Фотометрические наблюдения искусственных небесных тел тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГ6 од

О Л Г'-";"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени П.К.Штернберга

На правах рукописи

СМИРНОВ Михаил Александрович

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ

Специальность 01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА -1995

Работа выполнена в Институте Астрономии РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.В.Емельянов доктор физико-математических наук Г.Б.Шоломицкий

доктор технических наук

З.Н.Хуторовский

Ведущая организация: АКЦ ФИАН РАН

Защита состоится

......у/7

1995 г. в

мин,

на заседании диссертационного совета Д.053.05.51 Московского Государственного университета им. М. В. Ломоносова. (119899, Москва Университетский проспект 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга МГУ. (Москва Университетский проспект 13)

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физ.-мат. наук

Л.Н.Бондаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В 1957 году, после запуска первого искусственного спутника Земли появился новый класс небесных объектов - искусственные небесные тела (ИНТ), которые, как и естественные небесные тела, изучаются астрономическими методами.

Пока искусственных спутников Земли было запущено небольшое количество траекторные наблюдения позволяли осуществлять контроль за поведением ИНТ исключительно на основе координатной информации. При увеличении количества объектов, запущенных на близкие орбиты, за время между двумя последующими позиционными наблюдениями ИНТ может изменить свою орбиту под действием возмущающих сил настолько, что возникает необходимость в привлечении дополнительной информации для отождествления (опознавания) наблюдаемых объектов.

Большинство ИНТ имеет малые узловые размеры и сравнительно невысокую яркость, поэтому естественно применять для их исследования методы наблюдательной астрономии, накопившей огромный опыт дистанционного исследования космических объектов различной природы. Особенность видимого движения ИНТ, заключающаяся и наличии широкого интервала угловых скоростей, в движении по достаточно сложным траекториям и в возможности проведения маневров в космосе, требует соответствующей модификации методой наблюдательной астрономии, применяемых для решения специфических задач спутниковой астрономии. Кроме того , ИНТ имеют форму, подчас настолько отличную от естественных небесных тел, что их яркость меняется во времени существенно нерегулярно.

Настоящая диссертация посвящена исследованию фотометрическими методами искусственных спутников Земли, определению их формы, ориентации и отражательных свойств их поверхности. Также исследована эволюция орбит высокоорбитальных ИНТ на интервале 500 лет под воздействием светового давления, определяемого из фотометрических свойств объектов.

Актуальность темы. Фотометрические наблюдения дают возможность по характеру изменений блеска спутника определить те факторы, которые эти изменения вызвали. Нами выделены следующие основные задачи, решаемые с помощью фотометрических наблюдений:

1. Отождествление спутников.

2. Определение ориентации оси вращения спутника и угловой скорости его вращения вокруг центра масс.

3. Изучение формы отражающей поверхности спутника.

4. Изучение отражательных свойств поверхности спутника и их изменений с течением времени.

5. Определение некоторых геофизических п раметров.

6. Построение модели давления светового излучения на спутник.

Решение перечисленных задач необходимо при организации служб

контроля околоземного космического пространства для прикладных и научных целей. Начало создания таких служб было связано с вопросами обороны, сейчас приобретает все большее значение международно-правовой режим использования космического пространства. Кроме того, решение задач, перечисленных в п.п.2-4 используются для контроля функционирования космических аппаратов в дополнение к телеметрической информации (или при ее отсутствии).

В настоящее время, а связи с накоплением огромного количества

прекративших функционировать спутников, фрагментов и обломков разрушившихся спутников и верхних ступеней ракет-носителей, появляется интерес и реальная потребность исследовать рукотворный "мусор" в околоземном космическом пространстве. Фотометрические наблюдения дают при этом весьма существенные результаты.

Точный учет светового давления стал необходимым при более точном вычислении орбит геодезических спутников, а также орбит спутников, используемых как "астромеггрические" реперы при определении параметров вращения Земли и решении других задач астрометрии. Исследование долговременного влияния светового давления позволяет понять эволюцию рукотворного облака объектов на околоземных орбитах как для целей фундаментального изучения экологии околоземного космического пространства, так и для обеспечения безопасности космических полетов от столкновения с искусственными объектами и их фрагментами.

Цели работы:

- дать описание наблюдаемых фотометрических и спектральных •характеристик ИНТ;

- провести исследование возможности применения астрофизических методов анализа информации об ИНТ;

- разработать наиболее адекватные для ИНТ методы и средства астрофизических наблюдений наземными оптическими средствами;

- сформулировать и решить обратную фотометрическую задачу определения формы, свойств поверхности и ориентации ИНТ по их фотометрическим и спектральным наблюдениям;

- провести исследование возможности определения вектора силы светового давления солнечной радиации на ИНТ по наземным

фотометрическим наблюдениям;

- исследовать эволюцию объектов на высоких околоземных орбитах, изменяющихся под возмущающим действием светового давления на длительных интервалах времени.

Новизна н научная ценность работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана теория, позволяющая описать фотометрические и других некоординатные характеристики ПИТ полем рассеяния света его поверхностью и выявления структурных детален поля рассеяния.

2. Разработана и внедрена методика получения некоординатной информации по наземным оптическим наблюдениям ИНТ.

3. Разработаны требования к светоприемной аппаратуре для наиболее эффективного получения некоординатной информации об ИНТ. Изготовлены и внедрены специализированные фотометр, спектрограф и телевизионная установка для наблюдений геостационарных спутников.

4. Проведены фотометрические и спектраль ые наблюдения ряда геостационарных спутников.

