Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание системы мониторинга околоземных объектов и предупреждения космических угроз на основе нового кластера широкоугольных телескопов.

Докладчик: Нароенков Сергей Александрович

Должность: научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы противодействия астероидно-кометной опасности. Целью выполнения проекта является разработка эффективной системы мониторинга околоземного пространства и предупреждения о возможности падении астероидов и комет на Землю. Реализация проекта позволит сформировать единый технический комплекс, осуществляющий обнаружение опасных небесных тел, обработку информации с телескопов, оценку возможности соударения таких тел с Землей и проведение ситуационного анализа рисков. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, позволят повысить безопасность населения, промышленной и гражданской инфраструктуры от космических угроз, обеспечить заинтересованные министерства и ведомства новым видом информационных услуг.

Основные планируемые результаты проекта:
Проблема астероидно-кометной опасности является глобальной проблемой. Главным препятствием на пути исследования является дефицит данных об орбитальных свойствах опасных объектов, обусловленный нехваткой астрономических наблюдений. Существующие в мире системы мониторинга не обладают достаточной оперативностью для заблаговременного выявления опасных небесных тел. Для решения этой проблемы в проекте предлагается создание эффективного кластера широкоугольных телескопов, способных просматривать все небо несколько раз за одну ночь. Предполагается, что уже в процессе реализации данного проекта будет создан макет кластера, состоящий из нескольких телескопов с апертурой ~25 см , который будет способен за ночь выявить на звездном небе все опасные объекты до 18 -той звездной величины. В частности, это позволит обнаруживать космические тела с характеристиками, подобными Челябинскому объекту, приблизительно за сутки до столкновения. Реализация проекта позволит сформировать единый технический комплекс, осуществляющий обнаружение опасных небесных тел, обработку информации с телескопов, оценку возможности соударения таких тел с Землей и проведение ситуационного анализа рисков.
Новизна решений будет отражена в разработке уникальных оптических инструментов для мониторинга околоземного пространства. Уникальность оптической схемы телескопа заключается в большои поле телескопа. В нашей разработке телескоп сможет осмотреть ~ 40 квадратных градусов небесной сферы за один раз. Второй особенностью является достаточная простота формы оптических поверхностей линз и зеркал, что позволяет использовать недорогие и распространенные сорта стекла. Третей особенностью является полная согласованность размера изображения в фокальной плоскости и размера ПЗС-детектора, что дает существенный выигрыш в проницающей силе телескопа. По расчетам, проницающая величина будет равна 18 зв. величине, что позволит обнаруживать опасное небесное тело размером 10 метров за 2 дня до столкновения с Землей (два расстояния до Луны).
Аналогичными работами в данном направлении являются работы по созданию системы оптического мониторинга ATLAS (Asteroid Terrestrial-Impact Last Alert System) Институтом астрономии Гавайского университета (США). Система будет включать в себя восемь 0.5м телескопа, оснащенных 110 мегапиксельными ПЗС камерами. На первом этапе планируется запустить в эксплуатацию два таких телескопа. Главное достоинство телескопов, входящих в проект, - большое поле зрение, равное 7.4 градусам. Благодаря такому полю зрения телескопы способны выполнить полный обзор видимого неба дважды за ночь. Прогнозируется, что со временем экспозиции в 20 секунд будет возможность наблюдать объекты до 20 звездной величины. Наш проект и проект ATLAS являются похожими. Из-за большей апертуры телескопы проекта ATLAS будут способны различить меньший объект, чем наша система, если проект будет реализован. Но наш проект намного дешевле.

