Исследование динамики воздействия поля поражающих элементов на искусственные спутники Земли, отработавшие свой технический ресурс, при их ликвидации

Как известно, ломать — не строить. Однако этот образчик народной мудрости не является универсальной истиной. Во всяком случае, вывести из строя космический аппарат нисколько не легче, чем построить его и вывести на орбиту.
В теории способов вывести из строя космический аппарат (КА) немало, и при наличии неограниченного бюджета многие из них можно реализовать. В годы холодной войны специалисты, находящиеся по обе стороны железного занавеса, исследовали различные средства поражения КА как непосредственным, так и «дистанционным» воздействием. К примеру, экспериментировали с облаками капелек кислоты, чернил, мелких металлических опилок, графита, изучали возможность «ослепления» оптических датчиков наземным лазером. Однако эти способы в основном пригодны для повреждения оптики. Но работе радиолокационного спутника или спутника связи все эти чернила и лазеры нисколько не помешают. Экзотический вариант выведения КА из строя с помощью электромагнитного импульса при космическом ядерном взрыве не рассматривался, поскольку ядерные взрывы в космосе были запрещены в 1963 году международным соглашением. Если же бюджет ограничен, единственным приемлемым способом уничтожения низкоорбитальных аппаратов оказывается кинетический перехват — прямое попадание в спутник-цель или разрушение его облаком поражающих элементов. Однако еще полвека назад такой способ не мог быть реализован, теперь же он является самым подходящим для решения такой задачи.
В современном мире случается нужда уничтожить и свой собственный спутник, потерявший управление, выработавший свой технический ресурс. Такой ИСЗпредставляет собой груду мертвого металла, не реагирующую на команды с Земли. Продолжая летать по неопределенной траектории, спутник создаёт радиопомехи и угрозу столкновения с другими космическими аппаратами. На борту такого спутника может находиться засекреченное оборудование и информация, которая не предназначена для глаз спецслужб за пределами страны. Обычно такие спутники по окончании срока службы затапливаются в глубоководных местах океана, там, где их не смогут обнаружить и достать, но в рассматриваемом случае проблема заключается в том, что управление спутником с Земли потеряно, поэтому невозможно корректировать траекторию вхождения спутника в атмосферу. Это означает, что упасть он может куда угодно. После того, как ИСЗ войдет в атмосферу, он развалится на несколько кусков, большая часть которых сгорит при падении. Однако несколько частей спутника весом несколько сотен килограммов достигнут поверхности планеты. Указать точно район, на который придется этот удар из космоса, очень сложно.Вероятность того, что обломки спутника обрушатся на населенный район, невелика, но, если все же это произойдет, то не исключается гибель людей в результате поражения токсичным газом, образующимся из остатков топлива на основе гидразина. Кроме того, обломки рухнут на территорию какой-либо страны или в океан, "накрыв" зону протяженностью несколько сотен километров. Поэтому необходимо уничтожить спутник до того, как он войдет в плотные слои атмосферы.
Сейчас в мировых средствах массовой информации активнообсуждается неудачный запуск российской автоматической межпланетной станции (АМС) «Фобос-Грунт», который не только ставит под угрозу отечественную программу изучения Красной планеты, но и, по мнению многих экспертов, падение АМС грозит Земле серьезными бедами. Дело в том, что в топливные баки «Фобоса» залито более 12 тонн токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ). После падения обломков аппарата на поверхность планеты это может вызвать экологическую катастрофу.
Хотя надо отметить, спектр экспертных оценок по этому вопросу достаточно широк. Американцы считают, что при вхождении в плотные слои атмосферы токсичное топливо замерзнет, а оказавшись на Земле, вызовет экологическую катастрофу. Российский космический зонд, по их прогнозам, имеет все шансы стать наиболее токсичным из всех когда-либо падавших спутников. В Китае же полагают, что в случае начала падения «Фобоса» находящиеся на АМС токсичные КРТ не будут представлять опасности для Земли, поскольку аппарат взорвется при входе в плотные слои атмосферы. По мнению отечественных специалистов, автоматическая межпланетная станция «Фобос-Грунт» могла превратиться в космического странника и улететь в глубь Солнечной системы. А вращающийся на околоземной орбите объект в настоящее время нельзя точно идентифицировать. Он может быть как межпланетной станцией, полагают специалисты, так и ее маршевой двигательной установкой с топливным баком, которые «Фобос-Грунт» должен был отбросить после выхода на орбиту полета к Марсу. Более того, никакой точной информации о том, где действительно находится автоматическая станция «Фобос-Грунт», в настоящее время нет.