5. Модернизирована постановка обратной фотометрической задачи определения формы, отражательных свойств поверхности и ориентации объектов в применении к геостационарным спутникам.

6. Впервые разработан и внедрен метод определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств его поверхности по фотометрическим и спектральным наблюдениям при отсутствии априорной информации об объекте. Получена оценка формы, ориентации и отражательных свойств поверхности ряда избранных геосинхронных спутников типа Интелсат 4, Интелсат 5, Интелсат 6 и Транстейдж.

7. Предложен новый метод определения давления рассеянно/! поверхностью ИНТ солнечной радиации по фотометрическим наблюдениям. Впервые по наблюдаемым фотометрическим параметрам построена теория эволюции орбит высокоорбитальных ИНТ под воздействием солнечной радиации на интервале времени 500 лет.

Практическая ценность работы состоит в следующем: ■ •

1. Разработана и внедрена методика проведения фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ с целью определения их формы, отражательных свойств поверхности и ориентации.

2. Созданы специальные приборы для проведения фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ, защищенные патентами.

3. Определена форма, отражательные свойства поверхности и ориентация 9 геостационарных спутников по проведенным при участии автора фотометрическим наблюдениям.

4. Создзна теория учета светового давления на эволюцию орбш высокоорбитальных ИНТ с параметрами, определяемыми из фотометрических наблюдений объектов.

На заяшту выносится;

!. Методика описания фотометрических и других некоординатных характеристик ИНТ полем рассеяния света его поверхностью и выявления структурных деталей этого поля.

2. Способ получения некоординатной информации по наземным оптическим наблюдениям ИНТ, требования, предъявляемые к светоприемной аппаратуре и проведению наблюдений.

3. Метод определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств его поверхности по результатам фотометрических и спектральных наблюдений.

4. Теория длительной по времени эволюции орбит высокоорбитальных ИНТ, под действием давления солнечной радиации, основанная на параметрах, определяемым из фотометрических наблюдений, а также метод получения этих параметров.

Аппробацня работы.

Основные результаты диссертации докладывались на:

Международном сипозиуме SPIE Оптическая техника и светопри-емники для аэрокосмических исследований (1993, Орландо, США), международных семинарах по проблеме экологии космического пространства в Москве (1992 ИКИ РАН, 1993 ЦНИИМАШ), рабочей группе программы COGEOS Европейского космического агенства (1990. Грасс, Франция), на Всесоюзных совещаниях по проблемам наблюдений высокоорбитальных спутников Земли для решения научных и прикладных задач в Алма-Ате (1986), Иркутске (1987), Суздале (1988), Ашхабаде (1989), Ужгороде (1990), Екатеринбурге (1991), Зеленчуке (1993), Звенигороде (1994). Результаты исследований обсуждались на научном семинаре по наблюдениям искусственных спутников Земли в ИНАСАН (1981-1994), на научных семинарах Института астрофизики АН Таджикистана (1986-1990), Крымской астрофизической обсерватории (1992-1994). >

По теме диссертации опубликовано 27 научных статей и сделано 3 изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 164 страницы "текста, 39 рисунков, 4 таблицы. Список цитированной литературы сосГОИГШ^54 Наименований.

СОД ЕРЖАНИ Е РА БОТЫ.

Во введении рассмотрена научная проблема исследования искусственных космических объектов астрономическими методами. Сформулирована научная задача, рассмотренная диссертантом. Рассмотрены основные цели и задачи фотометрических наблюдений ИН Г. Представлены основные научные результаты диссертации.

В первой главе дан аналитический обзор опубликованных работ, связанных с фотометрическими наблюдениями ИНТ и методами анализа некоординатной информации с целью идентификации объект», определения их формы и ориентации. Сформулирован метод представления наблюденных фотометрических характеристик как поле рассеяния света поверхностью ИНТ. Под полем рассеяния света поверхностью объекта в объектоцентрической системе координат понимается функция двух векторных переменных - направления на Солнце и направление на наблюдателя. Рассмотрены основные свойства поля рассеяния и методы анализа наблюденной информации.

Во второй главе рассмотрена постановка прямой и обратной фотометрических задач. Яркость света, отраженного от наблюдаемого тела, зависит от пространственного распределения источников спета, взаимного расположения источников света, наблюдателя и изучаемою тела, а также от формы и свойств его поверхности. При этом должны быть учтены затенения источников света или наблюдателя элементами рассматриваемого тела. Если источник света не единственный, го необходимо взять сумму по всем источникам.

Основным источником освещения ИНТ является Солнце, которое для объектов, находящихся в окрестностях Земли, имеет видимый дна-

метр 0.5 градуса. Вторым по значению источником освещения ИНГ является отраженный от Земли свет. Для низкоорбитальных спутников вклад подсветки Землей может быть весьма значительным и достигать десятков процентов [1]. Но даже для высокоорбитальных спутников, в частности для геостационарных, вклад подсветки Землей не всегда пренебрежимо мал. Используя аппроксимацию яркости геостационарных спутников вне противостояний, получено, что подсветка Землей составляет 1 -4% для фазовых углов 70-90 градусов. Другие источники подсветки ( Луна и др.) практически несущественны и могут учитываться только в специальных случаях (спутники Луны, например).

Элементарная площадка поверхности, может освещаться не только первичным источником, но и светом, отраженным от других элементов данного тела. Проведенная автором оценка показала, что вклад самоподсветки составляет 1-10%. Для учета самоподсветки при анализе фотометрических наблюдений необходимо знание априорной информации о форме объекта. В противном случае вклад самоподсветки следует считать шумом, приводящим к невозможности выявления деталей, дающих вклад в яркость меньший 10%.

