Анализ последствий повреждения конструкции Российского сегмента МКС, вызванного столкновением с осколком космического мусора
Автор: Соколов Вячеслав Георгиевич, Горбенко Андрей Владимирович
Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia
Рубрика: Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов
Статья в выпуске: 4 (27), 2019 года.
Бесплатный доступ
В условиях возрастающего засорения околоземного космоса количественная оценка катастрофичности последствий пробоя МКС осколками космического мусора является необходимым инструментом при разработке мероприятий по парированию аварийной ситуации, связанной с пробоем. Российский сегмент (РС) МКС наиболее уязвим к пробоям из-за наличия в его составе транспортных кораблей, имеющих более слабую экранную защиту по сравнению с модулями станции. В связи с этим возникает задача определения степени катастрофичности пробоя гермооболочки модулей, транспортных кораблей, топливных баков и баллонов РС с учетом возможных видов катастрофических последствий пробоя и распределения риска пробоя по модулям и транспортным кораблям. Для решения задачи разработана методика расчета рисков катастрофического пробоя станции, основанная на разделении основной задачи на два этапа. На первом этапе рассчитывается вероятность пробоя отдельных отсеков, составляющих станцию и имеющих определенный тип экранной защиты, с использованием конечноэлементной геометрической модели станции и модели техногенной среды. Полученные результаты используются на втором этапе расчетов вероятности катастрофического исхода пробоя методом статистических испытаний (метод Монте-Карло). При этом используется модель РС МКС, состоящая из отсеков упрощенной формы (цилиндров и усеченных конусов), что позволяет упростить процедуру получения случайного места пробоя и сократить временные затраты для получения статистически достоверных результатов. На основе представленной в статье методики разработана программа, используемая для расчета вероятности катастрофических последствий пробоя РС МКС. Анализ результатов расчетов показал, что относительная вероятность катастрофического исхода пробоя, сопровождаемого гибелью экипажа и/или потерей станции, составляет 13,3%; вероятность экстренной эвакуации экипажа из-за угрозы гипоксии - 3,716%; вероятность экстренной эвакуации экипажа в корабле с пробитым бытовым отсеком - 21,59%. Предложены мероприятия по дальнейшему снижению риска катастрофических последствий пробоя путем введения системы оперативного определения координат места пробоя в состав бортовых систем, а также использования экипажем кислородных масок при проведении спасательных операций.
Международная космическая станция, российский сегмент мкс, метеороид, космический мусор, экранная защитная конструкция, вероятность пробоя, вероятность катастрофических последствий пробоя
Короткий адрес: https://sciup.org/143172157
IDR: 143172157 | УДК: 629.78.015.4.023-758.36:620.17 | DOI: 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-4-65-76
Analysis of consequences of structural damage to the ISS Russian segment caused by collision with space debris
Under the conditions of increasing littering in the near-Earth space, a quantitative estimate of the criticality of consequences of the ISS penetration with fragments of space debris is a necessary tool when developing measures to recover from the contingency related to the penetration. The ISS Russian Segment (RS) is mostly susceptible to penetration due to the fact that it includes transportation spacecraft, which have weaker shielding as compared with the station modules. In connection with this, there arises a problem of determining the degree of criticality for penetration of the pressure hull of the modules, transportation spacecraft, propellant tanks and bottles in the RS taking into account possible types of catastrophic consequences of the penetration and the distribution of the penetration risk over the modules and the transportation spacecraft. In order to solve the problem, a procedure was developed for calculating the risks of a catastrophic penetration of the station, based on breaking up the original problem into two stages. Calculated during the first stage is the probability of penetration of individual compartments constituting the station and having a certain type of shielding protection, using a finite-element geometrical model of the station and a model of the technogenic environment. The obtained results are used during the second stage of calculation of the catastrophic penetration probability using statistic test method (Monte-Carlo method). This method uses a model of the ISS RS consisting of compartments with simplified shapes (cylinders and truncated cones), which makes it possible to simplify the procedure for obtaining a random penetration location and reduce the time needed to obtain statistically valid results. Based on the procedure presented in the paper, a program was developed, which is used for calculating the probability of catastrophic consequences of the ISS RS penetration. Analysis of calculation results has shown that the relative probability of a catastrophic penetration accompanied by the loss of the crew and/or the station is 13,3%; probability of emergency crew evacuation because of the threat of hypoxia is 3,716%; probability of emergency crew evacuation in a spacecraft with a punctured orbital module is 21,59%. The paper proposes steps that need to be taken in order to further reduce the risk of catastrophic consequences of the penetration through including into onboard systems the subsystem for promptly determining coordinates of the penetration location, as well as the use of oxygen masks by the crew during recovery operations.
Список литературы Анализ последствий повреждения конструкции Российского сегмента МКС, вызванного столкновением с осколком космического мусора
- SSP41163, Russian Segment Specification, International Space Station Program, Revision J, 28 November 2008.
- SSP50094, Объединенный документ NASA/РКА по спецификациям и стандартам для Российского сегмента МКС. Программа Международной космической станции. Редакция А. 20 июня 1997 г.
- Preservation of Near-Earth Space for Future Generations / Edited by John A. Simpson. University of Chicago, Department of Physics and Enrico Fermi Institute. Cambridge University Press. 1994.
- Orbital Debris, a Technical Assessment / National Research Council, National Academic Press, 1995.
- Bjorkman M.D., Christiansen E.L., Lear D.M. Bumper 3 Software User Manual. NASA/TM2014-218559, October, 2014.
- Соколов В.Г., Горбенко А.В., Афанасьев В.О., Бровкин А.Г. Расчет вероятностных характеристик процесса столкновения космического аппарата с метеороидными и техногенными частицами в околоземном космическом пространстве ("Защита КА"). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616117. 4 июля 2012 г.
- Williamsen J., Blacklock K., Evans H.J., Guay T.D. Quantifying and reducing International Space Station vulnerability following orbital debris penetration // Journal of Spacecraft and Rockets. 1999. January - February. V. 36. № 1. P. 133-141.
- Lutz B.E.P., Goodvin C.J. Catastrophic Failure Modes Assessment of the International Space Station Alpha / Meyer Analytics, Inc., NASA Contractor Report 4720, February 1996.
- Williamsen J.E. Quantifying and Enhancing Space Station Safety Following Orbital Debris Penetration. Презентация для Национального Исследовательского Совета, США, 1996.
- NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM 3.0, User's Guide, NASA/ TP-2014-217370, Johnson Space Center, Houston, Texas, April 2014.
- Половнев А.Л. Определение координат точки пробоя высокоскоростной частицей на борту служебного модуля МКС // Научный вестник МГТУ ГА. 2009. № 56. С. 198-203.
