3. Цели и задачи миссии в варианте взрыва • Техническая демонстрация принципа изменения параметров орбиты ПОО с помощью ядерного взрыва • Повышение уровня понимания физических процессов, происходящих при ядерном взрыве вблизи астероида, в том числе: • - испарения вещества астероида, • - динамики разлета испаренного вещества • Регистрация изменения орбиты астероида после взрыва • Вторичные научные цели миссии • Исследование астероида в дистанционном режиме: • определение химического состава вещества, • геологического строения, геоморфологии астероида • Измерение размера и формы, картографирование астероида • Уточнение массы астероида

4. Требования к АСЗ – кандидату для демо-миссии • Потенциально опасный для Земли объект: - MOID (Minimumorbitintersectiondistance) ≤ 0.05 а.е.,- минимальный размер ( в поперечнике) > 100-300 м • Размер выбираемого для демо-миссии АСЗ - ПОО: ~ 100600 м (абсолютная звездная величина Н ~ 1924) • Орбита астероида должна быть достаточно хорошо известна • Астероид должен достигаться в сроки не превышающие 3-5 лет (при использовании существующей или создаваемой в ближайшем будущем РКТ)

5. Выбор астероида 2001 JV1 в качестве объекта-цели • Астероид открыт в 2001 г. в Паломарской обсерватории в рамках проекта NEAT(Near-Earth Asteroid Tracking)JPL • Астероид наблюдался в двух появлениях (2001 и 2010 гг.), в т.ч. и радиолокационным способом • Параметры астероида как ПОО: - MOID ~ 0.022 а.е. (3.3. млн. км), -  ~ 130 м, mA ~ 2.76×109 кг, Н ~ 21.4- период обращения вокруг оси ~ 29 час. • Орбита астероида уточнена в 2013 г. в JPL по всему составу имеющихся наблюдений. • Параметры орбиты астероида (эклиптика J 2000): • Р ~ 2.225 года, а ~ 1.705 а.е., е ~ 0.435, q~0.963 а.е., Q~2.441 а.е.i ~ 6.631º, ω ~ 200.961º, Ω ~ 92.324º, tπ ~ 2014.11.13,2904.

6. Орбита астероида 2001 JV1

7. Изменение R и d в пределах периода обращения астероида 2001 JV 1 R-расстояние до Солнца d – расстояние между орбитами астероида и Земли

8. Изменение эклиптических координат λ, β и d в пределах периода обращения астероида 2001 JV 1

9. Изменение расстояний ρА-З и расстояний d на интервале времени 2020-2042 гг.

11. Сценарий демонстрационной миссии • Для снижения рисков негативного влияния космической среды на работоспособность ядерного зарядного устройства рассматриваются схемы межпланетных перелетов, обеспечивающие доставку КА к астероиду в как можно более короткие сроки. Предпочтение отдается прямому перелету, при условии его технической реализуемости • КА доставляется в определенную точку в окрестности астероида, где он может совершить безопасный маневр торможения, в результате которого скорости КА и астероида будут, в основном, выровнены, а оставшаяся относительная скорость позволит КА достаточно медленно сближаться с астероидом • В период сближения с использованием бортовых измерительных средств и наземных средств траекторного контроля осуществляется прецизионная навигация КА относительно астероида и реализуется технология выхода на режим сопровождения полета некооперируемого объекта

12. Сценарий демонстрационной миссии (2) • КА в течение заданного периода времени совершает полет вблизи и вокруг астероида и выполняет запланированную программу дистанционных исследований этого объекта • С использованием высокоточных бортовых угловых и дальномерных измерений астероида уточняется его орбита до проведения взрыва • При нахождении над заданной точкой поверхности астероида от КА отделяется автономный модуль с зарядным устройством, который начинает медленно выходить на заданную высоту проведения взрыва, а КА в результате небольшого маневра удаляется от астероида на безопасное расстояние (~ 100-200 км) • По команде с базового КА (или по заложенной в автономном модуле программе) реализуется взрыв, который регистрируется на базовом КА • КА выходит на режим полета в достаточной близости от астероида и реализует специальную программу бортовых навигационных измерений, которые позволят определить эффект изменения орбиты астероида

13. Условия осуществления миссии • КА выводится на межпланетную траекторию с помощью системы «Протон-М/Бриз-М» с космодрома «Байконур» • КА проектируется на основе опробованной платформы, разработки НПО им. С.А. Лавочкина • Масса КА после выведения на межпланетную траекторию составляетmКА~2000 кг, из них запас топлива mТ~700 730 кг • Удельный импульс ДУ КА - Isp ~ 304320 c • Скорость отлета КА от Земли V∞≤7000 м/c • Импульс торможения при подлете к астероиду ∆VТ≤1000 м/с

14. Условия воздействия на астероид с помощью взрыва • Ядерный заряд содержится в специальном отделяемом модуле КА, способном совершать автономный полет • Незадолго до взрыва модуль с зарядным устройством отделяется от базового КА и остается вблизи выбранной точки над поверхностью астероида • Выбор места осуществления взрыва определяется необходимым направлением импульса скорости ∆VА, возникающего в результате этого взрыва • Для демонстрации возможности воздействия выбирается отнесенный ядерный взрыв, проводимый на небольшом(30 – 100 м) расстоянии от поверхности астероида • Мощность взрыва должна соответствовать условию изменения скорости астероида ∆VА≤5 см/с (во избежание возможной нежелательной фрагментации этого тела)

16. Характеристики орбитального движения астероида 2001 JV1 в период миссии 2021 года

17. Энергетические характеристики «перехватывающего» перелета к астероиду 2001 JV1 при стартах в начале марта и начале мая 2021 года

18. Энергетические характеристики перелета к астероиду при старте 28.06.2021 для разных дат подлета

19. Характеристики баллистических схем полета к астероиду 2001 JV1 при старте 28.06.2021 для разных дат подлета

20. Условия для бортовой навигации при подлете КА к астероиду 2001 JV1 в период миссии 2021 года

21. Гелиоцентрическая орбита перелета КА к астероиду 2001 JV1 при старте 28.06.2021

22. Заключение • Предложена концепция осуществления демонстрационной миссии к потенциально опасному астероиду с целью изменения его орбиты взрывом в части баллистики и навигации КА и оценки эффекта воздействия на ПОО • Исследована динамика и особенности движения и сближения с Землей астероида 2001 JV1 - возможного кандидата для демо-миссии • Оценена возможность и характеристики движения КА вблизи астероида 2001 JV1 по орбите его искусственного спутника • Установлена зависимость изменения параметров орбиты и условий сближения астероида 2001 JV1 с Землей от места и направления приложения к нему импульса скорости ∆VА, возникающего в результате ядерного взрыва вблизи астероида • Выполнен анализ потребных энергетических затрат для реализации миссии полета к астероиду 2001 JV1 для разных вариантов перелетов при старте КА в период 2021 года • Спроектирована баллистическая схема полета КА к астероиду 2001 JV1, отвечающая требованиям демонстрационной миссии к ПОО, которая может быть практически реализована в 2021-2022 гг. на основе существующих (или способных быть созданными в ближайшей перспективе) ракетно-космической техники, космических технологий и инфраструктуры