Çarpışmadan kaçınma (uzay aracı) - Collision avoidance (spacecraft)

Uzay aracı çarpışmadan kaçınma , yörüngedeki uzay aracının istemeden diğer yörüngedeki nesnelerle çarpışma şansını en aza indiren süreçlerin uygulanması ve incelenmesidir . Uzay aracı çarpışmasını önleme araştırma ve geliştirmesinin en yaygın konusu, jeosantrik yörüngelerdeki insan yapımı uydular içindir . Konu, yörüngede uzay enkazının birikmesini önlemek için tasarlanmış prosedürleri, olası çarpışmaları tahmin etmek için analitik yöntemleri ve rahatsız edici uzay aracını tehlikeden uzaklaştırmak için manevra yapmaktan kaçınma prosedürlerini içerir.

Büyük cisimlerin ( Dünya gibi ) etrafındaki yörünge hızları hızlıdır, bu da yörünge çarpışmalarında önemli kinetik enerjiye neden olur. Örneğin, ~7.8 km/s'lik ortalama Düşük Dünya yörünge hızında, dikey olarak çarpışan iki uzay aracı, ~12,2 km/s'lik bir birleşik göreli çarpma hızına sahip olacaktır. Bilinen neredeyse hiçbir yapısal olarak katı malzeme, çoğu çarpışma ile anında buharlaşacak ve her yöne kuvvetle fırlatılan sayısız parçaya ayrılacak olan bu tür enerjik bir darbeye dayanamaz. Bu nedenle, yörüngedeki başka bir nesneyle çarpışan herhangi bir uzay aracının, çarpışma nedeniyle kritik olarak hasar görmesi veya tamamen yok olması son derece muhtemeldir.

gereklilik

Kessler sendromu olarak adlandırılan, kritik bir uzay enkazı kütlesinin Dünya yörüngesinde birikmesine izin verilirse, yörüngedeki uydular ve diğer nesneler arasında basamaklı bir dizi çarpışma meydana gelebilir . Bu çarpışmalar, daha fazla çarpışma olasılığını önemli ölçüde artıran ve olumlu bir geri besleme döngüsü yaratan daha küçük yeni enkaz parçaları yaratacaktır . Bu, artan çarpışma riski nedeniyle yörüngede sınırsız bölgeler yaratacak ve nihayetinde fırlatma sırasında enkaz dolu yörüngelerden riskli yükseliş nedeniyle uzaya erişimi tamamen engelleyecektir.

Bugün Dünya yörüngesinde kalan insan yapımı fırlatma araçları tarafından kaldırılan tüm uyduların çok azı hala işlevseldir. Eylül 2021 itibariyle, ESA'nın Uzay Enkaz Ofisi, uzaydaki uyduların yarısından biraz fazlasının hala çalışır durumda olduğunu tahmin ediyor.

ESA'nın Uzay Enkaz Ofisi tarafından sağlanan, insan tarafından fırlatılan uydularla ilgili tahmini miktar rakamları
Dünya yörüngesine yerleştirilen uydular Hala uzayda Hala işlevsel
~12,070 ~7.500 ~4,700

Yörüngeye fırlatılan uyduların sayısı, Dünya çevresindeki yörüngede mevcut alan miktarına kıyasla nispeten düşük olsa da, riskli ramak kalalar ve ara sıra çarpışmalar meydana gelir. 2009 uydu çarpışma tamamen her iki uzay aracı ortadan ve 10 cm (4 inç) ve çok sayıda küçük olanlardan daha büyük bir alan enkaz yaklaşık 1000 yeni parçaların oluşturulması sonucunu vermiştir.

Dünya çevresinde yörüngede olan ve uydulara ciddi zararlar verebilecek daha küçük malzeme parçaları da var. Bunlar, mikro meteoroidler , uydu çarpışmalarının kalıntıları veya küçük doğal uydular gibi nispeten küçük nesnelerdir .

ESA'nın Uzay Enkaz Ofisi tarafından sağlanan uzay enkazı tahminlerine ilişkin tahmini miktar rakamları
Enkaz nesneleri düzenli olarak izlenir Parçalanmayla sonuçlanan olaylar Yörüngede olduğu tahmin edilen enkaz nesneler
>10 cm 1-10 cm 1 mm - 1 cm
~22.300 >500 >34.000 ~900.000 > 128 milyon

Bu nesneler zararsız görünüyor, ancak başıboş boya lekeleri gibi küçük parçacıklar bile uzay aracına zarar verebilir. Boya lekeleri, birçok Uzay Mekiği uçuşundan sonra gerekli cam değişimlerine neden oldu .

