Одной из наиболее серьезных природных опасностей угрожающих человечеству является угроза катастрофических столкновений с Землей астероидов и ядер комет[1], наличие которой еще раз подтвердило падение Челябинского метеорита. 

Оно так же показало, что в мире отсутствуют не только средства защиты от опасных небесных тел (ОНТ), но и эффективные средства наблюдения, гарантирующие заблаговременное обнаружение подобных объектов и своевременное оповещение о надвигающейся угрозе. Стало ясно, что при нынешней высокой плотности населения и насыщенности Земли потенциально опасными техногенными объектами (атомные, химические и др.), падение (даже небольшого) небесного тела может привести к серьезным человеческим жертвам, а также материальному и экологическому ущербу.

Поскольку подобные события могут произойти в любой момент, то было бы непростительной беспечностью не предпринять мер защиты от этой угрозы. Очевидно, что пришло время для осуществления практической реализации тех многочисленных исследований и разработок по данной проблеме, которые еще более четверти века назад были начаты в СССР [2] и продолжаются сейчас в России и в других странах. Они показали, что в мире существуют все необходимые технологии для создания Системы планетарной защиты от астероидно-кометной опасности. Но для этого необходима консолидация усилий всего международного сообщества. К этому также призывают документы и резолюции многих государственных и международных организаций.

В данной статье приводится краткое изложение некоторых результатов работ по решению проблемы защиты от астероидно-кометной опасности, выполненных Центром планетарной защиты в кооперации с рядом организаций России. Они велись по двум основным направлениям. Первое направление предусматривало разработку методов и средств активной защиты, обеспечивающих отклонение или разрушение ОНТ. Второе - разработку методов и средств пассивной защиты, обеспечивающих снижение ущерба в случае невозможности осуществления активной защиты.

1. Разработка методов и средств активной защиты от ОНТ

Один из возможных вариантов построения Системы планетарной защиты от ОНТ предложен в Концепции создания международной Системы «Цитадель» разработанной Центром планетарной защиты с кооперацией организаций России, Украины и Казахстана [3]. В соответствии с данной Концепцией, Система «Цитадель» должна включать в себя два эшелона:

- эшелон краткосрочного (оперативного) реагирования (ЭКР) «Цитадель-1»;

- эшелон долгосрочного реагирования (ЭДР) «Цитадель-2».

Кроме того, в состав средств активной защиты могут войти вспомогательные (резервные) службы:

- службы региональной защиты на базе средств противоракетной обороны;

- службы прогнозирования районов и последствий падений небесных тел.

Необходимость создания оперативного эшелона обусловлена невозможностью заблаговременного обнаружения всех опасных небесных тел. Подавляющее число этих тел имеют небольшие размеры, что затрудняет их обнаружение. Например, среди астероидов, сближающихся с Землей, примерно 99,9% имеют размеры от десятков до сотен метров. Обнаружение таких объектов наиболее вероятно на подлетной к Земле траектории за несколько дней – месяцев до столкновения. Поэтому для отражения такой космической угрозы нужен ЭКР находящийся в постоянной готовности.

Как показано в работах Defense Against Asteroid Comet Nucleus Dangers - Real Task of Today [4] данный эшелон может быть создан на базе современных технологий в течение 5-7 лет, что обеспечит защиту нашей планеты от астероидной и, частично, кометной опасности.

На базе этого эшелона, в случае необходимости, можно будет достаточно быстро сформировать ЭДР для противодействия крупным небесным телам, обнаруженным за многие годы до столкновения с Землей. Для этого потребуется мобилизация потенциала всех государств, обладающих ракетно-космическими и ядерными средствами. Как это может произойти, можно продемонстрировать на примере организации защиты от гипотетического астероида 2015 PDC. Этот гипотетический астероид был предложен участникам международной конференции PDC 2015 для разработки мер защиты от него.

Предполагалось, что астероид обнаруженный 13 апреля 2015 г., столкнется с Землей 3 сентября 2022 г.

Первой задачей, которую необходимо решить после обнаружения потенциально опасного астероида, является уточнение его траекторных и физических характеристик. Наиболее эффективным способом решения этой задачи будет запуск к нему космического аппарата-разведчика.