Что же на самом деле вращается сейчас вокруг Земли, предлагается определить опытным путем. Если, проходя плотные слои атмосферы, объект не взорвется, значит, топлива в нем нет. Значит, оно было потрачено на выведение межпланетной станции в неизвестном направлении. Если же произойдет взрыв, то это действительно «Фобос-Грунт». Именно так полагают идентифицировать находящийся в околоземном пространстве объект некоторые отечественные специалисты ракетно-космической отрасли.
По одним данным, автоматическая межпланетная станция медленно снижается. По другим – немного поднялась. В общем, никакой ясности ни по одному из вопросов нет. Хотя отечественная система контроля космического пространства должна дать на все вопросы четкие и однозначные ответы. В первую очередь определить, что же находится на орбите. Необходимые средства для этого имеются. В частности, всеми требуемыми техническими возможностями для распознавания космических объектов располагает отдельный оптико-электронный узел «Окно» (город Нурек, Таджикистан).
А в целом надо отметить, ситуация весьма и весьма неприятная. При наиболее неблагоприятном развитии событий в случае падения АМС на Землю к токсичным компонентам ракетного топлива могут добавиться и крупные несгоревшие в плотных слоях атмосферы ее обломки. Где все это упадет – пока неясно. Хорошо, если это случится в необжитых районах Арктики, на просторах Мирового океана или в малонаселенной пустыне.
Однако может произойти и самое худшее. Обломки станции «Фобос-Грунт» могут угодить в центр мегаполиса, поразить здание (или памятник), являющееся объектом в списке всемирного наследия ЮНЕСКО (или являющееся предметом национальной гордости той или иной страны). Напрочь исключать это никак не следует. А о последствиях не хочется даже и думать. К России могут быть предъявлены многомиллиардные штрафные санкции (это в лучшем случае). Престиж страны, подмоченный в течение последнего времени многочисленными неудачами Роскосмоса, может пострадать при этом еще больше.
Возникает извечный русский вопрос: что же делать? Рассмотрим некоторые возможные ситуации.
Хорошо бы, конечно, в случае подобного неудачного запуска иметь некие спасательные средства. Скажем, запустить в космос многоразовый космический корабль с просторным грузовым отсеком. Сблизиться с «Фобосом», погрузить его с помощью манипуляторов и бригады космонавтов-ремонтников в грузовой отсек, закрепить и приземлиться на одной из авиабаз Центральной России (аэродром должен быть пригоден для приема МКК). Затем тщательно разобраться: что же на самом деле произошло с АМС? Сделать выводы и наказать виновников.
А полет МКК с бригадой ремонтников на борту – не такая уж это и буйная фантастика. Многоразовый космический корабль, как известно, у нас был. И даже совершил один полет. Где он сейчас находится – тоже всем известно. Эта программа была у нас загублена собственными руками – как глупыми политиками, так и недальновидными руководителями отрасли.
Если не получается со снятием с орбиты и ремонтом автоматической межпланетной станции, то проще всего незадачливый «Фобос-Грунт» было бы уничтожить одним из средств противоспутниковой борьбы. И в самом деле, что лучше – крупный скандал с падением АМС или же сбить станцию своими собственными средствами. При этом заявить: «Да, с запуском у нас возникли проблемы, но во избежание куда более неблагоприятного развития событий принято решение уничтожить «Фобос» национальными средствами воздушно-космической обороны».
Напомним, эффективное средство противоспутниковой борьбы у нас тоже было. Это так называемый комплекс «ИС-МУ». В состав системы входили космический аппарат-перехватчик, ракета-носитель, технический и стартовый комплекс для подготовки и запуска КА и РН, наземный командно-вычислительный и измерительный пункт для определения координат КА-цели и перехватчика и передачи команд коррекции на борт. Что примечательно, аппарат-перехватчик был оснащен обычной осколочно-фугасной боевой частью.
ИС запросто бы «снял» «Фобос» с орбиты. Одновременно это явилось бы и демонстрацией военной мощи державы. Однако «ИС-МУ» сейчас находится там же, где и отечественный МКК «Буран». Его погубили в основном две вещи: помешанное на борьбе за мир во всем мире политическое руководство страны и ведомственные разногласия. Политики тормозили развитие системы в опасении обвинений в милитаризации космоса.
