¿Por qué una caja llena de bolas de 1 cm lanzadas en LEO sería tan aterrador para un ingeniero que apoya a la ISS?

actualización de marzo de 2018: Acabo de ver esto en Buzzfeed (Google me envió allí, normalmente no lo leo): Las personas ricas pronto podrán comprar lluvias de meteoritos falsas a pedido . Parece que esto podría suceder en 2018.

Estaba viendo este video realmente genial sobre la nave espacial Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), y vi lo que parece ser este anillo de Marmon salir volando e instintivamente pensé: "¡Caramba, eso podría sacarle un ojo a alguien, qué imprudente!" que no es la forma correcta de pensar acerca de los desechos espaciales.

Luego hice esta pregunta y obtuve un gran enfado de algunas personas. Aparentemente, liberar una gran cantidad de objetos de ~ 1 cm en LEO desencadenó algunas "alarmas internas";)

Entonces, ¿alguien puede describir qué es específicamente lo que los hace realmente más aterradores que los objetos estándar lanzados (= descartados) en estos días en LEO?

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¡Aparentemente esta "caja llena de rodamientos de bolas en LEO" da más miedo!

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Aquí está uno de los videos originales, el otro se ha "oscurecido" (privado):

¿Porque es malo? "Solía ​​ser un astronauta como tú, luego tomé un rodamiento de bolas de velocidad orbital en la rodilla".
@Mindwin esto es algo con lo que no estoy familiarizado y esta ubicación no es el lugar óptimo para discutir. Hay una pregunta meta en la que podría ampliar más esto. ¡Gracias!

Respuestas (4)

Bueno, ¡esta pregunta también puede tener mi nombre impreso directamente en ella!

La protección de las naves espaciales contra la amenaza de los desechos orbitales viene en dos formas:

  • Proteger y resistir
  • Detectar y evitar

Para empezar, la página 5 de este artículo de la NASA presenta una buena aproximación de primer orden de la amenaza general de desechos orbitales LEO. Verá alguna variación con la altitud y la inclinación, pero en su mayor parte, la forma del gráfico es generalmente la misma. La línea representa el flujo acumulativo inverso, es decir, el número de partículas por metro cuadrado por año de un tamaño determinado o más grande desde todas las direcciones combinadas. Es importante tener en cuenta que este flujo está en una escala logarítmica. El texto cerca de las flechas gruesas denota la fuente de datos que informa al modelo para los rangos de tamaño indicados.

En el extremo izquierdo del gráfico, tenemos un número muy elevado de partículas muy pequeñas. La mayoría de estos son intrascendentes desde el punto de vista operativo, a menos que tenga superficies particularmente sensibles como un telescopio o la óptica de una cámara. La mayoría de las superficies requieren un blindaje mínimo o nulo para soportar golpes en estos rangos de tamaño.

A medida que aumenta el tamaño de sus partículas, comienza a requerir un blindaje dedicado para proteger su hardware. Esos escudos generalmente lo protegerán hasta un tamaño máximo para impactos típicos. Las capacidades de protección más grandes significan más masa, y no se escala linealmente, por lo que se debe hacer un límite para que una nave espacial determinada sea lo suficientemente liviana para volar.

Los objetos lo suficientemente grandes pueden ser detectados y evitados. La detección y la evasión requieren tiempo para planificar y ejecutar: varias órbitas. No se parece en nada a lo que verías en una película. De particular importancia es el hecho de que toda la capacidad de detección y evasión se debe al uso de activos de rastreo basados ​​en tierra. En los EE. UU., esto suele presentarse en forma de avisos conjuntos de JSpOC/USSTRATCOM (consulte aquí para obtener más información). Esta información proviene principalmente de la Red de Vigilancia Espacial, y los tamaños típicos de "objetos rastreados" se indican con "SSN" en el gráfico resaltado arriba.

