ГОСТ Р 25645.167-2005 - Космическая среда (естественная и искусственная). Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в космическом пространстве

ГОСТ Р 25645.167-2005

Группа Т27

ОКС 07.040

Дата введения 2006-01-01

     Цели и принципы стандартизации, а также правила разработки и утверждения Российских национальных стандартов установлены Федеральным законом “О техническом регулировании” от 27.12.02 N 184-ФЗ

    Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием “Научный центр космических информационных систем и технологий наблюдений” (ФГУП ЦНК) и Федеральным государственным унитарным предприятием “Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации” (ФГУП ВНИИстандарт)

2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 февраля 2005 г. N 11-ст

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


     Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в указателе “Национальные стандарты”, а текст изменений - в информационных указателях “Национальные стандарты”. В случае пересмотра или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в информационном указателе “Национальные стандарты”

1 Область применения

     Настоящий стандарт устанавливает модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества размером более 0,1 см на удалении от поверхности Земли от 200 до 2000 км в произвольный момент времени с 2000 по 2025 г.

     Стандарт предназначен для:

     - использования в расчетах при определении условий функционирования и полета космических аппаратов в околоземном пространстве;

     - разработки мероприятий по обеспечению экологической безопасности при создании и эксплуатации орбитальных средств;

     - обоснования и оценки эффективности мероприятий и рекомендаций, направленных на ослабление антропогенного воздействия на космическую среду;

     - обоснования параметров и условий применения наземной и бортовой аппаратуры, предназначенной для измерения характеристик техногенного вещества в околоземном космическом пространстве.

2 Нормативные ссылки

     В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующий стандарт:

     ГОСТ 25645.103-84 Условия физические космического пространства. Термины и определения

     Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов по указателю “Национальные стандарты”, составленному по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяют в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 околоземное космическое пространство: По ГОСТ 25645.103.

3.2 космический объект; КО: Тело искусственного происхождения, находящееся в околоземном пространстве.

3.3 каталогизированный космический объект: Космический объект размером более 10-30 см, включенный в каталоги сопровождаемых объектов систем контроля космического пространства или других служб и организаций.

3.4 некаталогизированный космический объект: Космический объект размером, как правило, менее 10-30 см, образовавшийся в процессе или после прекращения функционирования орбитальных средств в околоземном пространстве и не включенный в каталоги сопровождаемых объектов.

3.5 техногенное вещество: Совокупность каталогизированных и некаталогизированных космических объектов техногенного происхождения, находящихся в околоземном пространстве.

3.6 концентрация техногенного вещества: Среднее число КО в единице объема (в окрестности фиксированной точки) околоземного пространства.

3.7 поток техногенного вещества: Среднее число КО, проходящих в единицу времени через некоторую заданную поверхность.

3.8 плотность потока техногенного вещества: Поток через сферическую поверхность единичного сечения.

3.9 статистические характеристики скорости техногенного вещества: Функции распределения и числовые характеристики радиальной и тангенциальной составляющих скорости КО, а также возможных направлений тангенциальной составляющей скорости в околоземном пространстве.

3.10 относительная скорость сближающихся космических объектов: Векторная разность скоростей некоторого произвольного и заданного КО в момент их максимального сближения.

3.11 средняя относительная скорость: Среднее значение относительной скорости, полученное усреднением относительных скоростей всех КО в окрестности траектории заданного КО (произвольный КО участвует в усреднении один раз).

3.12 средняя скорость возможных столкновений: Среднее значение относительной скорости, полученное усреднением относительных скоростей всех КО, с которыми может столкнуться заданный КО, т.е. усреднением по множеству возможных столкновений.

3.13 коэффициент технической политики: Показатель интенсивности образования техногенного вещества в интервале прогноза, определяемый отношением числа ежегодно образующихся космических объектов в интервале прогноза (после 2000 г.) к соответствующей средней оценке за время с 1990 по 2000 г.

