Виртуальный мир N 1 2014

В.А. Коноваленко

О противометеоритной обороне
(Как предотвратить столкновение Земли с астероидом) 15 февраля прошлого года над южной частью Урала прошёл метеоритный дождь. Один метеорит упал и взорвался в 90 км от Челябинска, мощной взрывной волной выбило стекла в окнах сотен зданий в столице региона и её окрестностях. Почему проблеме стоит уделять повышенное внимание? Нашей Земле постоянно угрожает столкновение с одним из многочисленных астероидов или комет, которые в огромном количестве блуждают по просторам Солнечной системы. Разумеется, вероятность космической катастрофы очень невелика, однако она далеко не нулевая – в прошлом Земли уже происходили катаклизмы, приведшие к серьёзным изменениям флоры и фауны планеты. Астрономы на сегодняшний день обнаружили множество метеоритов, траектория движения которых пересекается или сближается на опасное расстояние с Землёй. Наиболее сильные опасения связаны с астероидом Apophis – этот объект размером около 270 метров имеет вероятность один к 45 000 встретиться с Землей в 2036 году.

На первый взгляд проблема не выглядит очень сложной – многие трудности сегодня разрешаются при помощи бомб, и самым простым методом избавиться от метеорита является взрыв атомной или водородной бомбы, который должен разрушить небесное тело. Но в этом случае образуется множество более мелких обломков, которые пусть и причинят меньший ущерб, всё же остаются небезопасными для обитателей нашей планеты. Тем более, что их траектории после взрыва практически непредсказуема. Поэтому следует искать такие методы, которые, сохранив опасный объект в целости, изменят его траекторию.

Таких методов уже предложено несколько. Одним из них может быть «удар болванкой» – попадание в астероид массивным телом, обладающим строго определённым импульсом. Правда, для астероида, соизмеримого с Апофисом, «болванка» должна быть довольно большой. Об этом способе мы уже публиковали (в ВМ № 2 2008г.) статью А.И. Азарова «Ледяной «Антиастероид-2008», в которой автор с целью экономии средств предлагал способ заблаговременного «намораживания» на орбите массивного ледяного тела, которое в нужный момент направляется навстречу астероиду. Предложенный в этой статье способ дешевле запуска «болванки» с Земли, но, тем не менее всё-таки очень дорог.

Другим способом небольшого изменения направления вектора скорости объекта может быть ядерный взрыв на некотором расстоянии от поверхности астероида. Для поиска оптимального варианта изменения траектории движения небесного тела астрономы Национальной Лаборатории Лоренса в Ливерморе, Калифорния, смоделировали ядерный взрыв в непосредственной близости от метеорита около километра в диаметре. Мощность взрыва оценивалась в 100 килотонн в тротиловом эквиваленте, а расстояние до объекта составляло около 250 метров.

В результате подобной операции скорость движения метеорита увеличилась на 6,5 мм в секунду – очень небольшое значение, но, учитывая космические расстояния, достаточное для отведения угрозы от Земли. Следующим направлением изучения стала возможность изменения направления движения небесного тела гораздо меньшим по силе взрывом – мощность взрывчатки решено снизить до одной килотонны, а расстояние уменьшить до одного метра от объекта. Такой подход означает значительное упрощение миссии, а следовательно, бо'льшие шансы на успех.

Общим недостатком этих методов является невозможность корректировки последствий. Удар «болванкой» может оказаться не центральным (не говоря уж о промахе). В этом случае большая часть её энергии истратится на вращение астероида, а не на изменение его скорости, ядерный взрыв при реальной форме астероида тоже может дать неожиданный эффект.

Было предложено также доставить на астероид реактивный двигатель, выхлопом которого можно управлять с Земли. В этом случае по ходу дела можно вносить коррективы, но элементарный расчёт, который здесь не имеет смысла приводить, показывает, что даже при использовании в качестве рабочего тела материала самого астероида и ядерного реактора в качестве источника энергии потребуется реактор, много мощнее существующих (не говоря уж о проблемах его доставки на астероид и мягкой посадки).

Но вариант с реактором позволяет переформулировать задачу: по сути необходимо доставить на астероид достаточное количество энергии, которая будет переводить в высокоскоростной поток газа материал астероида в нужной точке его поверхности так, чтобы реакция этого потока должным образом меняла скорость небесного тела. Такой способ тоже уже был предложен: светить в определённую точку астероида мощным лазером. Беда только в том, что лазеров нужной мощности люди пока не умеют делать.

Однако, положение не безнадёжно. В ВМ № 2 2012г. была опубликована статья «Управление вектором тяги солнечного паруса», изложенная в которой идея может быть применена для воздействия на астероид. Предложенная в этой статье конструкция (рис. 1) собирает падающее на параболический солнечный парус излучение, формирует практически параллельный пучок и посредством управляемого плоского зеркала направляет его в нужную точку. Конструкция обеспечивает также оптимльную ориентацию паруса на Солнце.

Рис. 1. Схема солнечного парусника с управляемым вектором тяги.
На рисунке синим цветом показан «рангоут» парусника, красным – светоотражающие плёнки, 1 – основной парус, 2 – формирующее пучок параболическое зеркало, 3 – управляемое плоское зеркало, 4 – корпус корабля, 5 – зеркальное кольцо-стабилизатор. Эта конструкция была предложена в качестве движителя для космических зондов, однако, если увеличить массу корпуса и поместить такую конструкцию в одну из точек Лагранжа системы Земля-Луна, мы получим стационарное антиастероидное оружие длительного действия, которое будет облучать астероид мощным потоком даровой энергии, испаряя его вещество и меняя траекторию. Наиболее перспективны для этого точки Лагранжа L₄ и L₅, именно там «мёртвые зоны», создаваемые Землёй и Луной, минимальны.

Пояснение. Точки Лагранжа представляют собой частный случай решения т. н. ограниченной задачи трёх тел – когда орбиты всех тел являются круговыми и масса одного из них намного меньше массы любого из двух других. В этом случае можно считать, что два массивных тела обращаются вокруг их общего центра масс с постоянной угловой скоростью. В пространстве вокруг них существуют пять точек, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой может оставаться неподвижным во вращающейся системе отсчёта, связанной с массивными телами. В этих точках гравитационные силы, действующие на малое тело, уравновешиваются центробежной силой. Расположение точек Лагранжа (в том числе, и для системы Земля-Луна) показано на рис. 2:

Рис. 2. Точки Лагранжа. Три из пяти точек Лагранжа расположены на одной оси, соединяющей два тела. Точка L₃ лежит на прямой, соединяющей два тела с массами M₁ и M₂ (M₁ > M₂), и находится за телом с большей массой. Если на основе линии, соединяющей оба тела системы, построить два равносторонних треугольника, две вершины которых соответствуют центрам тел M₁ и M₂, то точки L₄ и L₅ будут соответствовать положению третьих вершин этих треугольников, расположенных в плоскости орбиты второго тела в 60 градусах впереди и позади него.

Рис. 3. Гравитационное ускорение в точке L₄ Наличие этих точек и их высокая стабильность обусловливается тем, что, поскольку расстояния до двух тел в этих точках одинаковы, то силы притяжения со стороны двух массивных тел соотносятся в той же пропорции, что их массы, и таким образом результирующая сила направлена на барицентр системы; кроме того, геометрия треугольника сил подтверждает, что результирующее ускорение связано с расстоянием до барицентра той же пропорцией, что и для двух массивных тел.

В оглавление