Интегрирование по поверхности тела • света, рассеянного элементарными площадками, производится только по незатенениой и незагороженной ее части. Как затенение, так и загораживание могу ! быть определены из фотометрическтх наблюдений по предложенной автором методике. Но, из-за неопределенности знания самоподсветкн, вклад затенений и загораживаний может быть учтен: с. точностью до неопределенности в самоподсветке, т.е. до 10%.

Таким образом, следует разделять решение задачи определения формы объекта по фотометрическим наблюдениям на ее решение, при от-

сутствии априорной информации о форме объекта и при наличии такой информации. В последнем случае задачей является не определение формы объекта, а уточнение уже известной формы.

Требования к наблюдениям для решения этих двух задач исследования формы оказываются различными. Для определения формы при отсутствии информации об объекте необходимо как можно более широкое определение поля рассеяния по угловым координатам, с высоким временным разрешением при ограниченных требованиях к точности наблюдательных данных (точность 10-15% достаточна). Тогда как для уточнения известной в первом приближении формы объекта требуются наблюдения избранных участков поля рассеяния, как правило с меньшим временным разрешением, но с большей фотометрической точностью.

Фотометрические наблюдения искусственных небесных тел с помощью астрономических инструментов, которые поведены автором в рамках решения поставленных задач имеют целый ряд особенностей. Остановимся на основных:

- Космические объекты движутся среди звезд. Это вызывает изменение яркости фона и затрудняет использование звезд сравнения вблизи исследуемого объекта. Через рабочую диафрагму фотометра проходи I звезды. Необходимы специальные методы учета этого эффекта.

- При наблюдениях ЙНТ возможны быстрые, в том числе непериодические, изменения яркости объекта, до 10 звездных величин и более в течение нескольких минут. Это накладывает требование обеспечения очень большого динамического диапазона светоприемной аппаратуры. При многоцветных и спектральных наблюдениях ИНГ, из-за возможных быстрых изменений блеска, необходимо производить

регистрацию одновременно во всех длинах волн.

- Для анализа фотометрических, спектральных и поляриметрических наблюдений ИНТ необходимо знание точного положения исследуемого объекта как по угловым координатам, так и по расстоянию до него от наблюдателя. Поэтому одновременно с астрофизическим исследованием ИНТ должны проводиться и позиционные наблюдения, для уточнения его геометрического положения.

В Институте астрономии РАН при участии автора были разработаны и изготовлены специальные приборы для проведения фотометрических и спектральных исследований геостационарных спутников:

- Фотометр с пульсирующим полем зрения. В одноканальном фотометре используется диафрагма поля, площадь которой периодически изменяется со временем. Измерение изменений регистрируемого потока, вызванных модуляцией площади диафрагмы поля, позволяет определить яркость фона неба и учесть прохождения звезд поля через диафрагму без потери информации о яркости наблюдаемого объекта.

- Бесщелевые спектрографы: а) зафокальный, собранный по схеме Уодсворда; б) афокальный бесщелевой спектрограф,.разработанный специально для спектральных наблюдений -ИНТ, состоящий из плосковогнутой и плосковыпуклой линз и прозрачной фазовой решетки между ними

- Для позиционных и фотометрических наблюдений ГСС и элементов космического мусора на 1-метровом телескопе ИНАСАН в Симеизе (Крым) в 1992 году была установлена цифровая телевизионная система, разработанная и изготовленная при участии автора.

В 1982-94 гг. в ИНАСАН при участии автора проводились фотометрические и спектральные наблюдения ГСС:

Наблюдения с электрофотометром с пульсирующим полем зрения проводились на 60-сантиметровом телескопе в Симеизской обсерватории с 1990 г. и 76-сантиметровом телескопе в Хелуане (АРЕ) в 1990 г Получено 46 кривых блеска 7 ГСС в интегральном свете и в широкополосной фотометрической системе B,V.

В 1982-85 гг при участии автора проводились телевизионные наблюдения на телескопе МТМ-500 Крымской астрофизической обсерватории в системе.В,УД. Получено 48 кривых блеска 9 ГСС.

Начиная с 1989 года фотометрические наблюдения в интегральном свете проводились на гибридной телевизионной установке на 1 -метровом телескопе в Симеизской обсерватории.Получено 37 кривых блеска

9 ГСС.

Спектральные наблюдения ГСС проводились в 1986-87 годах на 60-сантиметровом телескопе Симеизской обсерватории. Получено свыше 550 спектров четырех ГСС.

Фотометрическая калибровка проводилась по стандартам в звездных скоплениях и полях на угловом расстоянии не превышающем 5-7 -градусов от исследуемого спутника. При этом выбирались звезды, имеющие показатели цвета близкие к показателям цвета исследуемых спутников и перекрывающие диапазон их изменений в течении наблюдательной ночи. Для каждой калибровки использовалось от 3 до

10 звезд. Атмосферная экстинкция учитывалась методом Никонова. Калибровка и определение экстннкцни проводились несколько раз в ночь. Временное разрешение составляло от 0.1 секунды до 4 минут.

В третьей главе рассмотрено решение обратной задачи определения формы, ориентации и отражательных свойств поверхности ИНТ по фотометрическим наблюдениям.