К тому же комплекс находился на стыке двух организаций – вида Вооруженных Сил (Войска ПВО) и рода войск (Управление начальника космических средств). Печальную роль в судьбе ИСа в основном сыграла позиция рода войск. Представители последнего в те времена заявляли: «Да что там ИС! Вот мы создадим систему поистине с выдающимися тактико-техническими характеристиками». И регулярно вставляли толстые палки в колеса единственному боеспособному средству противоспутниковой борьбы. В результате политических глупостей и нелепой по своим последствиям внутриведомственной борьбы и ИС сгинул, а новая система так и не появилась. Сейчас и ее название позабыли, а именовалась она «Наряд-В». Дальше презентационных картинок и мультипликации эта система так и не пошла. А свою роль в погибели ИСа отыграла полностью.
«Фобос» запросто могла бы поразить отечественная система противоракетной обороны А-35М. Она (в том числе) была предназначена для обнаружения и уничтожения низкоорбитальных ИСЗ на высотах 120–300 километров с наклонением орбиты 60–120 градусов, проходящих через зону поражения системы. А-35М «в легкую» бы разметала на атомы АМС, поскольку противоракета этой системы была оснащена мощной специальной боевой частью. На 180-й секунде боевого цикла системы А-35М от «Фобоса» остались бы рожки да ножки.
Могут возразить – применять ядерное оружие в мирное время? Но это, может быть, как раз был бы тот случай, на который пришлось бы пойти, предварительно заручившись международной поддержкой. Возможно, решением Совета Безопасности ООН.
Однако в этом случае стоит успокоиться. Рожки и ножки в настоящее время остались от системы ПРО А-35М. Она снята с вооружения еще в далеком 1990 году и утилизирована. То есть варварски разбита, растащена, разграблена. А ведь А-35М представляла собой – и это без всякого преувеличения – шедевр отечественной инженерной мысли и предмет национальной гордости, одно из чудес света.
Система А-35М в определенной степени тоже пала жертвой борьбы за мир во всем мире, а равно как и строгого соблюдения условий Договора по ПРО 1972 года. Правда, чуть позже оказалось, что Договор по ПРО не стоит и бумаги, на которой напечатан. А мы его с таким редким усердием выполняли, что вдребезги разбили одну из лучших отечественных противоракетных систем. Она вполне могла служить и сегодня. Утверждают, что А-35М была не в состоянии работать по СБЦ – сложной баллистической цели. Но зато она прекрасно работала по одиночным (парным) целям. Это со всей очевидностью подтверждают 179 состоявшихся пусков противоракет А-350Р/Ж. А большего от А-35М не стоило и требовать. Но зачем ломать-то ее было? А-35М и в современных условиях не помешала бы. Лучшего средства защиты от одиночных террористических ракетных атак и придумать трудно.
Что еще осталось? Система типа «Контакт» (истребитель МиГ-31Д в качестве носителя ракеты, способной поразить цель в ближнем космосе)? Благополучно уничтожили и ее. Сейчас уже, наверное, и следов «Контакта» не отыскать. Тема, словом, закрыта.
В этом году торжественно объявлено о создании Войск воздушно-космической обороны и назначены соответствующие должностные лица. Теперь осталось совсем немного – оснастить новый род войск соответствующим оружием, способным поражать цели в ближнем космосе.
К великому сожалению, комплекс противоспутниковой борьбы «ИС-МУ» уже не воскресить. Систему противоракетной обороны А-35М к жизни не вернуть. «Контакт» не восстановить. На фоне этих безвозвратных потерь инициативы некоторых политиков о «стратегической обороне Земли» выглядят неубедительно и наивно. Как бы там ни было, надо идти дальше, сделав необходимые выводы. Надо вкладываться в перспективные разработки систем ПРО, в первую очередь – С-500.
«Фобос» в этом случае – всего лишь пример. Сегодня неудача постигла космический аппарат весом чуть более 12,5 тонны, заправленный токсичными КРТ. Завтра опасность может возникнуть от спутника весом на порядок более и с ядерной энергетической установкой. То есть гипотетическая (или вполне реальная?) задача поразить объект в ближнем (да и дальнем) космосе может возникнуть еще не раз. И при самых разных обстоятельствах. Готовиться к этому надо было начинатьеще позавчера[8]. Таким образом, на вооружении России нет противоспутниковой системы, которая могла бы решить реально существующую проблему ликвидации отработавших спутников. Это и есть первая проблема, стоящая перед государством и соответствующими ведомствами.