Birçok şirket gelen yüksek hızlı iletişim ve internet erişimi sağlamak için büyük uydu takımyıldızları başlatıyoruz Alçak Dünya yörüngesine yani SpaceX 'ın Starlink ve Amazon planlanan Proje Kuiper takımyıldızları. Bu sistemlerin her birinin, toplam uydu sayısını büyük ölçüde artıracak ve uzay enkazı sorunlarını şiddetlendirecek on binlerce uydu kullanması planlanıyor.

Risk azaltma yöntemleri

Fırlatılan nesnelerin sayısını en aza indirmek için kontrol edilemez uzay enkazı haline gelen, nesnenin yörüngesine bağlı olarak teknikte değişen birkaç en iyi uygulama kullanılır. Çoğu koruyucu önlem, uyduların ve diğer yapay nesnelerin yalnızca işlevsel ve kontrol edilebilir oldukları sürece operasyonel yörüngelerinde kalmasını sağlar. Bu sorumluluklar, yörüngedeki nesnelerin nasıl elden çıkarılacağı konusunda uluslararası anlaşmalarla bağlı olan uydu operatörüne aittir.

yörünge altı yörüngeleri

Alt yörünge yörüngelerine fırlatılan nesneler, atmosferik sürüklenme ile hızla yörüngeden çıkarılacaktır. Bunlar , yörüngeden hızla dönmek için tasarlanmış Sondaj roketlerinde fırlatılan uydular ve yörünge hızına ulaşmadan önce itici güçlerini tüketen roket güçlendirici aşamaları gibi şeyleri içerir . Yörünge altı yörüngelerdeki uydular, genellikle yeniden giriş ve imha sağlamak için operatörün herhangi bir kasıtlı bakımını gerektirmez.

Uzay Mekiği dış tankı fırlatma sonra kendisinin hızla atmayın için tasarlanmıştır. Büyük dış tank, kalkıştan itibaren, yörünge hızının hemen altında seyahat edene ve yaklaşık 113 km (70 mil) yüksekliğe sahip olana kadar Uzay Mekiği yörüngesine bağlı kalır, bu noktada ayrılır ve balistik bir yörüngeyi hızla takip eder. atmosfere yeniden giriyor. Dış tankın çoğu, yeniden giriş ısısı nedeniyle parçalanırken, yörünge aracı , yörüngesel yerleştirmeyi tamamlamak için Reaksiyon kontrol iticilerini kullanır .

Alçak dünya yörüngesi

Yapay uyduların ve uzay istasyonlarının büyük çoğunluğu, 2000 km'den (1200 mi) daha düşük ortalama irtifalarla, Alçak Dünya yörüngelerinde (LEO) yörüngede döner . LEO uyduları, LEO'dan yavaşlamak için gereken Delta-v'nin küçük olması nedeniyle güvenli yeniden girişin pratik olduğu atmosferin daha kalın kısımlarına yakındır . Çoğu LEO uydusu, yörüngeden çıkma yanıkları gerçekleştirmek ve kendilerini atmak için kalan yerleşik istasyon tutma yakıtının sonunu kullanır (uydunun yörüngesini yörüngeyi kademeli olarak bozan atmosferik sürükleme gibi kuvvetlere karşı korumak için kullanılır).

Ömrünün sonunda yörüngesinden çıkan LEO uyduları için erişim kolaylığı, onu LEO'daki uzay enkazı riskini kontrol etmek için başarılı bir yöntem haline getirir.

Orta Dünya Yörüngesi ve üstü

Ortalama irtifaları LEO'dan daha yüksek olan yörüngeler ( Orta Dünya yörüngeleri (MEO), Jeosenkronize yörünge / Jeostatik yörünge (GSO/GEO) ve diğer türler gibi) atmosferin daha yoğun kısımlarından uzaktır ve tam yörüngeden çıkma yanıklarını önemli ölçüde daha fazla yapar. pratik değil. Çok az uydu tasarımı, ömürlerinin sonunda böyle bir manevrayı karşılayabilecek yeterli yakıt marjına sahiptir.