КА-разведчик малого класса предназначен для изучения опасных небесных тел. При его создании предполагается использование самых современных достижений мировой космонавтики. Это позволит создать КА с минимальными габаритными и массовыми характеристиками (массой около 100-200 кг) [4].

При сближении с ОНТ, с помощью комплекса патрульной аппаратуры КА-разведчик должен обеспечить получение сведений, необходимых для построения инженерной модели опасного астероида. На основе полученной информации будет уточнена схема перехвата и воздействия на ОНТ.

Если бы ЭКР был бы уже создан к моменту обнаружения 2015 PDC, то можно было бы запустить КА-разведчики не дожидаясь оптимальной даты запуска. Так, например, оценки показывают, что при использовании ракет-носителей типа Протон, Ариан 5 и ряда других, КА-разведчики могли бы быть запущен в районе 01 июля 2015 г. и пролететь вблизи астероида примерно 30 декабря 2016 г.. Таким образом, у нас был бы существенный резерв времени для принятия оптимального решения по защите от 2015 PDC, если бы подтвердилась реальность его столкновения с Землей.

При пролете астероида будут получены все необходимые данные для оптимального выбора средств воздействия. Для воздействия на опасные объекты рассматривается множество вариантов технических средств. Наиболее эффективными средствами воздействия на опасные небесные тела при оперативном перехвате являются ядерные и кинетические средства [5-7]. Они позволяют, при использовании современных средств выведения, разрушать астероиды размером около 500 м и отклонять более крупные небесные тела.

Для запуска КА-перехватчиков оптимальным временем будет конец 2018 г. Энергия запуска этих аппаратов составит 15-20 км22, Это позволит запустить КА массой около 4 000 кг при использовании РН типа Протон, Atlas V, и ряда других [8]. При этом масса ядерного устройства составит около 1000 кг [4], а его мощность – 1-2 Мт [5].

В зависимости от типа ядерного взрыва (приповерхностный, контактный или заглубленный), импульс, передаваемый астероиду, может составлять от 109 до 1013 кг м/с для 1 Mт [5]. Если принять диаметр астероида 2015 PDC равным 500 м. а его плотность 2,7 кг/м3, то его масса составит 1,8 1011 кг. В этом случае, импульс скорости, приобретаемый астероидом при использовании приповерхностного взрыва составит от 5 мм/с до 0,5 м/с, при контактном взрыве – 0,5 м/с, а при заглубленном – от 5 до 50 м/с.

Конечно, тип применяемого ядерного устройства будет выбираться не только исходя из обеспечения требуемого импульса скорости астероиду, но и с учетом необходимости его неразрушения. Для этого, например, могут использоваться несколько последовательных приповерхностных взрывов, обеспечивающих «мягкое» воздействие на астероид.

На рис. 1 представлен возможный вариант траектории перелета КА-перехватчика к астероиду 2015 PDC. Запуск КА возможен 5 октября 2018 г., а прилет 26 апреля 2020 г.

 1 20150924 1391014640

Рис. 1 Траектория перелета КА-перехватчика

При подлете к ОНТ, от КА отделяется модуль перехвата и с помощью корректирующих двигателей направляется на перехват ОНТ. Орбитальный же модуль продолжает движение по пролетной траектории и наблюдает за процессом перехвата, выполняя роль рекогносцировщика.

При выборе требуемого импульса воздействия на астероид необходимо будет учитывать необходимость обеспечения его пролета за пределами радиуса захвата Земли, В случае 2015 PDC, радиус захвата будет приблизительно 9000 км. Поэтому, с учетом некоторого запаса, следует гарантировать отклонение приблизительно 15 000-20 000 км от центра Земли. Расчеты показывают, что для обеспечения такого отклонения, при воздействии 26 апреля 2020 г. необходимо создать импульс скорости 50 мм/с. Это означает, что вполне достаточно приповерхностного ядерного взрыва.