Por debajo de cierto tamaño crítico, los objetos en el espacio no se pueden rastrear de manera confiable. Su presencia es observable usando radar y telescopios en modo "mirar fijamente" ("Goldstone", "HAX" y "Haystack"), pero eso solo te da un recuento de la población, no un seguimiento. En general, estos objetos no se pueden detectar ni evitar, y se encuentran en rangos de tamaño para los cuales el blindaje efectivo es imprácticamente masivo para todas las superficies de hardware excepto las más críticas.

Al igual que con casi cualquier aplicación de nave espacial, es imposible reducir a cero el riesgo de pérdida de misión o pérdida de vehículo. (¡De hecho, la nave espacial más segura es la que no vuela!) Se deben tomar decisiones cuidadosamente consideradas sobre qué niveles de riesgo aceptar. Estas decisiones se basan en que los datos subyacentes que alimentan los cálculos de riesgo sean válidos en el futuro.

Una liberación inesperada de una gran cantidad de objetos firmemente en el medio de la región "demasiado pequeño para detectar y demasiado grande para prácticamente protegerse" a una altitud en la que podrían llover a través de las órbitas de activos críticos durante meses o años. sería un gran revés en el proceso de decisión basado en el riesgo. Para el hardware que ya está en órbita, esto aumentaría enormemente el riesgo de una pérdida catastrófica más allá de los niveles aceptables. A niveles lo suficientemente altos, podría hacer que LEO sea demasiado peligroso para habitarlo durante años o décadas.

Entonces, lo que estás diciendo es, "¿no hagas esto porque hace que mi trabajo sea más difícil?" :D
@mikeTheLiar de la misma manera que hacer que los incendios provocados sean legales dificultaría el trabajo de los socorristas, sí.
Solo estás hablando de tamaño, pero ¿no importa mucho la velocidad (relativa) también? ¿No sería más exacto establecer la energía cinética de los desechos espaciales en relación con un satélite LEO “típico”? ¿Y la mayoría de las órbitas no son circulares y, por lo tanto, casi idénticas, lo que hace que sus velocidades relativas sean muy pequeñas e inofensivas?
@Michael Sin embargo, no todos tienen la misma inclinación. Entonces, no, no es inofensivo.
La palabra "nave espacial" en su penúltimo párrafo es redundante. :)
Restringiéndose a órbitas circulares a una altitud determinada, hay un continuo bidimensional de órbitas posibles, con velocidades de encuentro entre cero y el doble de la velocidad orbital. Las velocidades promedio de encuentro son aproximadamente el 140% de la velocidad orbital.
"Restringiéndote a órbitas circulares a una altitud dada, hay un continuo bidimensional de órbitas posibles, con velocidades de encuentro en cualquier lugar entre cero y el doble de la velocidad orbital. Las velocidades de encuentro promedio son aproximadamente el 140 % de la velocidad orbital" . he leído en un rato!
@Tristan: "Promedio" en qué sentido? 140% suena como sqrt(2), es decir, impacto de 90°. El promedio de todas las posibles intersecciones es menor que eso (alrededor del 127%). Pero casi todas las órbitas son progresivas, y la mayoría tienen una inclinación bastante baja, por lo que el promedio de intersecciones reales sería considerablemente más bajo aún.
@Tristan "Por cada objeto en el espacio hay otro objeto que se mueve a la misma velocidad, pero en dirección opuesta", Kesslers 2. ¿Regla?
@jerryb, podría pensar eso, pero los datos no lo respaldan. La velocidad media de encuentro de desechos orbitales en la ISS es de unos 11 km/s.
@Tristan Eso sugiere que los desechos orbitales medianos encontrados por la ISS no están en una órbita circular de la misma altitud que la ISS. También combina 'promedio' con 'mediana'...
Las diferencias de @jerryb en el plano orbital son más que suficientes para explicar las velocidades. Correcto: no debería combinar el promedio y la mediana. Sin embargo, hay límites superior e inferior absolutos en las velocidades de encuentro, y las distribuciones tienen un soporte bastante compacto, por lo que en realidad no hay muchos valores atípicos brutos que separen la media y la mediana.
Ese ángulo de intersección podría explicar matemáticamente las velocidades no lo hace probable. Lo mismo podría decirse de un promedio de 200% de velocidad de impacto: podría explicarse matemáticamente porque cada impacto es de un objeto que viaja en la dirección opuesta. Pero las órbitas retrógradas simplemente no son tan comunes, por lo que asumiríamos que esa no es la respuesta. Su declaración original fue "Restringirse a órbitas circulares". Cualquier dato relevante de la ISS no tiene esa restricción, y simplemente no podemos asumirla.
En algún momento, tendrás que creer en mi palabra. Esto es lo que hago para ganarme la vida. tengo los datos
@JerryB si está realmente interesado en esto, considere hacer una nueva pregunta de intercambio de pila adecuada donde habrá mucho espacio para comentarios sobre su propuesta.