Автором рассмотрена задача определения формы объекта и его ориентации в отсутствии априорной информации. Для высокоорбитальных ИНТ рассматривается только первый порядок рассеяния солнечного света, эффектами подсветки Землей и самоподсветки оказалось возможным пренебречь. Учитывая, что угловой диаметр Солнца мал (0.5 градуса) , ин+егрирование по телесному углу источника света заменено использованием среднего значения. В этом случае вы-раженйе для наблюдаемой яркости объекта примет вид:

к = ¡/х(г,*,"№ (I)

Векторные аргументы функции А(г ,п) зависят от координат . Солнца <а„, Б„), координат направления на наблюдателя (а,,, 8„), параметров, характеризующих ориентацию и вращение объекта (а„. 5,„, Т), а также от формы объекта {"„(х). Вид функции /к(г ,3 ,п) зависит от индикатрисы рассеяния Г(Г„(х)) элементами поверхности объекта, а также имеет функциональную зависимость от функции Г,0,х), которая аписывает возможное наличие или отсутствие изменений взаимного расположения деталей конструкции объекта С течением времени. Поскольку интегрирование ведется по незатененной и незагороженной части поверхности, то область интегрирования имеет функциональную зависимость от формы объекта 1"0.

Таким образом, выражение (1) представляет собой нелинейный функционал от:

известных функций а„(0, 5о(0, а„0), 5„(0 ориентации объекта а„ 6И, Т неизвестны^ функций Г.(1.x), Г0(х), Г(Г0(х)

Основными видами индикатрис рассеяния являются диффузное рассеяние и зеркальное отражение. Для материалов, используемых при конструировании космических аппаратов, более характерны либо элементарные индикатрисы рассеяния, либо их комбинации (для материалов, имеющих фактуру). Все перечисленные виды индикатрис рассеяния (за исключением несимметричных индикатрис рассеяния, не являющихся комбинациями элементарных законов рассеяния) являются инвариантными относительно перестановки векторов * и ,. Инвариантным относительно перестановки этих двух векторов является так же затенение и загораживание (при замене вектора г на г происходит смена затенения на загораживание и наоборот). Таким образом 1х(а0,6., а„, 8„) = ^(а,,, б„, а„, 5„).

Поля рассеяния от тел простой формы, имеющих элементарные индикатрисы рассеяния, хорошо известны [2]. В дополнение к зеркально отражающей плоскости нами введено понятие квазизеркальной плоскости - то есть слегка волнистой плоской поверхности, рассеивающей свет с максимумом интенсивности в направлении зеркально отраженного луча и с полушириной \у падения яркости при угловом удалении от этого направления.

Неизвестную нам форму спутника можно представить в виде совокупности тел простой формы с различными площадями, ориентация ми и индикатрисами рассеяния. Затенения и загораживания получаются при некотором размещении этих тел в пространстве. Такой набор элементарных тел с простыми индикатрисами рассеяния (назовем их элементами конструкции), размещенных в пространстве, сведенный в односвязную область, будем называть приближенным решением обратной фотометрической задачи при отсутствии априорной

информации.

При наличии внутренних движений у элементов конструкции, непрерывно двигающихся относительно других элементов, мы считаем, что значения параметров, характеризующих ориентацию и вращение, т.е. а„, Б„, Т, различными для разных наборов элементов. Дискретное изменении ориентации некоторых элементов конструкции приведет к кажущемуся увеличению числа элементов конструкции.

При фотометрических наблюдениях можно получить лишь часть всего поля рассеяния, так как далеко не все комбинации направлений на Солнце и на наблюдателя реализуются при движении ИНТ. Ограниченное число наблюдений, равно как и ограниченная точность наблюдений, приводит к необходимости минимизировать число параметров, характеризующих форму объекта.

При анализе фотометрических наблюдений ИНТ с целью определения их формы возникает вопрос о выделении из наблюдений интервалов, на которых имеется или отсутствует затенение или загораживание. Так же представляет интерес возможность выявления .бликов зеркаль-ного отражения. Поскольку поле рассеяния определяется из наблюдений как набор кривых блеска, являющихся сечениями поля рассеяния, а сами кривые блеска представляют собой функции одной переменной (времени), то элементы конструкции спутника и их взаимосвязь выделяются по следующим деталям кривых блеска: изолированный экстремум короткой длительности, скачек яркости, излом кривой блеска.

Все изменения яркости являются непрерывными и происходят не мгновенно. Минимальным временным интервалом изменений яркости, даже при блике зеркального отражения, является величина т = (1/720)1*

(где Р - период вращения объекта). Минимальное время изменения яркости будет большим т при отражении от квазизеркальной поверхности (на реальных спутниках идеальных зеркал практически не бывает, все зеркально отражающие поверхности имеют конечную ширину расходимости отраженного луча).

Используя фазовые функции для тел простой формы, и учитывая, что минимальное изменение яркости при изменении фазового угла должно превышать 10%, получаем, что величина минимально значимого изменения фазовых углов для диффузно рассеивающих поверхностей составляет 0.05 • 0.2 радиана для различных индикатрис рассеяния. При частичном затенении также можно оценить минимально значимое изменение фазового угла. Оно составляет 0.05-0.2 радиана, как и в случае диффузно рассеивающих поверхностей.