Важно отметить, что любое изменение орбиты опасного тела в целях устранения непосредственной угрозы, может привести к резонансным возвращениям (или нерезонансным сближениям) или даже столкновению в будущем. Эта потенциальная опасность не была исследована в данной работе.

Проведенные оценки показывают реальность организации защиты Земли от астероидов типа 2015 PDC при времени упреждения около 5-7 лет

Результаты исследований позволяют сделать вывод, что российские и зарубежные технологии позволяют приступить к практическим шагам по разработке Международной Системы планетарной защиты от астероидно-кометной опасности. И проект средств активной защиты "Цитадель" может стать первым таким шагом.

 

2. Разработка методов и средств пассивной защиты от ОНТ

Пассивные методы и средства зашиты от ОНТ будут вспомогательными (резервными) компонентами. Они предназначены для подстраховки основных действий,  средствами пассивной защиты в случаях:

- угрозы падения на Землю крупных фрагментов (декаметрового масштаба) разрушенного вблизи Земли объекта;

- малого резерва времени до столкновения объекта с Землей, не позволяющего использовать методику активной защиты для его перехвата.

Для защиты некоторых регионов от таких объектов возможно использование, при соответствующей доработке, перспективных систем ракетно-космической обороны в районах их дислокации.

Поскольку в настоящее время еще не созданы подходящие средства пассивной защиты (СПЗ), то важнейшими задачами становятся научный анализ вероятностей и рисков, а также минимизация ущерба от возможных столкновений. Для смягчения последствий от таких столкновений необходимо заблаговременно определить место, время и энергию взрыва, а также его поражающие факторы и их последствия для населения и территорий. С этой целью должна быть создана Служба прогнозирования районов и последствий падений ОНТ [9,10].

По заданию МЧС России, Центр планетарной защиты совместно с Институтом машиноведения им. Благонравова, Институтом прикладной астрономии РАН, Институтом динамики геосфер РАН, Российским Федеральным Ядерным Центром ВНИИТФ и Центром исследования экстремальных ситуаций провел разработку принципов формирования такой Службы. Важнейшим элементом этой Службы является программно-аппаратный комплекс, объединяющий большое число программ, моделирующих сценарии катастроф, связанных с астероидной и кометной опасностью. Он должен обеспечивать (Рис. 2):

- определение условий входа небесных тел в атмосферу Земли и их характеристик;

- расчет движения в атмосфере и места падения (взрыва);

- оценку мощности взрыва в атмосфере, на поверхности и водной акватории;

- оценку ожидаемых последствий от взрывов на наземную инфраструктуру и биосферу.

 2 20150924 1471649351

Рис. 2. Стадии прогнозирования падений небесных тел

Поскольку астероидно-кометная опасность относится к тем немногим природным факторам, которые можно заранее обнаружить, то это дает возможность службам Министерства по чрезвычайным ситуациям предпринять комплекс мер по минимизации ущерба. К ним относятся эвакуация населения, материальных и культурных ценностей, а также опасных материалов и объектов из ожидаемого района падения ОНТ, при условии, разумеется, его заблаговременного обнаружения и достаточно точного определения его места падения.

Осуществление этих мероприятий возможно только при активной международной кооперации. Представляется, что целесообразно было бы создать два региональных сегмента международной Службы прогнозирования - Евразийскую и Американскую, с соответствующими Центрами прогнозирования. В ее состав должны входить - Космический сегмент наблюдения, наземные оптические и радиолокационные средства, региональные Центры прогнозирования и каналы связи между всеми компонентами Службы. После создания предлагаемой Службы, она станет важным компонентом будущей Системы планетарной защиты.

Ниже представлены результаты количественных оценок уязвимости и возможного ущерба для наземной инфраструктуры и биосферы Земли от поражающих факторов в результате падений гипотетических астероидов, полученные в итоге тестового моделирования с помощью разработанной демонстрационной модели программно-аппаратного комплекса.

В качестве примера приведем оценки последствий падения двух гипотетических астероидов, которые могут упасть на территории Московского региона и Сицилии. Параметры гипотетического астероида, который упадет на территорию Московского региона:

Диаметр астероида - 250 м.