MEO'nun alt sınırına doğru irtifadaki uydular, 25 yıl içinde yörüngeden düşmesi için yerleşik tahrik ile yavaşlamak için "25 yıl kuralı"nı kullanabilir, ancak bu hükme ancak uydu operatörlerinin istatistiksel analizle kanıtlayabilmeleri durumunda izin verilir. Atmosfere yeniden girişin insan yaralanmasına veya maddi hasara neden olma olasılığı 1/10.000'den daha azdır. Bu şekilde atılan uydular, Güney Pasifik Okyanusu'nda, Uzay aracı mezarlığı olarak adlandırılan yerleşim alanlarından uzak bir bölgede atmosfere yeniden girer .

mezarlık yörüngeleri

LEO ve Yüksek Dünya yörüngesi (HEO) arasında daha yüksek irtifalarda yörüngede dönen uzay araçları , en yaygın olarak oldukça spesifik ve kalabalık GSO/GEO'da, "25 yıl kuralı"nı kullanmak için çok uzaktır. GSO ve GEO, yörünge düzleminin neredeyse mükemmel bir ekvatoral olmasını ve yüksekliğin mükemmel dairesel 35.786 km'ye (22.236 mi) yakın olmasını gerektirir; bu, alanın sınırlı olduğu ve uyduların faydalı ömürlerini geçmesine izin verilmeyeceği anlamına gelir. Bu irtifalardaki uyduların çoğu, yeniden giriş için yavaşlamak yerine, operasyonel uydularla etkileşim yolundan sonsuza kadar uzak kalacakları daha yüksek mezarlık yörüngelerine doğru hafifçe hızlanır .

Yörüngede kalan boş roket aşamaları

Tarihsel olarak, birçok çok aşamalı fırlatıcı tasarımı, eski Sovyet Zenit roket ailesinde olduğu gibi, yörüngeye ulaşmak için yakıtlarını tamamen tüketti ve harcanan roket aşamalarını yörüngede bıraktı . Bu üst aşamalar, yörüngeye bağlı olarak yeniden girmeleri uzun yıllar sürebilen büyük yapay uydulardır.

Çoğu modern tasarım, yükü yörüngeye enjekte ettikten sonra yörüngeden çıkma yanıkları için yeterli yakıt marjını içerir. SpaceX bireyin Falcon 9 uzay enkaz üzerindeki üst aşamaya etkisini en aza indirmek için tasarlanmış bir fırlatma araç. Roket, birincisi suborbital olan iki aşamadan oluşur. Kalkıştan birkaç dakika sonra, ya kasıtlı olarak yeniden kullanım için karaya inmek için ayrılmış yakıtı kullanarak ya da balistik yörüngesine devam etmeye ve atmosfere yeniden girdikten sonra parçalanmaya bırakılır.

Falcon 9 saniye aşamaları yörüngeye bağlı olarak farklı teknikler kullanılarak ele alınmaktadır. İçin Düşük Yer yörüngeleri , kalan yakıt ikinci aşama kullanımları atmosferde de yörünge yanık ve parçalanır gerçekleştirmek için. Geostationary transfer yörüngeleri (GTO) ve Geostationary yörünge (GEO) gibi Orta Dünya yörüngelerinde mahsur kalan aşamalar , genellikle kendilerini yörüngeden çıkarmak için yeterli yakıta sahip değildir. GTO yörüngeleri, ikinci aşamanın yörüngesinin birkaç ay sonra doğal olarak bozulacağı ve atmosfere yeniden gireceği şekilde tasarlanırken, GEO'ya doğrudan yerleştirmeyi hedefleyen görevlerden gelen aşamalar çok daha uzun süre kalacaktır.

Çarpışma tahmin yöntemleri

Etki riski tahminlerinin çoğu, yer tabanlı gözlemlerle ölçülen konum ve hız gibi yörünge parametreleriyle yörüngedeki nesnelerin veri tabanları kullanılarak hesaplanır. Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı Uzay Gözetleme Ağı , yaklaşık olarak bir beysbol topu büyüklüğünde veya daha büyük olan, bilinen tüm yörüngedeki nesnelerin bir kataloğunu tutar . Daha küçük uzay enkazı makaleleri hakkındaki bilgiler daha az doğru veya bilinmiyor.

Bir nesnenin yörüngesi tam olarak bilindiğinde, Savunma Bakanlığı'nın SSN'si , Savunma Bakanlığı'nın space-track.org ve NASA'nın Uzay Bilimi Veri Koordineli Arşivi'nde kamu analizi için bilinen parametreleri yayınlar . Nesnenin yörüngesi daha sonra nereye yerleştirileceğini ve yörüngedeki başka bir nesneyle yakın bir karşılaşma olasılığını tahmin ederek geleceğe yansıtılabilir. Uzun vadeli yörünge projeksiyonları, yörüngeyi kademeli olarak bozan karmaşık yerçekimi etkileri ( Üç cisim problemine benzer şekilde ) ve yer izleme ekipmanının ölçüm hataları nedeniyle büyük hata çubuklarına sahiptir . Bu nedenlerle, daha hassas ölçüm ve tahmin yöntemleri aktif bir araştırma alanıdır.