Для реализации проекта будут использованы научный и технический потенциал Института астрономии РАН и НИИ Крымская астрофизическая обсерватория. Сотрудники ИНАСАН имеют богатый опыт наблюдений и мониторинга космического пространства на базе принадлежащих институту Звенигородской обсерватории и обсерватории на пике Терскол (Терскольский филиал) с уже имеющимися астрономическими инструментами (включая второй повеличине в РФ 2 метровый телескоп фирмы Цейсс).
Сотрудник ИНАСАН В.Ю.Теребиж, который возглавит работы по расчетам оптических систем, является всемирно признанным специалистом в области проектирования широкоугольных оптических систем. Коллектив исполнителей проекта имеет большой опыт проведения работ по астероидно-кометной опасности. Примером тому может являться монография «Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра» под редакцией Б.М.Шустова и Л.В. Рыхловой (М.:ФИЗМАТЛИТ, 2010, ISBN 978-5-9221-1241-3), в которой проведена оценка астероидно-кометной опасности с различных позиций.
С учетом реализации предварительных работ и первого этапа проекта, а также основываясь на опыте участия организаторов проекта в других НИР и ПНИ, можно предположить следующие риски и меры по их снижению.
1)Технический риск - вероятность получения отрицательных результатов отсутствует.
2) Производственный риск - Определяется сбоями в производственном цикле.
3) Коммерческий риск существует, и его оценка будет проведена позднее, при исследовании патентоспособности и патентной чистоты результатов.
4) Конъюктурный риск минимален, т.к. показано, что существующие отечественные проекты аналогичного направления конкуренции не составляют, а вероятность параллельного возникновения и завершения новых конкурентоспособных проектов до 2017 года ничтожна.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Наличие созданного научного задела полученного в рамках решения ПНИ серьезно поможет продвинуться в реализации программы “Создание российской системы противодействия космическим угрозам”. В соответствии со Стратегией национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 г. № 537, обеспечение национальной безопасности достигается путем совершенствования и развития единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, ее интеграции с аналогичными иностранными системами. Это положение определяет необходимость сопряжения Российской системы противодействия космическим угрозам с Российской системой предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС). В соответствии с Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р, планируется поддержание высокого уровня национальной безопасности, включая безопасность населения и территорий от чрезвычайных ситуаций
природного и техногенного характера. Такой подход требует реализации комплекса взаимоувязанных по ресурсам, срокам и этапам преобразований. Достижение данной цели ориентировано на смену приоритетов при защите населения и территорий от опасности и угроз различного характера - вместо «культуры реагирования» на чрезвычайные ситуации на первое место выдвигается «культура предупреждения». Мы полагаем, что предлагаемый проект будет значительным вкладом в достижении указанных стратегических целей. В соответствии с этим главными потребителями информации о космических угрозах могут быть Правительство РФ, Совет безопасности РФ, МЧС РФ, Роскосмос, Министерство обороны РФ,МИД РФ, профильные институты (академические и вузовские организации), а также космические агентства и профильные организации других стран. В целом, следует признать, что в России до настоящего времени не было единой системы согласованных работ в рамках проблемы космических угроз, а необходимость в ней давно назрела, т.к. отставание России в этой области очевидно. Существуют два аспекта, которые не позволяют полностью рассчитывать на возможности зарубежных систем противодействия астероидно-кометной опасности. Первый аспект заключается в том, что опасные тела часто обнаруживаются лишь на подлете к Земле, причем вероятность столкновения на территории России выше, чем у других стран и, необходимость быстрого оповещения и оперативного принятия мер противодействия в случае России наиболее остра. Второй аспект, в какой-то степени связан с первым и заключается в возможности равноправного или приоритетного доступа к необходимым данным об обнаруженных телах. Такая возможность может быть обеспечена только при наличии собственной полноценной системы обнаружения, каталогизации и оперативной информационно-аналитической обработки информации для определения степени риска столкновения с Землей всех потенциально опасных тел.
Результаты ПНИ будут применяться в сфере развития технологий предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, в космической отрасли, в оптикоэлектронной промышленности. Результаты исследований и разработок найдут применение в астрономических исследованиях, в которых целесообразно применение кластеров роботизированных телескопов. Реализации технических решений будут также полезны для развития информационных технологий, коммуникационных технологий. Достаточно высока и возможность коммерциализации ожидаемых результатов. Широкоугольные оптические системы, которые будут разработаны в рамках решения ПНИ, могут продаваться на мировом рынке достаточно активно.

Текущие результаты проекта:
За отчетный период получены следующие основные результаты:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
Определено, что разработанная оптическая схема является уникальной и может быть запатентована.
3. Проведены теоретические исследования возможных вариантов решения задачи мониторинга околоземного пространства.

