Численное и аналитическое исследование условий длительного удержания в окрестности Земли техногенных микрочастиц (промежуточный, 1 этап)

Проект направлен на решение новых задач механики, связанных с исследованием механизмов антропогенного загрязнения ближнего космоса и верхней атмосферы мелкомасштабными орбитальными объектами (МОО) техногенного происхождения. За первый год реализации Проекта разработаны программы численного моделирования движения в ОКП и верхней атмосфере одиночных сферических микрочастиц из различных материалов (алюминий, оксид алюминия, углерод, железо) с размерами от тысячных долей микрона до 100 мкм, учитывающие воздействие на их динамику: центрального гравитационного поля Земли и его возмущений, об условленных полярным сжатием Земли и гравитационным полем Солнца; силы солнечного давления (с учетом эффекта дифракции солнечного излучения на МЧ с радиусами меньшими или порядка 1 мкм); силы сопротивления нейтральной компоненты фонового газа, а также электродинамических сил (для МЧ с размерами менее 0.1 мкм), обусловленных взаимодействием наводимого на МЧ заряда с магнитным и электрическим полями околоземного космического пространства. Проведены численные эксперименты, направленные на определение условий длительного орбитального существования мелкодисперсных частиц с размерами от тысячных долей микрона до 100 мкм, отделяющихся от поверхности крупного орбитального объекта (т.н. материнского тела (МТ)) в результате деградации материала поверхности МТ под действием деструктивных факторов космической среды. Предполагалось, что МТ движется по геостационарной орбите высотой 35786 км, лежащей в плоскости земного экватора. Продукты деградации материала поверхности МТ моделировались сферическими частицами из оксида алюминия с радиусами от 0.5 нм до 100 мкм. Положение точек отделения МЧ от МТ задавалось азимутами точек отделения, отсчитываемыми от направления на точку весеннего равноденствия. Во всех рассмотренных случаях предполагалось, что отделение МЧ от МТ происходит в момент 12.00 UT 18.05.1996 в условиях низкой солнечной и геомагнитной активности. В результате проведенных численных экспериментов установлено, что для любых значений положений точки отделения МЧ от материнского тела большие времена орбитального существования в ОКП (порядка нескольких лет и более) в рассмотренном случае могут иметь как крупные МЧ с размерами большими соответствующих пороговых значений порядка нескольких микрон, а также сверхмелкие частицы с размерами менее 0.1 мкм, захватывающиеся магнитно-гравитационной ловушкой Земли. Разработаны программы численного моделирования временной эволюции в ОКП облака техногенных МЧ, образующегося из мелкодисперсных продуктов деградации материала поверхности крупного орбитального объекта (материнского тела (МТ)), движущегося в ОКП по заданной орбите. Продукты деградации моделируются сферическими частицами из различных материалов (алюминий, оксид алюминия, углерод, железо) радиусами от 0.5 до 100 мкм. Задаются: параметры орбиты материнского тела; начальный момент времени, соответствующий моменту размещения МТ на орбите (за который принимается момент отделения МТ от ракеты-носителя или разгонного блока) и истинная аномалия точки отделения. Кроме того, считаются заданными: постоянная скорость инжекции в ОКП продуктов деградации, а также полное время моделирования, по истечении которого определяется состояние облака продуктов деградации. В результате проведения соответствующих численных экспериментов установлена возможность длительного существования в ОКП облака, образующегося из мелкодисперсных продуктов деградации материала поверхности крупного орбитального объекта (МТ), движущегося в ОКП по геостационарной орбите, спустя 2 года с момента размещения МТ на орбите. Продукты деградации моделировались сферическими частицами из оксида алюминия с радиусами от 0.5 до 100 мкм. При численном моделировании временной эволюции облака учитывался эффект изменения солнечной и геомагнитной активности в процессе орбитального движения МТ в ОКП. Как следует из полученных расчетных данных, спустя 2 года с момента размещения МТ на орбите основная часть мелкодисперсных частиц, инжектируемых в ОКП поверхностью МТ, удерживается в ОКП. При этом, полное число продуктов деградации, захваченных гравитационным полем Земли, на рассмотренном промежутке времени практически линейно растет со временем. На временах порядка 100 часов с момента размещения МТ на орбите формирующееся в ОКП облако микрочастиц имеет вид компактного образования, локализованного внутри геостационарной орбиты. Однако, с течением времени облако увеличивается в размерах и спустя 2 года область с высокой концентрацией МЧ охватывает значительную часть геостационарной орбиты, приобретая черты спиралеобразной структуры, локализованной в области движения геостационарных и средневысотных спутников. При этом имеет место существенная дисперсия частиц облака относительно экваториальной плоскости. Аналитически на основе использования «дрейфовых» уравнений движения определены условия реализации двух возможных режимов длительного орбитального существования сверхмелких МЧ с размерами порядка единиц нанометра, инжектируемых в ОКП на высоких круговых орбитах, проходящих в разреженной горячей плазме плазменного Земли. В первом режиме, пространственная траектория частицы «заметает» тор, симметричный относительно плоскости экватора с осью, совпадающей с осью Земли, а, во втором режиме, - тор, расположенный в том же полушарии, что и точка инжекции. Корректность сформулированных аналитически условий подтверждена сравнением с результатами соответствующих численных экспериментов. Разработана программа численного моделирования движения в околоземном космическом пространстве и аэродинамического нагрева при входе в атмосферу сферических микрочастиц из углерода (графита) радиусами от 0.5 до 3 мкм, моделирующих споры земных бактерий, а также – споры гипотетических бактерий внеземного происхождения. В результате проведенных численных экспериментов установлено, что максимальные температуры аэродинамического нагрева спор земных бактерий, отделяющихся от поверхностей крупных низкоорбитальных объектов оказываются существенно меньшими предельной температуры выживания спор земных бактерий при импульсном нагреве. Кроме того, результаты численных экспериментов дают основания для предположения о том, что споры гипотетических внеземных бактерий размером не более 1 мкм способны выдерживать аэродинамический нагрев при входе в атмосферу Земли со скоростями большими как второй, так и третьей космической скорости.