Hay algunos datos que se necesitan para explicar por qué uno podría desconfiar de los objetos de 1 cm:

Los radares o telescopios ópticos en la Tierra pueden ver objetos tan pequeños como 4 pulgadas (unos 10 cm)

Vaya, no puedo verlos.

También hay millones de piezas de escombros de menos de un tercio de pulgada (1 cm). En la órbita terrestre baja, los objetos viajan a 4 millas (7 kilómetros) por segundo. A esa velocidad, una pequeña gota de pintura tiene el mismo impacto que un objeto de 550 libras que viaja a 60 millas por hora. Un impacto de este tipo no solo puede dañar componentes críticos, como elementos presurizados, células solares o ataduras, sino que también puede crear nuevas piezas de escombros potencialmente amenazantes.

Incluso un grano del tamaño de una sal que golpea el transbordador espacial crea desechos orbitales.

Ay, se multiplica.

chip en la ventana de la ISS

Crédito de la imagen: ESA/NASA

El chip que ves en la imagen de arriba tiene 7 mm de diámetro y orbita sobre nosotros incrustado en una de las ventanas de la Estación Espacial Internacional. Es pequeño, y definitivamente es un chip, no una grieta, pero en el vacío del espacio tienes que tomarte en serio hasta el más pequeño de los impactos.

Afortunadamente, las ventanas utilizadas en la estación espacial están hechas de un material bastante resistente: vidrio de borosilicato, sílice fundida y tienen un acristalamiento cuádruple para mayor protección. El chip fue causado por desechos espaciales de solo unas pocas milésimas de milímetro de ancho . Podría haber sido solo una escama de pintura o una pequeña pieza de metal.

énfasis añadido

¡Ay, un poco puede hacer mucho daño!

¿Qué más necesitas saber?

Fuentes:

"Unas pocas milésimas de milímetro de ancho" es una tontería. A lo sumo sería menos de 10 − 5 julios
Prueba de nuevo ................ de que este es, con mucho, el mejor sitio de SO :)
Hmm... 7 g/cm³ divididos por 2000 en cubos para dar un cubo de 5 µm son alrededor de 9e-13 kg. Con v de aproximadamente 1250 m/s, mv² es 1e-6. Sí, estoy de acuerdo en que no es mucha energía. ¿Tal vez algo que ver con la corta duración en la que se entrega?
No necesitas energía para destruir el vidrio. Lo que necesitas es fuerza por área (también conocida como presión).
@JDługosz: la velocidad orbital es de aproximadamente 7700 m/s, no de 1250 m/s. Un objeto que se mueve en la misma órbita pero exactamente en la dirección opuesta da como resultado una velocidad relativa de más de 15000 m/s. Un objeto en perigeo puede resultar en una velocidad relativa aún mayor. Su energía estimada está errada en dos órdenes de magnitud.
No creo que los escombros pequeños terminen en una órbita estable retrógrada, sino que serían de misiones anteriores en órbitas similares que se quedaron, perturbados solo ligeramente desde la órbita del cuerpo principal. De todos modos, usé 17000 millas por hora de memoria. No recuerdo cómo elegí la fracción de velocidad de cierre en la parte posterior del sobre.
Usando 7700 m/s, 5e-5J. El tamaño y la masa de "pintura o metal, de 2 a 9 µm en cubos" cubre varios órdenes de magnitud en lapso.
@JDługosz: Los escombros en una órbita similar golpearían con menos frecuencia: a alta velocidad (relativa), mucho más volumen de espacio está en peligro con el impacto. Los impactos de ángulo de 90 grados serán los más comunes debido a eso, y estos serán a sqrt (2) * velocidad orbital. (escombros que van al noreste mientras que la ISS va al sureste o viceversa). 9 µm de ancho son 729 µm^3. Multiplicado por 0,5*(11 km/s)^2, ya estamos entrando en el reino de ~1mJ: 1mJ distribuido en 81 µm^2 de superficie de vidrio.
@asdfex SXSE no es el lugar para los negadores de la física;) Cada enlace Si=O roto cuesta unos pocos eV de energía, y la fuerza sin energía solo ocurre si hay un desplazamiento cero (no pasa nada).
@uhoh También hay energía almacenada en forma de estrés mecánico en el vidrio mismo. Es por eso que las grietas pueden extenderse a largas distancias. Un caso extremo son las gotas de Rupert: una pequeña cantidad de energía depositada en un extremo rompe una gran estructura en millones de pedazos.
¡@asdfex siempre buscando una manera de ser más inteligente todos los días! ;) youtu.be/xe-f4gokRBs 04:14 para "modelado" molecular... y para espectadores incondicionales: youtu.be/F3FkAUbetWU

La pregunta original no está completamente respondida. Como ingeniero que trabajó en la ISS durante siete años durante el diseño crítico, LOS IMPACTOS PARA LOS INGENIEROS QUE TRABAJAN EN LA ISS incluyen: (1) diseñar equipos expuestos para soportar impactos de manera segura usando técnicas probadas, (2) o reubicar equipos en una ubicación más protegida, (3) o en casos difíciles, solicite al ingeniero jefe que incluya su diseño en la lista de equipos tan sensibles que toda la ISS deba moverse en órbita para evitar la entrada de escombros, (4) o para los equipos que ya están en la ISS, realice evaluaciones de daños y peligros.

Otros impactos específicamente malos de los rodamientos de bolas son que: (a) toda la ISS está diseñada para soportar el impacto de un objeto de 1 cm, por lo que un golpe de estos rodamientos de bolas pone a toda la estación exactamente en su peor condición de diseño para que la mayoría de los equipos sobrevivan , (b) los rodamientos de bolas de acero son particularmente malos porque son muy fuertes y es probable que sobrevivan a la mayoría de los impactos iniciales y sigan funcionando.

Otras respuestas anteriores son correctas sobre el peligro en LEO para ISS o cualquier otra nave espacial en órbita con una inclinación o altitud diferente a la de los desechos. La ISS tiene una inclinación de 51°, mientras que la mayoría de los lanzamientos desde el Cabo tienen una inclinación de 28° y los de Baikonur, de 45°. Además, hay muchas naves espaciales que cambian su inclinación después del lanzamiento, por lo que hay muchas posibilidades de acertar. hasta e incluyendo colisión frontal.

Por último, solo para aclarar la pregunta de animación TESS anterior sobre un adaptador de interfaz de refuerzo y una abrazadera Marmon que se liberan en una órbita indefinida, existen tratados internacionales y requisitos para licencias de lanzamiento y licencias de operaciones de naves espaciales que PROHÍBEN LA LIBERACIÓN DE CUALQUIER COSA que no vuelva a entrar y quemarse, o hacer cualquier cosa en órbita que libere escombros.

Esta es información sobre escombros: https://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/faq.html

Esta es información sobre el diseño para un entorno de desechos: https://www.nap.edu/read/5532/chapter/6 .