4 Сокращения и обозначения

4.1 В настоящем стандарте применяют следующие сокращения:

     КО - космический объект;

     КА - космический аппарат;

     ОКП - околоземное космическое пространство;

4.2 В настоящем стандарте применяют следующие обозначения:

     - высота точки;

     - широта точки;

       - номер диапазона размеров КО;

      - левая граница размеров КО, соответствующая -му диапазону их размеров;

      - концентрация техногенного вещества для -го диапазона размеров КО в зависимости от высоты и широты точки;

     - наклонение плоскости орбиты;

      - тангенциальная составляющая скорости КО (направлена в плоскости орбиты перпендикулярно к радиусу-вектору);

      - среднее значение тангенциальной составляющей скорости, полученное усреднением скоростей всех КО, которые в произвольный момент времени могут находиться на данной высоте;

      - относительная скорость сближающихся КО;

       - угол между тангенциальными составляющими скорости заданного КО и относительной скорости некоторого произвольного КО;

      - статистическая плотность распределения направления тангенциальной составляющей относительной скорости, полученная путем усреднения относительных скоростей всех КО, которые находятся в окрестности траектории заданного КО (произвольный КО участвует в усреднении один раз);

      - статистическая плотность распределения направления тангенциальной составляющей скорости возможных столкновений, полученная усреднением по множеству возможных столкновений;

     - средняя скорость возможных столкновений КА с техногенным веществом;

      - поток техногенного вещества;

     - плотность потока техногенного вещества для -го диапазона размеров КО относительно инерциальной системы координат в зависимости от высоты и широты точки;

      - плотность потока техногенного вещества для -го диапазона размеров КО относительно КА, находящегося на круговой орбите с высотой и наклонением ;

     - среднее число возможных столкновений некоторого заданного КА с КО -го диапазона размеров за время от до ;

      - коэффициент, учитывающий форму и ориентацию рассматриваемого КА;

     , - углы, характеризующие ориентацию заданной оси по отношению к подвижной связанной с рассматриваемым КА системой координат;

      - характерная площадь поперечного сечения КА;

      - функция, учитывающая изменение потока техногенного вещества в интервале прогноза от начального момента до момента времени ;

      - коэффициент технической политики.

5 Общие положения

5.1 В соответствии с моделью пространственно-временного распределения техногенного вещества в околоземном пространстве определяют:

     - плотность потока техногенного вещества относительно инерциальной системы координат в начальный момент времени 2000 г.;

     - плотность потока техногенного вещества относительно КА, движущихся по типовым орбитам, в начальный момент времени 2000 г.;

     - плотность потока техногенного вещества в произвольный момент времени от 2000 до 2025 г.

5.2 Для определения пространственно-временного распределения плотности потока техногенного вещества в околоземном пространстве используют следующие исходные данные:

     - данные систем контроля космического пространства;

     - сведения о разрушении космических аппаратов и ступеней ракет-носителей, а также о выполнении различных операций, предусмотренных программами космических полетов;

     - данные радиолокационных и оптических измерений техногенного вещества;

     - результаты космических экспериментов по определению непосредственного воздействия техногенного вещества на конструкцию КА.

     Примечание - Перечисленные исходные данные используют для настройки математических моделей техногенного вещества. Их точностные характеристики определяются физическими принципами, методами и средствами обнаружения, наблюдения и контроля техногенного вещества в околоземном пространстве.

5.3 Характеристики пространственно-временного распределения техногенного вещества строят на основе данных, перечисленных в 5.2, с помощью математического моделирования техногенного загрязнения околоземного пространства. Точность характеристик пространственно-временного распределения техногенного вещества определяется точностью исходных данных, а также допущениями, применяемыми при математическом моделировании. Основные характеристики компьютерных программ для определения пространственно-временного распределения техногенного вещества приведены в приложении А.

5.4 Характеристики пространственно-временного распределения космических объектов определяют для восьми диапазонов их размеров, приведенных в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Разбиение размеров и средней массы КО на диапазоны

Наимено- вание показателя	Диапазон размеров для
	1	2	3	4	5	6	7	8
Размеры, см	От 0,10 до 0,25	От 0,25 до 0,50	От 0,5 до 1,0	От 1,0 до 2,5	От 2,5 до 5,0	От 5,0 до 10	От 10 до 20	Свыше 20
Средняя масса, кг	0,86·10	0,58·10	0,28·10	0,0018	0,010	0,064	0,363	300
Плотность, г/см	2,5	2,7	2,9	3,1	3,3	3,5	3,7	3,9
Примечание - Диапазон 8 относится к каталогизированным космическим объектам.