Таким образом, можно ввести несколько характерных изменений фазового угла, при которых изменяются различные компоненты рассеянного спутником света:

ДФа = т =0.0093 - минимальное изменение фазового угла, обусловленное коиечностыо углового диаметра Солнца;

ДФ, = (1-5)т = 0.01-0.05 (ЛФ,я0.04) - диапазон изменений фазовых углов, при которых изменения яркости происходят при отражении от зеркальных или квазизеркальных поверхностей;

ДФ, = 0.05-0.2 (ДФг»0.1) - минимальное изменение фазового угла, при котором изменения яркости происходят при отражении от диф-фузнорассеивающих поверхностей и при затенениях (загораживаниях) одного элемента конструкции спутника другим;

(0.05-0.2)<ДФ3<(я/4) г полный диапазон изменений фазовых углов, при которых изменения яркости происходят при отражении от

диффузных поверхностей и при затенениях (загораживаниях) одного элемента конструкции спутника другим;

ДФ4=я/2 - при таком изменении фазового угла происходят изменения условий видимости и невидимости диффузно рассеивающих поверхностей.

Возвращаясь к деталям кривых блеска перечисленным выше имеем:

- изолированные экстремумы и скачки яркости имеют характерную длительность при изменениях фазового угла в пределах ДФ,;

- изломы кривой блеска имеют характерную длительность при изменениях фазового угла в пределах ДФ,.

При анализе кривых блеска вращающихся спутников вместо изменений фазового угла необходимо использовать изменения угла падения и угла отражения от поверхности элемента конструкции спутника.

При анализе фотометрических наблюдений ИНТ возникает вопрос о вращении объекта вокруг центра .масс. Определение периодов изменений блеска ИНТ существенно отличаются от .аналогичных исследований в случае наблюдений астрономических объектов. Как-уже отмечалось выше, при изменении фазового угла могут существенно измениться условия освещенности ИНТ, поэтому для гармонического анализа необходимо использовать участки кривой блеска, для которых фазовый угол изменяется на величину не превышающую ДФ2«0.1 радиана. Сведение всей кривой блеска к одному периоду невозможно из-за отличия изменений яркости на одном периоде при изменении фазового угла на величину, превышающую ДФ,. Большинство существующих методов определении ориентации спутников в значительной степени опираются на знание формы объектов. Автором предложен еще один метод определения

ориентации вращающихся спутников, в существенно меньшей степени зависящий от априорно принятой формы объекта. Предполагается наличие одной оси симметрии. (Если гело имеет более чем одну ось симметрии то изменения блеска не обязательны периодические.)

Для ряда геостационарных спутников проведено определемм" формы на основе полученных фотометрических наблюдений. Это спутники тип:! Интелсат 5(81050 А. 32097 А, 83103 А, 85027 Д).

ГСС 81050А

Схематический вид определенной по наблюдениям формы спутника 81050А представлен на рис. 1. На рис. 2 представлен вид спутника Интелсат 5 из [3].

Проведено определение формы спутников типа Интелсат 6 (89006 А, 89087 А, 90056 А) и Интелсат 4А (78035 А).

Было проведено исследование геосинхронного спутника 68081Е (Транстейдж 13). В 1992 году произошло разрушение этого объекта, запущенного в 1968 году [4J. Он представляет собой верхнюю ступень

Рис.!. Восстановленный вид

Рис.2. Вид ГСС Интелсат 5

ракеты-носителя Тнтан-3 для вывода полезной нагрузки на геостационарную орбиту. Проведенное фотометрическое исследование показало, что взорвавшаяся верхняя ступень Транс*ейдж имеет форму вытянутого тела с дырой с рваными краями на боковой поверхности. Имеется частично загораживающая один из торцов деталь. Ось вращения и ось вытянутости перпендикулярны.

Выявленная из анализа фотометрических наблюдений деталь, частично загораживающая (затеняющая) один и: торцов объекта представляет, по всей видимости, совокупность деталей на одном из торцов, асимметрично расположенных по отношению к оси вытянутости.

Во время разрушения объекта 68081Е в начале 1992 года [4] произошло скачкообразное изменение элементов его орбиты. Проведенный анализ изменения орбиты показал, что разрушение объекта Титан-Транстейдж 13 произошло, наиболее вероятно, следующим образом:

В момент времени, в который значение аргумента широты и = 270° (что соответствует значению истинной аномалии V = 200°) произошел взрыв остатков топлива и окислителя с выбросом около 30 кг газов из объекта и энергией взрыва 1.3,„14 эрг (эквивалентно взрыву 31.7 кг тринитротолуола).. При таком взрыве' существенные разрушения корпуса весьма вероятны (стенки корпуса - алпюминий толщиной около 2 мм). Вектор импульса выброшенных газов проходил вблизи центра масс объекта, поэтому разрушения корпуса скорее всего произошли на боковой поверхности объекта вблизи центра масс, что соответствует определенному по фотометрическим наблюдениям виду объекта после его разрушения.

В четвертой главе рассмотрено воздействие давления солнечно/'! радиации на эволюцию орбит высокоорбитальных спутников Земли на длительных интервалах времени.

Известно, что наибольшее влияние на движение ГСС оказывает гравитационное поле Земли. Гравитационные возмущения от Луны и Солнца влияют главным образом на ориентацию орбиты ГС'С стпосите.тно экватора, вызывая долгопериодическне изменения наклона и долготы восходящего узла.

Световое давление является основным возмущающим фактором негравитационного типа. Для ГСС с ст/т = 0.1 см1/г (а - мнделево сечение, т - масса) оно вызывает возмущающее ускорение в 1000 раз меньшее возмущающего воздействия полярного сжатия Земли и в 5 раз меньшее влияния эллиптичности земного экватора. Учет светового воздействия сталкивается со значительными трудностями, так как спутники имеют весьма сложную форму. Кроме того, для оценки влияния светового давления существенным является точное знание ориентации объекта.