Плотность астероида - 3000 кг/м3

Скорость астероида - 14.861 км/с

Угол встречи - 45º?

Заключительный участок движения ОНТ в атмосфере может завершиться взрывом над поверхностью Земли (по аналогии с Тунгусским взрывом), на ее поверхности или на водной акватории. Он будет сопровождаться широким спектром поражающих факторов – ударная волна, тепловое излучение, сейсмические эффекты, изменение рельефа; образование цунами и др. В демонстрационной модели программно-аппаратного комплекса используются модели двух основных поражающих факторов – ударная волна и сейсмика.

 Ниже приведен пример расчета удара астероида о земную поверхность на территории Московской области. Результаты расчетов показали, что радиус сейсмического поля с интенсивностью от 10 до 6 баллов составит около 200 км (рис. 3). При этом, потери людей от воздействия воздушной ударной волны будут на 3-4 порядка меньше, чем потери людей от сейсмического эффекта удара.

 3 20150924 1403650590

Рисунок 3 –Сейсмическое поле после удара астероида на территории Московского региона

 

На основе результатов моделирования наиболее значимых поражающих факторов от взрывов ОНТ проводится оценка возможных последствий - размера пораженной территории, масштабов разрушений и людских потерь. Для этого осуществляется сопряжение моделей воздействия и законов поражения (разрушения/повреждения). Использование данного методического подхода позволяет оценить последствия взрыва ОНТ для населения и территорий. Результаты оценки возможных последствий для рассматриваемого случая падения астероида приведены на рисунке 4. На нем представлены данные о степени разрушений населенных пунктов на различных расстояниях от точки удара астероида.

 4 20150924 1968942175

Рисунок 4 –Последствия падения астероида на территории Московского региона

В таблице 1 представлены результаты расчета последствий удара астероида, содержащие основные показатели, характеризующие тяжесть поражения людей и нанесенный им ущерб: структуру поражения населения, включающую безвозвратные, санитарные и общие потери. Санитарные поражения людей также разделяют по степени тяжести: легкие, тяжелые, крайне тяжелые.

Таблица 1 – Результаты расчета последствий удара астероида

Медицинская обстановка
Наименование Количество, чел.
Общие потери 1233160-1289010
  Безвозвратные потери 408070-427070
Санитарные потери 825090-861940
включающие:  
крайне тяжелые 195250-207650
тяжелые 209630-222030
легкие 420210-432260

Полученные данные являются основой для рассмотрения и принятия управленческих решений по подготовке и проведению эвакуационных мероприятий, а также проведению спасательных операций и ликвидации последствий ЧС, вызываемых падениями ОНТ. В частности, может быть определена требуемая численность спасателей, медицинского персонала, личного состава аварийно-технических команд, инженерной техники, а также показатели жизнеобеспечения. Так, например, в рассматриваемом случае для проведения спасательных работ необходимо задействовать свыше 500 тысяч человек (табл. 2).

Табл. 2. - Потребные ресурсы для проведения спасательных работ

Наименование формирований Численность, чел
Спасательные механизированные группы 121940-128 510
Звенья ручной разборки завалов 406470-428 380
Первая медицинская помощь 26020-26980
в том числе врачебная 8670-8990
Специализированная медицинская помощь 67480-71620
в том числе врачебная 26990-28650

Для ликвидации последствий катастрофы потребуется около 16000 единиц тяжелой техники, 14000 единиц пожарной и 11000 единиц автомобильной техники, а также множество другой инженерной техники.

Поскольку число лишившихся жилья может составить свыше 3 миллионов человек, понадобятся около 400 000 палаток в летнее время и около 800 000 в зимнее, а также примерно 800 000 отопительных приборов и 25 000 полевых кухонь. Кроме того, потребность в основных продуктах питания и воде составит несколько тысяч тонн в сутки.

Приведенные количественные оценки масштабов катастрофы и необходимых ресурсов для ее ликвидации, конечно, впечатляют. Очевидно, что обеспечение проведения столь масштабной спасательной операции лежит за пределами возможностей одного государства. И это притом, что нами было рассмотрено падение не самого крупного гипотетического астероида. Но даже падения более мелких объектов могут привести к весьма серьезным последствиям.