5.5 Значения функции , м·год, характеризующей плотность потока космических объектов -го диапазона размеров относительно инерциальной системы координат в зависимости от высоты и широты точки, вычисляют в процессе математического моделирования по формуле

, (1)

где - концентрация космических объектов для -го диапазона размеров в зависимости от высоты и широты точки;

      - средняя тангенциальная составляющая скорости.

5.6 Значения функции , м·год, характеризующей плотность потока космических объектов относительно КА для различных диапазонов размеров КО, определяют для круговых орбит КА в зависимости от высоты и наклонения .

Значения вычисляют в процессе математического моделирования усреднением мгновенных значений плотности потока, определяемых концентрацией КО и их относительной скоростью в различных точках.

5.7 Значения потока за год для космических объектов различных диапазонов размеров относительно КА простой формы определяют по формуле

, (2)

где - коэффициент, учитывающий форму и ориентацию КА;

       - характерная площадь КА, м;

      - соответствующая плотность потока.

     При этом используют допущение, что размеры КА существенно больше размеров КО.

     Значения коэффициента устанавливают для элементов конструкции КА различной формы (цилиндр, конус, панель) в виде функций углов и , характеризующих ориентацию заданной оси по отношению к подвижной, связанной с рассматриваемым КА, системой координат. Для КА сферической формы принимают

,

,

где - диаметр КА, м.

5.8 В связи с тем, что тангенциальная составляющая скорости КО в среднем на порядок больше радиальной, т.е. вектор относительной скорости отклоняется от горизонтальной скорости незначительно, поток КО относительно заданного КА принимают плоским, а направление относительной скорости характеризуют только ее отклонением от тангенциальной составляющей скорости КА . В общем случае в процессе математического моделирования относительную скорость вычисляют как векторную разность скоростей соответственно некоторого произвольного и заданного объектов. Для приближенных вычислений относительной скорости при значениях угла в пределах ±90° применяют формулу

. (3)

Погрешность вычислений по этой формуле в большинстве случаев не превышает 0,5 км/с.

5.9 Статистическую плотность распределения направления тангенциальной составляющей относительной скорости вычисляют в процессе математического моделирования усреднением соответствующих мгновенных значений в различных точках траектории с учетом концентрации техногенного вещества и возможных направлений относительной скорости КО в этих точках.

     Статистическую плотность распределения направления тангенциальной составляющей скорости возможных столкновений процессе математического моделирования вычисляют по формуле

ГОСТ Р 25645.167-2005 Космическая среда (естественная и искусственная). Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в космическом пространстве . (4)

     Применение этой формулы учитывает влияние различного вклада КО с различными относительными скоростями в суммарную оценку плотности потока, при этом реализуется переход к усреднению по множеству возможных столкновений.

     Среднюю скорость возможных столкновений КА с космическими объектами в процессе математического моделирования вычисляют по формуле

. (5)

5.10 Среднее число столкновений КА сферической формы с техногенным веществом разного размера в интервале времени (, ) определяют по формуле

, (6)

где - поток техногенного вещества для -го диапазона размеров;

     (годы) - функция, учитывающая влияние изменения потока техногенного вещества в интервале прогноза от начального момента времени до момента времени .

     Значения функции рассчитывают в зависимости от размеров техногенного вещества, высоты , для которой определены значения потока , а также при различных гипотезах об интенсивности образования техногенного вещества на интервале прогноза, характеризуемых коэффициентом технической политики . Для приближенных расчетов, а также для высот более 1000 км может быть принято приближенное значение . За начальный момент принят 200

0 г.