Световое давление, действующее на спутник, слагается из ряда составляющих. Вектор силы светового давления является суммой векторов отдельных компонент:

а. Давление прямого падающего света, направлено« по вектору распространения солнечной радиации. Величина этого давления определяется миделевмм сечением спутника (а) и значением солнечной постоянной А„ в районе расположения ГСС;

б. Сила, вызываемая вектором Умопа-Пойнтиига (эффект Пойн-тинга-Робсртсоиа). Сила действует навстречу движению спутника:

в. Давление солнечного света, рассеянного поверхностью ГСС. Ве-

личина этого давления пропорциональна коэффициенту отражения поверхности спутника, его миделеву сечению и солнечной постоянной. Величина давления зависит от вида индикатрисы рассеяния света поверхностью объекта;

г. Давление света, отраженного поверхностью Земли и собственного инфракрасного излучения Земли.

д. Давление рассеянного поверхностью ГСС излучения, идущего от Земли.

е. Давление собственного инфракрасного излучения поверхности спутника (эффект Ярковского).

Исследовав каждую из этих компонент, диссертант пришел к выводу, что основной вклад в эволюцию орбит ГСС на длительных интервалах времени дают прямое солнечное излучение н излучение, рассеянное поверхностью объекта солнечного света.

Влияние прямого солнечного давления хорошо известно. Оно не приводит к изменениям большой полуоси орбиты на интервалах времени, существенно превышающих длительность одного года. Эффект Пойнтинга-Робертсона, приводящий к таким изменениям, крайне мал. Давление излучения, рассеянного поверхность спутника обычно учитывается или как добавка к прямому световому давлению, пропорциональная коэффициенту отражения спутника, или вычисляется на основе известной формы и распределения коэффициента отражения по ■ поверхности. В случае несовпадения вектора силы рассеянного излучения С направлением вектора прямого солнечного давления возможно появление долгопериодических и вековых изменений большой полуоси орбиты спутника. Вычисление эффекта возможно только для объектов достаточно простой формы.

Кроме того, отражательные свойства поверхности спутников изменяются со временем под влиянием факторов, связанных с воздействием космического пространства на качество поверхности спутника. Автором предложен метод определения нз фотометрических наблюдений поля рассеяния объекта силы светового давления, вызванной рассеянным излучением на поверхности спутника.

Вектор -V эффективного направления силы деления рассеянного излучения света в экваториальных геоцентрических координатах запишется в виде:

Поле рассеяния солнечного света поверхностью спутника 1(1 ,г) является функцией 4-х переменных - двух координат направления на

Поскольку поле рассеяния обладает свойством инвариантности относительно перестановки первою и второго векторных аргументов, то, вводя переменные р а-а„ и q = 8-80,компоненты вектора я, можно выразить через величины этих переменных: *

i

солнце и двух координат направления рассеянного излучения.

В, = ff J(p,q)sin(q)dpdq В2 = J(p,q)cos(q)dpciq В3 = ff J(p,q)sin(2q)dpdq B4 = § J(p,q)coi 2q)dpdq

B6 = $ J(p,q)cos(p)dp

B, = fj J(p,q)sin(p)sin(2q)dpdq

B, = $ J(p,q)sin(p)cos(2q)dpdq

В1 = # .1(р,9)зт(р)с1рая В,0 = $ ,1(р,я)со5(р)со$(2ч)(1рск|

Эти 10 величии В, - В10 полностью характеризуют поле рассеяния солнечного света и используются для вычисления вектора давления света, рассеянного поверхностью спутника.

Такой подход к описанию силы давления света, рассеянного поверхностью объекта, применен впервые при изучении возмущений в движении небесных тел, вызванных световым давлением , и впервые описан в настоящей диссертации. Этот подход привел к разработке осредненной теории эволюции орбиты ГСС под действием указанной силы, суть которой заключается в следующем.

Подставляя полученную величину я, получаем выражения для проекций возмущающей силы, которые и подставляем в дифференциальные уравнения, описывающие изменения элементов орбиты со временем. Проводя осредненне правых частей уравнений движения на одном обороте спутника .получаем, что в правых частях осредненных уравнений имеются члены, приводящие к появлению долгопериоди-ческих и вековых изменении большой полуоси орбиты, эксцентриситета и наклона орбиты. Причем эти изменения в большой полуоси орбиты и эксцентриситете происходят даже для круговой орбиты (е = 0).

По фотометрическим наблюдениям геостационарных спутников были получены поля рассеяния солнечного света поверхностью с полнотой, достаточной для определения вектора силы рассеянного излучения для 5 объектов (ГСС 81050А, 81069А, 85015А, 85087А, 89006А). Для этих объектов были вычислены коэффициенты В, - В,0, используемые для вычисления эволюции орбит. Была вычислена ' эволюция большой полуоси орбиты, эксцентриситета и наклона

орбнты на интервале 500 лет для 5 модельных спутников, имеющих наблюденные поля рассеяния, отношение эффективной площади миделева сечения к массе у них приравнивалось к единице, а начальные элементы орбиты задавались как П = ю = 1 = 0; е = 0.0003. Помимо светового давления были учтены возмущения от второй зональной гармоники геопотенциала (ее влияние на долготу восходящего узла н пргумент перигея) и влияние градиентов "гравитационного поля Луны и Солнца на эволюцию наклона орбиты и ориентацию плоскисш орбиты [5]. Влияние светового давления наиболее существенно для эволюции большой полуоси орбиты (для которой отсутствует вековое изменение под воздействием гравитационных сил). Влияние светового давления на эксцентриситет и наклон орбиты существенно меньше, чем влияние гравитационных эффектов. На рисунке 3 приведена эволюция большой полуоси орбиты на интервале 500 лет для этих 5 объектов.