NASA yörünge projeksiyonları yürütür ve 4 inçten (10 cm) daha büyük bilinen nesneler için çarpışma riskini değerlendirir. Uluslararası Uzay İstasyonu gibi kritik varlıklar için, herhangi bir cismin yörüngede yarım mil (1,25 km) yukarıda/aşağıda ve 15 mil (25 km) ileride/arkada ve her iki yönde dikdörtgen bir bölge içinde hareket etme riski için değerlendirmeler yapılır. uzay aracının. Bu yüksek riskli bölge, benzediği şekilden dolayı "pizza kutusu" olarak bilinir.

Çarpışmadan kaçınma yöntemleri

Mevcut kaçınma teknikleri, çarpışma riskini en aza indirmek için yörüngeyi hafifçe değiştirmeye ve ardından risk olayı geçtikten sonra uzay aracını önceki yörüngesine döndürmeye dayanır. Yörünge ayarlamaları yapmak için kullanılan kesin yöntem, uzay aracında hangi kontrollerin mevcut olduğuna bağlı olarak farklılık gösterir. Çarpışmadan kaçınma manevralarına bazen, kusurlu nesne bir uzay enkazı nesnesi olduğunda Enkazdan Kaçınma Manevraları (DAM'ler) de denir.

Yerleşik tahrikli uzay aracı

NASA, çarpışma riski yeterince önceden tespit edilmişse ve risk yüksekse kaçınma manevraları kullanır. NASA'nın, Uzay Mekiği ve Uluslararası Uzay İstasyonu (tüm uluslararası ortaklar tarafından üzerinde anlaşmaya varılmıştır) gibi, hepsi gemide itiş gücüne sahip olan mürettebatlı uzay aracı politikası , çarpışma olasılığı düşükse kaçınma manevralarının planlanmasını gerektirir.

  • >1/100.000 ve manevra, görev hedefleriyle çelişmez
  • >1/10.000 ve manevra mürettebatı daha fazla tehlikeye atmaz

Ağustos 2020 itibariyle, ISS, 1999'daki ilk lansmanından bu yana 27 çarpışmadan kaçınma manevrası gerçekleştirdi ve zamanla yükseliş eğilimi gösteriyor. ABD Yörünge Segmenti için en tehlikeli enkaz sınıfı 1-10 cm arasındakilerdir. Bu boyut aralığındaki enkaz popülasyonu önemlidir ve mevcut yöntemlerle doğru bir şekilde izlenmesi zordur, bu da daha fazla araştırmayı hak eder.

Bu kaçınma manevraları, Magnetorquer'ler , Reaksiyon tekerlekleri ve Kontrol momenti jiroskopları gibi bazı diğer uydu ve uzay aracı yönlendirme sistemleri dahil edilebilmesine rağmen , neredeyse her zaman yerleşik Reaksiyon kontrol iticilerinin ateşlenmesiyle gerçekleştirilir . ISS ayrıca, genellikle bir Progress uzay aracı veya Otomatik Transfer Aracı olmak üzere, kenetlenmiş bir kargo uzay aracının ana motorlarını da kullanabilir . Manevralar yörünge yörüngesini hafifçe değiştirir ve yörünge değişikliğinin etkilerinin etkili olmasına izin vermek için genellikle risk olayından saatler önce yapılır.

İki uydu operatörüne olası bir çarpışma bildirildiğinde, operatörlerden biri veya her ikisi de uydularını manevra etmeye karar verebilir, örn. 2019'da ESA ve SpaceX.

Son araştırmalar, büyük uydu takımyıldızları içinde çarpışmadan kaçınma çabalarına yardımcı olmak için algoritmalar geliştirdi, ancak bu tür araştırmaların herhangi bir aktif takımyıldız GNC'de uygulanıp uygulanmadığı bilinmiyor .

