Biuro Programu Odpadów Orbitalnych NASA
Biuro programu NASA Orbital Debris znajduje się w Centrum Kosmicznym im. Johnsona i jest wiodącym centrum NASA zajmującym się odpadami orbitalnymi badania. Jest uznawany na całym świecie za wiodącą pozycję w rozwiązywaniu problemów ze śmieciami orbitalnymi. Biuro programowe NASA Orbital Debris objęło międzynarodowe przewodnictwo w przeprowadzaniu pomiarów środowiska i opracowywaniu konsensusu technicznego w sprawie przyjęcia środków łagodzących w celu ochrony użytkowników środowiska orbitalnego. W centrum trwają prace nad lepszym zrozumieniem środowiska szczątków orbitalnych i środków, które można podjąć w celu kontrolowania ich wzrostu.
Badania Orbital Debris w NASA są podzielone na kilka szerokich wysiłków badawczych, obejmujących modelowanie, pomiary, ochronę, łagodzenie i ponowne wejście na orbitę gruzu.
Modelowanie
Naukowcy z NASA nadal rozwijają i ulepszają modele szczątków orbitalnych, aby opisać i scharakteryzować obecne i przyszłe środowisko szczątków. Modele inżynieryjne, takie jak ORDEM2000 , mogą być wykorzystywane do oceny ryzyka uderzenia gruzu dla statków kosmicznych i satelitów, w tym Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i promu kosmicznego . Modele ewolucyjne, takie jak EVOLVE i LEGEND , mają na celu przewidywanie przyszłego środowiska śmieci. Są niezawodnymi narzędziami do badania, w jaki sposób przyszłe środowisko gruzu reaguje na różne praktyki łagodzące.
ORDEM2000 został zastąpiony w 2010 roku przez ORDEM2010 . To wydanie stanowi znaczną poprawę w empirycznym programie modelowania oceny szczątków NASA ODPO. Ta wersja długotrwałej serii zawiera dodatkowe dane z dziesięciu lat, nowe, zweryfikowane modele środowiskowe o wysokiej wierności, nowe procesy statystyczne do analizy danych i modeli, rozszerzenie modelowania o GEO, włączenie gęstości materiału szczątkowego oraz nowy pakiet analiz igloo obejmujący statki kosmiczne, z zaawansowanym graficznym interfejsem użytkownika.
Pomiary
Pomiary szczątków orbitalnych znajdujących się w pobliżu Ziemi są wykonywane poprzez prowadzenie naziemnych i kosmicznych obserwacji środowiska szczątków orbitalnych. Dane są pozyskiwane za pomocą naziemnych radarów i teleskopów optycznych [1] , teleskopów kosmicznych oraz analizy powierzchni statków kosmicznych powracających z kosmosu. Niektóre ważne źródła danych to amerykańska sieć nadzoru kosmicznego , radar Haystack X-Band oraz powierzchnie zwrócone z obiektu Solar Max, Long Duration Exposure Facility (LDEF) i prom kosmiczny. Dane zapewniają walidację modeli środowiskowych i identyfikują obecność nowych źródeł.
Ochrona
Ochrona przed szczątkami orbitalnymi obejmuje przeprowadzanie pomiarów uderzeń z dużą prędkością w celu oceny ryzyka stwarzanego przez szczątki orbitalne dla działających statków kosmicznych oraz opracowywanie nowych materiałów i nowych projektów w celu zapewnienia lepszej ochrony przed środowiskiem przy mniejszej wadze. Dane z tej pracy zapewniają powiązanie między środowiskiem zdefiniowanym przez modele a ryzykiem stwarzanym przez to środowisko dla działających statków kosmicznych oraz dostarczają zaleceń dotyczących procedur projektowych i operacyjnych w celu zmniejszenia ryzyka zgodnie z wymaganiami. Dane te pomagają również w analizie i interpretacji cech uderzenia na zwróconych powierzchniach statków kosmicznych. Podstawowym obiektem do tych badań jest Hypervelocity Impact Technology Facility (HIT-F) w NASA JSC w Houston, chociaż istnieją inne obiekty w JSC w Nowym Meksyku i różne laboratoria DoD.
Łagodzenie
Kontrolowanie wzrostu populacji śmieci orbitalnych ma wysoki priorytet dla NASA, Stanów Zjednoczonych i głównych narodów świata zajmujących się podróżami kosmicznymi w celu zachowania przestrzeni kosmicznej w pobliżu Ziemi dla przyszłych pokoleń. Środki łagodzące mogą przybrać formę ograniczania lub zapobiegania powstawaniu nowych śmieci, projektowania satelitów tak, aby były odporne na uderzenia małych śmieci i wdrażania procedur operacyjnych, począwszy od wykorzystywania reżimów orbitalnych z mniejszą ilością śmieci, przyjmowania określonych pozycji statku kosmicznego, a nawet manewrowania w celu uniknięcia kolizji z gruz.