Из рисунка 3 видно, что для всех объектов происходит веконое уменьшение большой полуоси орбиты.

Спутники, переставшие активно работать, перестают поддерживать постоянную ориентацию. Если асимметрия поля рассеяния происходит за счет постоянной по отношению к Солнцу ориентации, то при вращении объекта вокруг центра масс поле рассеяния будет симметризо-ваться и коэффициенты В, с нечетными индексами будут равны нолю, что приведет к резкому уменьшению векового воздействия светового давления на большую полуось орбиты. Если же асимметрия поля рассеяния вызвана свойствами отражающих поверхностей конструкции спутника, то и при вращении объекта вокруг центра масс асимметрия поля рассеяния света сохранится.

о -■so .100 -1S0 я -200

<0

-250 -300 -350 •400

I 1 I

\,

-etoso

--81069

----istts

--85087

--69006

1 . 4

100

200

300

400

500

year

Рис. 3. Эволюция большой полуоси орбиты для модельных геосинхронных спутников на ннтер- ,

вале 500 лет. Начальные элементы орбиты: £2 = а> = 0,.е = 0.0003, а = 42164 км. Отношение площади эффективной поверхности отражения к массе равно 1.

Сравнение результатов рассчетов эволюции орбиты ГСС 81069А (Радуга 9) с изменениями большой полуоси орбит однотипных спутников (Радуга-2,3,4,5,6,10) на интервале 1988-94 гг. (по [6]) показало согласие в пределах ошибок. Среднегодовое изменение большой полуоси орбиты 0.041 ± 0.031 км/год согласуегся с моделью при отношении площади эффективной поверхности рассеяния к массе

1:20.8, что в пределах ошибок согласуется с приведенными в [7] характеристиками спутников типа "Радуга". Поскольку поле рассеяния геостационарного спутника 81069А было получено в период его активной работы, а после 1988 года данный объект перестал активно функционировать, то асимметрию его поля рассеяния следует связывать с особенностями отражения света поверхностью, так как постоянная ориентации а период 1988-94 гг че поддерживалась.

Для подавляющего большинства искусственных спутников Земли отношение эффективной площади миделева сечения к массе лежит в диапазоне 0.1 - 1 см'/г. Поэтому вековые изменения высоты орбиты для высокоорбитальных спутников сравнительно. невелики и такие спутники будут занимать примерно один и тот же объем околоземного космического пространства в течение длительного периода времени. Но при разрушении космических аппаратов в результате как внутренних так и внешних причин, образующиеся фрагменты имеют гораздо большее отношение эффективной площади миделева сечения к массе -до 10 - 100 см!/г. Как видно из рисунка 3, световое давление будег оказывать существенное влияние на вековую эволюцию большой полуоси орбиты таких фрагментов, изменение которой может достигать нескольких километров в год, что приведет к заметному изменению пространственного распределения элементов космическою мусора. Это значит, что вековые изменения высот орбит должны учитываться не только для низкоорбитального космического мусора, но и для высокоорбитальиого тоже.

В заключении приведены основные результаты работы.

Литература.

1. Emmons R.H., Rogers Jv.C.L., Preski R.J. Photometric observation* of artificial satellites for determining optical and phujical characteristics. // Astron. J., 1967, V. 72, P. 939-944.

2. McCue G.A., Williams J.G., Morford J.M. Optical characteristics of artificial satellites. // Planet. Sp. Sci., 1971, V. 19, P. 851-868.

3. Carpara G. The complete encyclopedia of space satellites., Portland House, New York, 1986, 219 pp.

4. Kessler D.J. Orbital debris environment. // Proc. of the First European Conf. on Space Debris, ESA, 1993, p. 251-262.

5. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике (под ред. Г.Н.Дубошина)., М., Наука, 1976,862 с.

6. LOG of objects near the geostationary ring, ESOC, Darmstadt, 19881994, issue 1-13.

7. Johnson N.L. The Soviet year in space 1990., Teledyne Brown Engeneering, Colorado Springs, 1991,171 pp.

Основное содержание диссертации изложено в 27 статьях и 3 патентах. В публикациях перечисление авторов в алфавитном порядке.

1. Ерпылев Н.П., Смирнов М.А. Наблюдения геостационарных спутников в зеркально отраженном свете. // Письма в Асгрон. журн.. 1983, т. 9, с. 181-183.

2. Багров А.В., Павленко Е.П., Прокофьева В.В., Смирнов М.А. Наблюдения зеркального отражения от геостационарного спутника. // Асгрон.циркуляр, 1983, N 1286, с. 3-4.

3. Абраменко А.Н., Павленко Е.П., Прокофьева В.В., Северный

С.А., Смирнов М.А. Многоцветная фотометрия геостационарных спутников. II Письма в астрон. журн., 1983. т. 9, с. 376-380.

4. Багров A.B., Смирнов М.А. Распределение энергии в спектрс ИНТ. // Астрон. циркуляр, 1984, N 1327, с. 7-8.

5. Абраменко А.Н., Багров A.B., Прокофьева В.В., Смирнов М.А. Телевизионный спектрограф. //Астрон. циркуляр, 1987, N 1464, с. 3-5.

6. Багров Л.В., Смирнов М.А - Определение формы небесных тел по фотометрическим наблюдениям.// Научи, информ. Астрой, совета Ali СССР, .198«, вып. 58, с. 152-161.