Так как на вооружении России нет противоспутниковой системы, то в дипломной работе для решения поставленной задачи рассматривается американский противоракетный комплекс GMD.
GMD (Ground-basedMid-courseDefense) – наземная система перехвата баллистических ракет на среднем участке траектории с противоракетами GBI. Главным подрядчиком по ее созданию выступала корпорация Boeing.GBI представляет собой трехступенчатую твердотопливную ракету, размещаемую в подземных шахтах и предназначенную для заатмосферного перехвата. Дальность стрельбы достигает 5000 километров (на испытаниях были получены 5700 км), а досягаемость по высоте – 2000 километров. Противоракета разгоняется до скорости 8,3 км/с, «выбрасывая» в космическое пространство заатмосферный перехватчик EKV (ExoatmosphericKillVehicle), спроектированный компанией Raytheon. Это небольшой искусственный спутник, весящий всего 64 килограмма. Он лишен какого-либо заряда и фактически состоит из инфракрасного телескопа для наведения и миниатюрного жидкостного двигателя для маневрирования. В момент столкновения с целью скорость EKV составляет 7 км/с, а с учетом того, что встречная скорость «в лоб» может достигать 15 км/с, становится ясно, что одной его массы хватит для разрушения любой боеголовки. Однако эффективность системы GMD до сих пор остается под большим вопросом. Всего с 1999 года произведено 16 практических испытаний противоракет GBI, причем лишь восемь из них увенчались успехом. Только 1 сентября 2006 года американцам удалось осуществить первый полностью успешный перехват цели противоракетой GBI по достаточно реалистичному сценарию. Вдобавок оценки эффективности самих перехватчиков не слишком впечатляют: считается, что для гарантированного поражения одной моноблочной баллистической ракеты без ложных целей потребуется в среднем четыре противоракеты GBI, а одной моноблочной баллистической ракеты с большим количеством ложных целей – до 20 противоракет. Высокая стоимость и недостаточная эффективность системы GMD привели к замораживанию ее развития в 2009 году решением администрации президента США Обамы. Из выше изложенного следуют еще две проблемы развития прототипа:
1. Низкая точность наведения перехватчика на цель (большие промахи).
2. Высокая стоимость.
Так как для перехватчика целью в рассматриваемой задаче является спутник, израсходовавший свой технический ресурс, то есть более высокоскоростной объект, чем боеголовка, для обеспечения гарантированного поражения цели необходимо оснастить третью ступень ракеты GBIосколочной боевой частью, то есть добавить к поражающему воздействию перехватчика «hit-to-kill» (англ. «ударить, чтоб убить»)воздействие поля поражающих элементов. Отсюда возникает третья проблема развития прототипа:
3. Выбор конкретной БЧи принципа ее работы, синтез БЧ в GBI.
Эта проблема в отличие от предыдущих двух более актуальна для непосредственных разработчиков, а не для потребителей модернизируемой системы, кем являются государство и Министерство обороны. Однако от успешности решения этой проблемы во многом зависит эффективность, конечный результат, работы всего комплекса.В дипломной работе проводится системное моделирование, целью которого является решение именно этой задачи.