Рассмотрим, например, падение астероида типа Тунгусского метеорита на Сицилию. Примем следующие параметры этого гипотетического астероида:

Диаметр астероида - 50 м.

Плотность астероида - 2,600 кг/м3

Скорость астероида - 18 км/с

Угол встречи - 45º

В отличие от предыдущего варианта, данный астероид не достигнет поверхности Земли, а взорвется на высоте около 9 километров. Результаты оценки возможных последствий для случая падения такого астероида приведены на рисунке 5. Синим кругом выделена зона возможных безвозвратных потерь, а желтым – зона возможных общих потерь.

 5 20150924 2010869422

Рисунок 5 –Последствия падения астероида на территории Сицилии

 

 

В таблице 3 представлены результаты расчета последствий удара астероида, содержащие основные показатели, характеризующие тяжесть поражения людей и нанесенный им ущерб. Число пострадавших в этой катастрофе может превысить 30 тысяч человек.

Таблица 3 – Результаты расчета последствий удара астероида

Медицинская обстановка
Наименование Количество, чел.
Общие потери 33302
Безвозвратные потери 180
Санитарные потери 33122

Для проведения спасательных работ необходимо задействовать свыше 20 тысяч человек (табл. 4).

Табл. 4. – Требуемые ресурсы для проведения спасательных работ

Наименование формирований Численность, чел
Спасательные механизированные группы 5000
Звенья ручной разборки завалов 16650
Первая медицинская помощь 520
Специализированная медицинская помощь 5520

Для ликвидации последствий катастрофы понадобится около 1000 единиц тяжелой инженерной и автомобильной техники, а также множество другой техники - компрессорных станций, передвижных электростанций и т.д.

Число лишившихся жилья может составить свыше 30 тысяч человек. А это означает, что возникнет необходимость в 1 000 палатках в летнее время и около 2 000 в зимнее, а также примерно в 2 000 отопительных приборах и создания 250ти полевых кухонь. Кроме того, потребность в основных продуктах питания и воде составит несколько десятков тонн в сутки.

Приведенные результаты моделирования возможных последствий падений ОНТ и оценки требуемых сил и средств, необходимых для проведения спасательных операций и ликвидации последствий ЧС, вызываемых этими падениями, показывают серьезность астероидно-кометной опасности и обусловливают необходимость разработки мер по ее предотвращению.

Заключение

 

1. Неожиданное падение Челябинского метеорита показало, что у человечества нет ни эффективных средств надежного обнаружения опасных небесных тел ни, тем более, средств защиты от них. И это притом, что современные технологии позволяют создать средства для обнаружения и защиты от подобных объектов.

2. Результаты моделирования возможных последствий от падений небесных тел показали, что падение даже относительно небольшого объекта на густонаселенной территории может привести к таким тяжелым последствиям, ликвидировать которые будет невозможно усилиями отдельного государства, а небольшие государства могут быть просто сметены с лица Земли.

3. Только непростительной беспечностью можно объяснить то, что, при наличии всех необходимых технологий, до сих пор не предпринято конкретных шагов по созданию Системы планетарной защиты от столь грозной опасности, угрожающей самому существованию человечества.

4. Поскольку очевидно, что Система планетарной защиты должна создаваться усилиями всего человечества, то для осуществления практических шагов по ее созданию необходимо решение лидеров, по крайней мере, ведущих государств мира. Если оно будет принято, Эшелон оперативного реагирования, подобный «Цитадель-1», может быть создан в течение 5-7 лет, что обеспечит гарантированную защиту нашей планеты от астероидной и, частично, кометной опасности.

5. Ожидаемые финансовые затраты будут ничтожно малыми, по сравнению с возможным ущербом от катастрофических падений небесных тел. Оценки показывают, что ежегодные расходы на создание Системы составят около тысячной доли от расходов человечества на вооружение, а по сути - на самоуничтожение. Сократив эти расходы на тысячную долю, мы могли бы получить средства для защиты от одной из самых грозных природных опасностей.