7. Северный С.А., Смирнов М.А., Багров A.B. Определение формы искусственного спутника Земли по фотометрическим иаб-людениям. // Научи, информ. Астрон.совета АН СССР, 1986, вып. 58, с. 103-106.

8. Багров A.B., Смирнов М.А. Спектральные наблюдения геостационарного спутника в Симеизе. // Астрон. циркуляр, 1987, N 1478, с. 3-5.

9. Багров A.B., Смирнов М.А. Спектральные наблюдения геостационарных спутников. // Набл. ИНТ, 1987, вып. 83, с. 8-22.

10. Багров A.B., Смирнов М.А. Методика фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ. // Научн. информ. Астрон. совета АН СССР, 1987, вып. 64, с. 15-20.

11. Микиша A.M., Смирнов М.А. Определение вектора давления солнечного света на ИНТ по фотометрическим наблюдениям. // Астрон. Журн., 1990, т. 67, с. 1095-1108.

12. Багров A.B., Гангнус П.А., Ерпылев Н.П., Канторович Б.II.. Медведев В.Н., Никифорова Е.Б., Папушев П.Г., Рычкова СВ.. Смирнов М.А., Соболевский В.Д. - Базисные фотометрические и спектральные наблюдения геостационарных спутников. // Набл. ИН Г,

1990, вып. 85. с. 3-7.

13. Багров A.B., Микиша A.M., Рыхлова Л.В., Смирнов М.А. Геодинамические исследования на основе позиционных и фотометрических наблюдений геостационарных спутников. Предложения по программе. II Набл. ИНТ, 1990, вып. 85, с. 99-104.

14. Микиша A.M., Смирнов М.А. Оптимизация режимов работы светопрнемников, используемых для решения задачи обнаружения новых астрономических объектов. И Научи, информ. Ин-та астрономии АН СССР, 1991, вып. 69, с. 24-30.

15. Багров A.B., Ерпылев Н.П., Микиша A.M., Рыхлова Л.В.. Смирнов М.А., Сочилина A.C. Экспериментальная геодинамика: наблюдения геостационарных ИСЗ. // Научи, информ. И и-и» астрономии АН СССР, 1991, вып. 69, с. 35-51.

16. Багров A.B., Смирнов М.А. Поле рассеяния солнечного светя поверхностью ИНТ. II Научи, информ. Ин-та астрономии АН СССР.

1991, вып. 69, с. 51-64. "

17. Микиша A.M., Смирнов М.А., Сочилина A.C. Использование геостационарных. спутников для решения задач геодинамики. // Актуальные проблемы геодинамики (ред. А.Г.Масевич), М., Наука, 1991, с. 140-149.

18. Багров A.B., Смирнов М.А. Некоординатные наблюдения искусственных космических объектов. II Проблема загрязнения космоса ( Космический мусор ) (ред. А.Г.Масевич), М., Космосинформ, 1993, с. 58-70.

19. Микиша A.M., ■ Смирнов М.А. Вековая эволюция высокоорбитальных космических' объектов под воздействием светового давления. // Проблема загрязнения космоса ( Космический

мусор ) (ред. А.Г.Масевич), М., Космосинформ, 1993, с. 126-142.

20. Bakhligaraev N.S., Mikisha A.M., Rykhlova L.V., Smirnov M.A.. Finogenov i.A. Investigations of Space Debris ground based optical observations problems. // Proc. SP1E, Space Debris Detection and Mitigation. 1993, v. 1951, p. 2-9.

21. Bakhtigaraev N.S., Mikisha A.M., Rykhlova L.V., Smirnov М.Л., Finogenov i,A. I he ie>uU» of l!;c geostationary satellites observations and theoretical investigations. // Proc. of the Int. Workshop on Techniques for Cooperative International Satellite Orbit Determination and Maintenance (ed. Nazarenko A., Nagl L., Knowles S.), Kaman, Colorado Sprigs, 1993.

22. Багров А.В., Гангнус П.А., Ерпылев Н.П., Кокурин Л.Ю., Крючков С.В., Смирнов М.А., Финогенов И.А. Гибридная телевизионная установка для позиционных и фотометрических наблюдений. // Набл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 1-5.

23. Багров А.В., Ерпылев Н.П., Смирнов М.А. Астрометрическая редукция результатов позиционных наблюдений геостационарных спутников телескопом с малым полем зрения. Алгоритм "Астрема". // Набл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 5-17.

24. Смирнов М.А. Определение формы спутника Транстейдж. И Набл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 17-19.

25. Смирнов М.А., Микиша A.M. Вековая эволюция либрациониых ГСС. // Набл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 19-21.

26. Багров А.В., Ерпылев Н.П., Смирнов М.А. Методика проведения координатных наблюдений ИСЗ на телескопе с малым полем зрения // Нобл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 21-27.

27. Гангнус П.А., Смирнов М.А. Обработка фотометрических наблюдений геостационарных спутников с целью определения их формы.

// Набл. ИНТ, 1994, вып. 88, с. 27-31.

28. Багров A.B., Смирнов М.А. Афокальный бесщелевой спектрограф. И Патент СССР N 1226077, М., 1984.

29. Багров A.B., Смирнов М.А. Одноканальный фотометр для наблюдений астрономических объектов. // Патент СССР N 1318803, М., 1986.

30. Багров A.B., Смирнов М.А. Афокальный бесщелевой спектрограф. Н Патент Российской федерации N 2018791, М.,1990.