¡Gracias por tu publicación! Algunas de sus observaciones son muy buenas. Sobre la animación TESS y los tratados; la razón por la que lo incluí fue principalmente para dar un ejemplo de un objeto que tendría una sección transversal de radar grande y distinta, por lo que la forma en que se manejan las cosas, sería comparativamente mucho más fácil de rastrear que la gran cantidad de objetos extremadamente difíciles de rastrear. "bolas espaciales" de cm de tamaño que la nave espacial "estrella fugaz" podría dispensar, o liberar todas a la vez si hubiera una colisión con algo.
No sé qué podrían especificar los diversos tratados sobre el hipotético reborde de Marmon en particular que se muestra en la animación, pero estoy seguro de que el tiempo que tarde en descomponerse será rastreado hasta el final. Y las "bolas espaciales" pueden no ser esferas sólidas de acero. Están destinados a ser pirotécnicos como en el tipo de fuegos artificiales (no del tipo de perno explosivo) por lo que podrían tener todo tipo de estructuras y composiciones internas diferentes. Tengo el presentimiento de que no haría una gran diferencia más allá de la masa; 5 gramos de acero probablemente arderían tanto como 5 gramos de sodio a una velocidad relativa de 5000 m/s.

Aparentemente han leído la respuesta de @Tristan . ¡Qué fuerza tan poderosa es Stack Exchange!

Acabo de ver esto en Buzzfeed (Google me envió allí, normalmente no lo leo): La gente rica pronto podrá comprar lluvias de meteoros falsas a pedido .

ALE bajó deliberadamente la órbita de su satélite por debajo de las 250 millas de altitud de la Estación Espacial Internacional para evitar cualquier riesgo de colisión. Solo unos 40 satélites viajan por debajo de las 220 millas de altura, dijo Rodenbaugh, y la firma planea verificar tres veces antes del lanzamiento de cualquier estrella fugaz con el catálogo de trayectorias de satélites del Comando Estratégico de EE. UU. Cualquier posibilidad de que un meteorito artificial se acerque a 124 millas de un satélite cancelará el evento.

“Ejecutamos una simulación de liberación de partículas cada hora durante un año contra el catálogo y no encontramos ningún momento en el que nos acercáramos”, dijo Rodenbaugh.

Eso es genial por ahora. Pero en la próxima década, SpaceX de Elon Musk planea poner 7.500 nuevos satélites de Internet de banda ancha en órbitas a unas 210 millas de altura, justo debajo de los satélites de ALE. Otras empresas están planeando flotas de satélites similares, señaló Seitzer.

y después:

Además, algunos satélites de seguridad nacional no se incluyen deliberadamente en el catálogo de satélites en el que se basará ALE, señaló el teniente coronel retirado de la Fuerza Aérea Charles Phillips. Señaló los informes publicados de los satélites espía de la Oficina Nacional de Reconocimiento que descienden hasta 158 millas de altitud en sus trayectorias . (énfasis añadido)

“Si el satélite Sky Canvas golpea accidentalmente un [satélite espía], podría haber gente enojada”, dijo Phillips a BuzzFeed News por correo electrónico. “Por supuesto, todos quieren fomentar la innovación y el uso comercial del espacio, pero este uso requiere pasos extraordinarios para evitar que otras naves espaciales se vean afectadas, literalmente”.

El primer lanzamiento de ALE ha sido aprobado por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, dijo Rodenbaugh a BuzzFeed News. La firma también ha consultado con la NASA, la Agencia Espacial Europea y el Departamento de Defensa de EE. UU., dijo, e informalmente con las agencias espaciales china y rusa.

“Estamos más que felices de acercarnos a cualquier persona y hablar sobre cualquier inquietud que puedan tener sobre cualquier cosa que tengan en órbita”, dijo Rodenbaugh. “Queremos que esto funcione para todos”.

Josh Rodenbaugh: miembro del equipo de operaciones satelitales de ALE

Patrick Seitzer: astrónomo de la Universidad de Michigan

¿Por qué una caja llena de bolas de 1 cm lanzadas en LEO sería tan aterrador para un ingeniero que apoya a la ISS?
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