Yerleştirme iptalleri

Bir çarpışmadan kaçınma manevrasının bir başka kullanımı, otomatik bir yanaşmayı iptal etmektir ve böyle bir prosedür, Otomatik Transfer Araçlarının ISS'ye yanaşmasını kontrol eden yazılıma yerleştirilmiştir . Bu, yerleştirme sırasında bir sorun olması durumunda, uzay istasyonundaki mürettebat tarafından acil durum geçersiz kılma olarak başlatılabilir. Bu manevra, ilk ATV Jules Verne'nin piyasaya sürülmesinden kısa bir süre sonra ve daha sonra Mart 2008'in sonlarında gerçekleştirdiği istasyona gösteri yaklaşımları sırasında gösterildi.

Tahrik gücü olmayan uzay aracı

İnsan tarafından fırlatılan ve yerleşik tahrike sahip olmayan uyduların çoğu , yön kontrolü için alternatif cihazlara dayanan küçük CubeSat'lardır . CubeSats gibi küçük nesnelerin ölçeğinde, kütle ile orantılı olarak büyük göreli yüzey alanıyla ilgili kuvvetler önemli hale gelir. CubeSats genellikle atmosferin hala az miktarda aerodinamik sürtünme sağladığı Düşük Dünya yörüngesine fırlatılır .

Düşük Dünya yörüngesindeki küçük uydular üzerindeki aerodinamik sürükleme, yavaşlamayı kontrol etmek için düşük ve yüksek sürükleme konfigürasyonları arasında geçiş yaparak, atmosferik sürüklemeye maruz kalan yüzey alanını değiştirerek enkaz çarpışmalarını önlemek için yörüngeleri hafifçe değiştirmek için kullanılabilir.

karmaşıklaştırıcı faktörler

Olası çarpışmaları hafifletme girişimleri, aşağıdakiler de dahil olmak üzere faktörler nedeniyle karmaşıktır:

  • kusurlu nesnelerden en az biri, geçersiz olduğu için uzaktan kontrol özelliğinden yoksundur
  • rahatsız edici nesnelerden en az biri bir asteroit gibi doğal bir uydudur
  • risk olayı harekete geçmek için yeterli zamana sahip değil

Tüm bu olaylar, çarpışma riskinin azaltılmasına yönelik stratejik seçenekleri farklı şekillerde sınırlar. Her iki nesnenin de kontrol yetenekleri yoksa, çok az şey öngörülen çarpışmayı önleyebilir. Nesnelerden yalnızca biri operasyonel bir uyduysa, kalan yakıt rezervlerini önemli ölçüde azaltan veya tamamen tüketen bir kaçınma manevrasına tek katkıda bulunacaktır. Uydu ayrıca manevrayı düzgün bir şekilde tamamlamak için yetersiz yakıta sahip olabilir ve bu da etkinliğini azaltır.

Çarpışmadan kaçınma manevraları, önemli bir planlama ve uygulama süresi gerektirir; bu, riskin yeterince önceden tahmin edilmemesi durumunda bir sorun olabilir. Uzay aracı tahriki genellikle zayıftır, yörüngelerini değiştirmek için uzun yanıklara dayanır ve hız değişimi genellikle gerekli etkiyi üretmek için tam bir yörüngenin anlamlı bir kısmını gerektirir.

Örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonu tarafından çarpışmaları önlemek için yaygın olarak gerçekleştirilen manevralar , itme cihazlarının zarar görmesini önlemek için istasyonun güneş panellerinin zorunlu yavaş yeniden yapılandırılması nedeniyle, genellikle yaklaşık 150 saniyelik yanmalar ve mürettebat operasyonlarında önemli rahatsızlıklar gerektirir. Kabaca söylemek gerekirse, ISS'nin normal çalışmadan tahmini en hızlı tepki süresi, istasyon yeniden yapılandırmasının ~3 saatlik kurulum süresini ve hız değişimine izin vermek için ~2 saatlik yanma sonrası hazırlık süresini hesaba katmak için yaklaşık 5 saat 20 dakikadır. yürürlüğe girmek.

Başlatma pencereleri üzerindeki etkiler

Çarpışmadan kaçınma, uzay uçuşu başlatma pencereleri sırasında bir endişe kaynağıdır . Tipik olarak, bir uydu fırlatmadan önce bir Fırlatmada Çarpışma Değerlendirmesinin (COLA) gerçekleştirilmesi ve onaylanması gerekir. Bir fırlatma penceresinin, aracın yörüngesinin zaten uzayda bulunan başka bir nesneye çok yaklaşmamasını sağlamak için havalanamadığı aralıklarla bir COLA karartma süresine sahip olduğu söylenir .

Referanslar

Dış bağlantılar

Ayrıca bakınız