Теоретические исследования возможных вариантов решения задачи мониторинга околоземного пространства позволили сделать несколько важных выводов. При исследовании распределений ОНТ в пространстве и на проекции небесной сферы выявлено, что на расстояниях до 0.05 а.е. распределение ОНТ по небесной сфере равномерное. Поэтому системы обнаружения относительно малых объектов, таких, например, как Челябинский метеороид, должны быть настроены на обзор всей небесной сферы без выделения отдельных зон. Необходимо сканировать всю видимую небесную сферу (приблизительно 18000 -20000 кв. градусов) за ночь несколько раз.
На расстояниях до 1 а.е. опасные небесные тела концентрируются к плоскости эклиптики.
Скорость сближения (с Землей) подавляющего большинства ОНТ не превышает 40 км/c. Это означает, что при времени упреждения 30 дней, расстояние, на котором необходимо обнаружить тело составляет не менее 1 а.е. Для тел размером 50 м это означает, что проницающая сила телескопа в видимом диапазоне должна быть не хуже 23 зв. величины. Поэтому для обнаружения таких тел заблаговременно необходимо создание специализированных широкоугольных, крупноапертурных (более 1 м) телескопов.
Для обнаружения и мониторинга опасных небесных объектов размером 50 м в околоземном космическом пространстве при обнаружении его за нескольких суток до наибольшего сближения с Землей эффективны инструменты с большим полем зрения, но апертура телескопа может быть порядка 0,2-0,3 м. По нашим расчетам, такой телескоп сможет обнаружить тело размером 20-50 метров за 6 суток до столкновения с Землей. Данное утверждение было проверено на примере конкретного астероида 2014 АА.
Исходя из проведенных вышеперечисленных исследований, можно сделать вывод, что создание системы мониторинга околоземного пространства на основе кластера широкоугольных телескопов небольшого диаметра (20-30 см) является оправданным. Такая система позволит обнаруживать небольшие (диаметром от 20 метров) тела заблаговременно, приблизительно за 5 суток. Полученные теоретические результаты показывают, что заявленная к разработке система мониторинга будет эффективной, и работы по созданию такой системы надо продолжать.

4 Проведено исследование и выбор оптимального варианта оптической схемы телескопа для разработки кластера широкоугольной оптической системы высокой производительности.

В результате теоретических исследований и компьютерного моделирования определены оптимальные параметры структурной схемы телескопа:
а) диаметр входного зрачка - 250,0 мм;
б) эквивалентное фокусное расстояние - 395,5 мм на длине волны 0,55 мкм;
в) масштаб в фокальной плоскости - 1,92 мкм в угловой секунде;
г) основной спектральный диапазон - от 0,45мкм до 0,85 мкм;
д) кривизну поля зрения - поле зрения плоское с точностью от 10 мкм до 15 мкм;
е) углового диаметра поля зрения - 10,0 градусов;
ж) линейный диаметр поля зрения - 69,5 мм;
з) длина заднего отрезка - 45 мм;
и) среднеквадратический диаметр изображения точечного источника в интегральном свете 0,40-0,85 мкм - от 5,3мкм до 6,3 мкм;
к) диаметр кружка, в пределах которого содержится 80% энергии в изображении точечного источника в интегральном свете (D80): от 8,4 до 10,3 мкм;
л) доля невиньетированных световых лучей - 72,2 %;
м) максимальная дисторсия на длине волны 0,59 мкм - 0,45%;
н) общая масса оптических элементов - 15 кг.

5 Проведен расчет кластера широкоугольной оптической системы высокой производительности.
Расчет кластера широкоугольной оптической системы показал, что чтобы за 1 ночь осмотреть небесную сферу 3 раза необходимо задействовать 11 телескопов. Либо если мы ставим себе задачу, осмотреть небесную сферу 3 раза за две ночи, то понадобится 5 телескопов работающих одновременно.

6. Проведены результаты маркетингового исследования в рамках первого этапа работ по проекту «Создание системы мониторинга околоземных объектов и предупреждения космических угроз на основе нового кластера широкоугольных телескопов». Программы, связанные с вопросами мониторинга опасных небесных тел и предупреждения космических угроз, особенно актуальны в настоящее время как на национальном, так и на международном уровне. Разрабатываемые в настоящее время в Российской Федерации программы подобного содержания уступают настоящему проекту ввиду его комплексного характера и ориентации на обеспечение безопасности. Крупные зарубежные и международные проекты, направленные на мониторинг опасных небесных тел и предупреждение космических угроз, имеют высокую стоимость реализации, и РФ не является их участником. Можно ожидать, что результаты настоящего проекта будут востребованы государственными организациями, занимающимися обеспечением безопасности, а также научно-исследовательскими и образовательными учреждениями. Рекомендовано организовать защиту результатов интеллектуальной деятельности, полученных в результате выполнения проекта, с целью их коммерциализации, публиковать сведения о результатах в научно-технических изданиях, участвовать в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов проекта (конференциях, семинарах, выставках). Рассмотрены возможные риски проекта и пути их минимизации.