5.11 Приведенные значения плотности потока техногенного вещества относительно типовых орбит КА не охватывают все возможные виды орбит, например эллиптические орбиты. Поэтому для оценок потока техногенного вещества относительно КА, не рассмотренных в настоящем стандарте, используют математические модели, данные о которых приведены в приложении А.

6 Определение плотности потока техногенного вещества относительно инерциальной системы координат

6.1 При оценке текущей плотности потока КО относительно инерциальной системы координат высоту и широту точки задают дискретно соответственно с шагом 100 км и 5°.

6.2 Средние значения тангенциальной составляющей скорости КО , которые при вычислениях по формуле (1) использовались для определения плотности потока , приведены в таблице 6.1. Эти значения получены усреднением скоростей всех КО заданного диапазона размеров, орбиты которых отличаются высотами, эксцентриситетами и наклонениями.

Таблица 6.1 - Средние значения тангенциальной составляющей скорости

Высота, км	Средняя скорость, км/с, для диапазона размеров
	1	2	3	4	5	6	7	8
250	8,259	8,250	8,241	8,232	8,223	8,214	8,205	8,196
350	8,197	8,188	8,179	8,170	8,161	8,152	8,143	8,134
450	8,137	8,123	8,127	8,103	8,098	8,077	8,086	8,067
550	8,083	8,067	8,061	8,038	8,040	8,017	8,012	8,006
650	8,022	8,011	7,998	7,977	7,973	7,956	7,943	7,951
750	7,977	7,960	7,948	7,931	7,915	7,907	7,894	7,891
850	7,926	7,908	7,888	7,879	7,868	7,854	7,850	7,850
950	7,861	7,845	7,827	7,814	7,810	7,792	7,789	7,797
1050	7,800	7,787	7,768	7,754	7,736	7,730	7,726	7,738
1150	7,739	7,720	7,699	7,689	7,677	7,674	7,665	7,688
1250	7,677	7,655	7,638	7,629	7,623	7,616	7,626	7,648
1350	7,613	7,605	7,581	7,568	7,567	7,566	7,566	7,599
1450	7,578	7,575	7,555	7,543	7,540	7,533	7,533	7,555
1550	7,518	7,504	7,490	7,483	7,474	7,471	7,470	7,490
1650	7,471	7,452	7,446	7,424	7,420	7,404	7,428	7,444
1750	7,405	7,395	7,377	7,363	7,354	7,362	7,361	7,407
1850	7,334	7,324	7,315	7,299	7,296	7,300	7,312	7,357
1950	7,266	7,243	7,244	7,231	7,229	7,238	7,250	7,291

6.3 Плотность потока для объектов различных диапазонов размеров определяют в соответствии с таблицами 6.2-6.9.

Таблица 6.2 - Плотность потока КО размером 0,1-0,25 см (1) относительно инерциальной системы координат