Благодарности

Мы благодарим д-ра Вальтера Хьюбнера за его поддержку и полезные комментарии к данной работе, и нашего коллегу Юрия Юрышева за помощь в редактировании и переводе этой статьи.

Литература

  1. Медведев Ю. Д., Свешников М. Л., Сокольский А. Г., Тимошкова Е. И., Чернетенко Ю. А., Черных Н. С., Шор В. А.. (1996) Астероидно-кометная опасность. Под ред. А. Г. Сокольского. ИТА, МИПАО, С-Пб, 1996. 244 с.
  2. Зайцев А. В. Некоторые принципы построения системы предотвращения столкновений Земли с астероидами и кометами. // Труды XXIII Чтений К. Э. Циолковского (Калуга, 13-16 сентября 1988 г.). Секция "Проблемы ракетной и космической техники". М., ИИЕТ АН СССР, 1989, с. 141-147
  3. Bashilov A. S., Volk I. P., Gofin M. Ja., Zaitsev A. V., Konyukhov S. N., Pobedonostsev К. А., Slyunyaev N. N. (2010). Possible Approaches to Implementation of “Citadel-1” International Planetary Defense System Project. In “Space for Security and Prosperity on the Peoples. Editors: J.-M. Contant and V. A. Menshikov. M.: A.A. Maksimov Space Systems Research Institute. 2010. pp. 154-163
  4. Edited by R. Ragaini. World Scientific.
  5. Koblov P. I., Simonenko V. A., Ivanov Yu. A. et al. Main requirements to nuclear explosive device (NED) to be used in system of Earth protection against asteroids and comets.// Chelyabinsk Scientific Center News, Special Issue "Space Protection of the Earth", 1997, P. 107-110.
  6. Григал П. В., Замышляев Б. В., Комаров А. С., Любимов А. Г., Родионов С. Н., Таранов А. А., Чистов В. Г, (1996). Использование кинетической энергии удара для разрушения астероида. Международная конференция "Космическая защита Земли”, 23-27 сентября 1996 г., Снежинск. Тезисы. с. 79.
  7. Huebner W. F., Boice D. C., Bradley P., Chocron S., Clement R., Ghosh A., Giguere P. T., Goldstein RGuzik., J. A., Johnson L. N., Keady J. J., Mukherjee J., Patrick W., Plesko C., Tapley M., Walker J. D., Weaver R. P., Wohletz K.. (2010). The Engagement Space for Countermeasures Against Potentially Hazardous Objects (PHOs). In “Protecting the Earth against Collisions with Asteroids and Comet Nuclei”. Proceedings of the International Conference "Asteroid-Comet Hazard-2009", A. Finkelstein, W. Huebner, V. Shor (Eds). Saint Petersburg, "Nauka", 2010, pp. 337-346
  8. Regression Analysis of Launch Vehicle Payload Capability for Interplanetary Missions, IAC-10.D2.P06.
  9. A. V. Zaitsev, Yu. I. Zetser, O. M. Kochetova, V. I. Larionov, N. A. Makhutov, O. P. Popova, V. A. Puchkov, V. V. Svetsov, V. A. Simonenko, N. A. Skorkin, A. A. Taranov, Yu. A. Chernetenko, V. A. Shor, V. V. Shuvalov. Forecasting Areas and Consequences of Celestial Bodies’ Falls. Zababakhin Scientific Talks. Abstracts, 2014, P. 26.

Статья подготовлена на основе выступления А. Зайцева на 48-й сессии Международных семинаровпо чрезвычайным ситуациям планетарного масштаба в Эриче (The 48h Session of the International Seminars on Planetary Emergencies Erice) 18 - 25 августа 2015

А. В. Зайцев
НП «Центр планетарной защиты»
О. Д. Бакланов
ОАО «Рособщемаш»
М. А. Козлов, В. И. Ларионов
Центр исследований экстремальных ситуаций
Н. А. Махутов
Рабочая группа «Риски и безопасность» при Президенте РАН
В. А. Пучков, А. А. Таранов
МЧС России
В. А. Шор
Институт прикладной астрономии РАН
  • Комментарии
Загрузка комментариев...