W 1995 roku NASA była pierwszą agencją kosmiczną na świecie, która wydała kompleksowy zestaw wytycznych dotyczących łagodzenia skutków zanieczyszczenia orbity. Dwa lata później rząd Stanów Zjednoczonych opracował zestaw standardowych praktyk ograniczania zanieczyszczeń orbitalnych w oparciu o wytyczne NASA. Inne kraje i organizacje, w tym Japonia , Francja , Rosja i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), poszły w ich ślady, opracowując własne wytyczne dotyczące łagodzenia skutków zanieczyszczenia orbity. W 2002 roku, po wieloletnich staraniach, powstał Międzyagencyjny Komitet Koordynacyjny ds. Śmieci Kosmicznych (IADC), w skład którego wchodzą agencje kosmiczne z 10 krajów oraz ESA, przyjęto uzgodniony zestaw wytycznych mających na celu ograniczenie wzrostu populacji śmieci orbitalnych. Wytyczne te zostały formalnie przedstawione Podkomitetowi Naukowo-Technicznemu Komitetu Narodów Zjednoczonych ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej w lutym 2003 r.
Ponowne wejście
Ze względu na rosnącą liczbę obiektów w kosmosie NASA przyjęła wytyczne i procedury oceny w celu zmniejszenia liczby niedziałających statków kosmicznych i zużytych górnych stopni rakiet krążących wokół Ziemi. Jedną z metod usuwania po misji jest umożliwienie ponownego wejścia tych statków kosmicznych, albo z rozpadu orbity (wejście niekontrolowane), albo z kontrolowanym wejściem. Zanik orbity można osiągnąć, uruchamiając silniki w celu obniżenia wysokości perygeum, tak aby opór atmosferyczny ostatecznie spowodował wejście statku kosmicznego. Nie można jednak zagwarantować, że ślady po uderzeniach ocalałych gruzów unikną zamieszkałych mas lądowych. Kontrolowane wejście zwykle następuje przy użyciu większej ilości paliwa z większym układem napędowym, aby wprowadzić statek kosmiczny do atmosfery pod bardziej stromym kątem toru lotu. Następnie wejdzie na bardziej precyzyjną szerokość i długość geograficzną i ślad w prawie niezamieszkałym regionie uderzenia, zwykle zlokalizowanym w oceanie.
Statki kosmiczne, które powracają po rozpadzie orbity lub kontrolowanym wejściu, zwykle rozpadają się na wysokościach między 84-72 km z powodu sił aerodynamicznych powodujących przekroczenie dopuszczalnych obciążeń konstrukcyjnych. Uważa się, że nominalna wysokość rozbicia statku kosmicznego wynosi 78 km. Większe, mocniejsze i gęstsze satelity generalnie rozpadają się na niższych wysokościach. Panele słoneczne często odrywają się od korpusu macierzystego statku kosmicznego na około 90-95 km z powodu sił aerodynamicznych powodujących przekroczenie dopuszczalnego momentu zginającego w punkcie mocowania zestawu / statku kosmicznego.
Po rozpadzie statku kosmicznego (lub ciała macierzystego) poszczególne komponenty lub fragmenty będą nadal tracić wysokość i otrzymywać ogrzewanie powietrzne, dopóki nie ulegną zniszczeniu lub nie przeżyją zderzenia z Ziemią. Wiele elementów statków kosmicznych jest wykonanych z aluminium, które ma niską temperaturę topnienia. W rezultacie komponenty te zwykle zanikają na większej wysokości. Z drugiej strony, jeśli przedmiot jest wykonany z materiału o wysokiej temperaturze topnienia (np. tytanu, stali nierdzewnej, berylu, węgla-węgla), przedmiot ten ulegnie zniszczeniu na niższej wysokości iw wielu przypadkach przetrwa. Ponadto, jeśli obiekt znajduje się wewnątrz obudowy, obudowa musi się rozpaść, zanim obiekt wewnętrzny zostanie znacznie nagrzany powietrzem. Niektóre przedmioty mogą mieć bardzo wysoką temperaturę topnienia, tak że nigdy nie mogą ulec zniszczeniu, ale są tak lekkie (np. podkładki wolframowe), że uderzają z bardzo małą prędkością. W rezultacie energia kinetyczna uderzenia wynosi czasami poniżej 15 J, czyli progu, poniżej którego prawdopodobieństwo ofiar śmiertelnych jest bardzo niskie. W związku z tym obszary ofiar gruzu obliczone dla tych obiektów nie są uwzględniane w całkowitym obszarze ofiar gruzu w analizie przeżywalności ponownego wejścia.
Przeżywalność komponentów statku kosmicznego po ponownym wejściu jest obliczana za pomocą jednej z dwóch metod NASA. Jednym z nich jest oprogramowanie do oceny gruzu (DAS), konserwatywne narzędzie programowe o niższej wierności, które można znaleźć w sekcji „Mitygacja”, a drugie to dokładniejsze narzędzie programowe o wyższej wierności, zwane narzędziem do analizy przetrwania ponownego wejścia na obiekt (ORSAT).