Реферат 4
Список сокращений и обозначений 5
Введение 6
1. Проблемы развития системы GMD 7
2. Изучение системы GMD 15
2.1. Состав и структура GMD 15
2.1.1. Состав системы GMD 15
2.1.2. Структура системы GMD 18
2.2. Функционирование системы GMD во взаимодействии с его внешней средой 20
2.2.1. ВзаимодействиеПРК GMD с внешней средой 20
2.2.2. Функционирование GMD во взаимодействии с внешней средой 22
2.3. Тактико-технические характеристики ПРК GMD 25
2.4. Задачи развития системы GMD 25
3. Функциональные и технические требования 26
3.1. Функциональные требования 28
3.2. Технические требования 28
4. Проектирование модели системы поражения искусственных спутников Земли, выработавших свой технический ресурс, при их ликвидации 29
4.1. Постановка задачи исследования 29
4.2. Анализ задачи моделирования системы ликвидации ИСЗ 29
4.2.1. Модель движения летательных аппаратов 30
4.2.2. Математическая модель поля поражающих элементов 37
4.2.3. Методология решения поставленных задач 40
4.3. Подготовка и анализ исходных данных 64
4.3.1. Характеристики УЛА 64
4.3.2. Характеристики осколков 64
4.3.3. Характеристики НЛА 64
4.3.4. Характеристики взаимного расположения центров масс УЛА и НЛА в начальный момент времени 65
4.3.5. Характеристики траекторий УЛА и НЛА 65
4.4. Анализ результатов исследования 66
5. Системный анализ результатов исследования 72
5.1. Выработка рекомендаций 72
5.2. Дальнейшее развитие выполненных исследований 76
5.3. Вопросы технической реализации результатов исследований 77
6. Проектные решения по развитию системы GMD. Облик модернизированнойсистемы 78
6.1. Методика подготовки проектных решений 78
6.2. Проектные решения 78
6.3. Облик модернизированной системы GMD 79
7. Предварительное тактико-техническое задание на ОКР по развитию системы GMD 81
8. Оценка сроков и стоимости моделирования системы поражения ИСЗ, выработавших свой ресурс 82
8.1. Оценка сроков проведения моделирования системы поражения ИСЗ, выработавших свой ресурс 82
8.1.1. Составление перечня работ 83
8.1.2. Составление сетевой модели программы работ 87
8.1.3. Определение временных параметров работ 87
8.1.4. Рекомендации по оптимизации сетевого графика 94
8.2. Оценка стоимости разработки системы поражения ИСЗ 95
8.2.1. Затраты на оплату труда 95
8.2.2. Определение затрат на материалы 97
8.2.3. Отчисления на социальные нужды 98
8.2.4 Накладные расходы 98
8.2.5. Прочие затраты 99
8.2.6. Смета затрат на проведение исследований 100
8.3. Выводы по разделу 102
9. Обеспечение оптимальных условий труда инженера-программиста при работе на ПК в НИИ 103
9.1. Анализ условий труда инженера-программиста 103
9.1.1. Характеристика рабочего помещения 103
9.1.2. Микроклимат рабочего помещения 105
9.1.3. Электробезопасность 106
9.1.4. Шум и вибрация в рабочем помещении 107
9.1.5. Освещение помещения 108
9.1.6. Эргономические требования к рабочему месту 110
9.2. Выводы по разделу охраны труда 112
Заключение 113
Список использованных источников 115
Приложения 116

В дипломной работе для решения поставленной задачи рассматривается применение американского комплекса GMD (Ground-basedMid-courseDefense) – наземной системы перехвата головных частей и боеголовок межконтинентальных баллистических ракет на заключительной части заатмосферного участка траектории полета с противоракетами GBI.
Ввиду специфики задачи данный прототип необходимо модернизировать. Для этого проводится системное проектирование, целью которого является обеспечение возможности ликвидации низкоорбитальных ИСЗ, израсходовавших свой ресурс.
Результатом выполнения работы являются рекомендации относительно проектирования рассматриваемого комплекса, а так же требования к основным его элементам.

1. А.А. Лебедев. Введение в системный анализ. М.: МАИ, 2001.
2. А.А. Лебедев. Системный анализ. Компьютерный учебник. Кафедра 604, диск, 2004.
3. Е.С. Вентцель. Введение в исследование операций. Изд-во «Советское радио», Москва, 1964.
4. Я.Г. Пановко. Введение в теорию механического удара. Изд-во «Наука», Москва, 1977.
5. Игорь Афанасьев, Андрей Суворов, журнал ВОКРУГ СВЕТА, статья на сайте в интернете - http://galspace.spb.ru/orbita/25.htm
6. А.Белов "Боевые части ракет для поражения воздушных целей", Зарубежное военное обозрение N2, 1987; В.Одинцов " Осколочные боевые части ракет: перспективы развития", Военный парад, июль-август, 1998; Осколочные и осколочно-фугасные боевые части, статья на сайте в интернете - http://rbase.new-factoria.ru/pub/b_ch/oskol_bch.shtml
7. Cистема ПРО территории США, статья на сайте в интернете - http://www.armscontrol.ru/start/rus/basics/midcourse.htm
8. Михаил Ходаренок. Статья «Задача - сбить «Фобос» из газеты «VPK-news». Опубликовано в выпуске № 46 (412) за 23 ноября 2011 года.