Высота, км

Плотность потока, м·год, для широты

2,5°

7,5°

12,5°

17,5°

22,5°

27,5°

32,7°

37,5°

42,5°

47,7°

52,5°

57,5°

62,5°

67,5°

72,5°

77,5°

82,5°

87,5°

250

1,01Е-3

1,05Е-3

1,13Е-3

1,29Е-3

1,17Е-3

1,05Е-3

1,17Е-3

1,37Е-3

1,45Е-3

1,93Е-3

2,05Е-3

2,18Е-3

1,61Е-3

3,51Е-3

2,82Е-4

350

1,82Е-3

1,89Е-3

2,03Е-3

2,32Е-3

2,11Е-3

1,89Е-3

2,11Е-3

2,47Е-3

2,61Е-3

3,49Е-3

3,70Е-3

3,92Е-3

2,90Е-3

6,32Е-3

5,08Е-4

450

2,61Е-3

2,72Е-3

2,92Е-3

3,34Е-3

3,03Е-3

2,72Е-3

3,03Е-3

3,55Е-3

3,76Е-3

5,01Е-3

5,33Е-3

5,64Е-3

4,18Е-3

9,09Е-3

7,31Е-4

550

6,23Е-3

6,64Е-3

7,16Е-3

8,20Е-3

7,37Е-3

6,43Е-3

6,54Е-3

7,37Е-3

8,72Е-3

9,13Е-3

1,20Е-2

1,29Е-2

1,37Е-2

1,01Е-2

2,21Е-2

1,76Е-3

650

8,75Е-3

9,27Е-3

9,99Е-3

1,14Е-2

1,03Е-2

9,06Е-3

9,17Е-3

1,03Е-2

1,23Е-2

1,28Е-2

1,70Е-2

1,81Е-2

1,93Е-2

1,41Е-2

3,10Е-2

2,47Е-3

750

1,36Е-2

1,37Е-2

1,44Е-2

1,57Е-2

1,79Е-2

1,61Е-2

1,41Е-2

1,43Е-2

1,61Е-2

1,90Е-2

2,00Е-2

2,64Е-2

2,83Е-2

2,99Е-2

2,20Е-2

4,83Е-2

3,79Е-3

850

1,67Е-2

1,68Е-2

1,69Е-2

1,75Е-2

1,85Е-2

2,05Е-2

1,96Е-2

1,92Е-2

2,00Е-2

2,21Е-2

2,51Е-2

2,78Е-2

3,52Е-2

4,49Е-2

4,47Е-2

4,07Е-2

8,04Е-2

1,36Е-2

950

1,92Е-2

1,93Е-2

1,95Е-2

2,01Е-2

2,10Е-2

2,28Е-2

2,25Е-2

2,28Е-2

2,40Е-2

2,62Е-2

2,96Е-2

3,32Е-2

4,15Е-2

5,57Е-2

5,45Е-2

5,23Е-2

1,01Е-1

1,94Е-2

1050

1,59Е-2

1,60Е-2

1,62Е-2

1,66Е-2

1,74Е-2

1,88Е-2

1,87Е-2

1,91Е-2

2,01Е-2

2,20Е-2

2,47Е-2

2,79Е-2

3,47Е-2

4,72Е-2

4,59Е-2

4,45Е-2

8,55Е-2

1,67Е-2

1150

1,23Е-2

1,24Е-2

1,25Е-2

1,29Е-2

1,35Е-2

1,47Е-2

1,45Е-2

1,47Е-2

1,55Е-2

1,69Е-2

1,90Е-2

2,14Е-2

2,67Е-2

3,58Е-2

3,50Е-2

3,35Е-2

6,48Е-2

1,23Е-2

1250

1,02Е-2

1,03Е-2

1,06Е-2

1,12Е-2

1,22Е-2

1,20Е-2

1,27Е-2

1,39Е-2

1,57Е-2

1,75Е-2

2,20Е-2

2,93Е-2

2,87Е-2

2,73Е-2

5,29Е-2

9,95Е-3

1350

1,03Е-2

1,04Е-2

1,05Е-2

1,08Е-2

1,12Е-2

1,22Е-2

1,21Е-2

1,23Е-2

1,31Е-2

1,44Е-2

1,60Е-2

1,82Е-2

2,24Е-2

2,92Е-2

3,44Е-2

3,01Е-2

4,58Е-2

8,50Е-3

1450

1,29Е-2

1,30Е-2

1,31Е-2

1,35Е-2

1,40Е-2

1,49Е-2

1,52Е-2

1,60Е-2

1,71Е-2

1,90Е-2

2,08Е-2

2,40Е-2

2,89Е-2

3,75Е-2

5,30Е-2

4,35Е-2

4,78Е-2

9,24Е-3

1550

1,01Е-2

1,02Е-2

1,03Е-2

1,06Е-2

1,10Е-2

1,17Е-2

1,20Е-2

1,24Е-2

1,33Е-2

1,48Е-2

1,63Е-2

1,88Е-2

2,26Е-2

2,90Е-2

4,13Е-2

3,37Е-2

3,69Е-2

6,95Е-3

1650

6,91Е-3

7,00Е-3

7,19Е-3

7,48Е-3

8,06Е-3

8,34Е-3

8,92Е-3

9,88Е-3

1,09Е-2

1,26Е-2

1,52Е-2

1,93Е-2

2,72Е-2

2,21Е-2

2,46Е-2

4,41Е-3