¿Cuáles son las posibilidades de que una nave espacial sea golpeada por basura espacial?

je. Resulta que averiguar la respuesta a esto es precisamente lo que hago para ganarme la vida.

La respuesta simplista: depende.

1. Depende de qué tan grande sea el objeto que le preocupa golpear. ¿Le preocupa dañar los arneses de cableado? ¿Le preocupa causar una fuga en el radiador? ¿Perforar un agujero en el módulo de la tripulación? ¿Aniquilar el vehículo por completo? Cuanto más grande es el objeto, menos probable, en una escala bastante dramática.
2. Depende de la órbita en la que vuele. Diferentes altitudes e inclinaciones tienen poblaciones de desechos drásticamente diferentes.
3. Depende del tamaño de tu vehículo. Los vehículos más grandes reciben más golpes.
4. Depende de cuánto tiempo vueles. Permanece en órbita 10 años y recibirás aproximadamente 10 veces más cosas de las que recibirías si permanecieras durante un año.

En ISS, normalmente escribimos requisitos de esta manera:

La [pieza de hardware] no sufrirá daños por desechos orbitales que podrían crear un [peligro catastrófico | falla de subcomponente | otra falla definida] con una probabilidad de 0.xyz durante XY años.

Lo que escribimos exactamente depende específicamente del hardware involucrado, cuánto nos preocupamos por él, cuánto podría sufrir la estación si lo perdiéramos, etc.

¿Nueva pieza de estructura crítica? Especificaríamos un requisito bastante estricto, digamos, algo más del 99% durante una década.

¿Arnés de cables para una antena Wi-Fi para cargas útiles? Tal vez no tanto, digamos, 95-98% por año.

Un requisito más estricto encarece el hardware y (y quizás lo que es más importante) su proceso de certificación.

Nivel de integridad de seguridad (SIL)

La forma en que probaríamos convencionalmente y definiríamos matemáticamente los riesgos involucrados en los vuelos espaciales, incluidos los desechos, sería a través de niveles SIL que describen la cantidad de eventos peligrosos que podrían ocurrir aceptablemente en una sola hora de vuelo espacial. Esto es muy similar a la aviónica, los sistemas ferroviarios y la conducción autónoma.

La cantidad de eventos por hora es muy pequeña, del orden de micro o nano eventos/h para los niveles SIL más bajos, y disminuye a medida que el nivel SIL se vuelve más peligroso. En otras palabras, MTBF debe ser muy alto para fallas que son catastróficas y resultan en la pérdida de vidas o la destrucción de propiedades costosas como un transbordador, un satélite, una sonda o una estación.

Tenga en cuenta que estas son las estadísticas ideales y no reflejan la práctica del mundo real. Además, el número representa el tiempo agregado de vuelo espacial en todas las naves espaciales relevantes. Imagínese probar una flota completa de 5000 vehículos autónomos, cada uno manejando en carreteras y calles de la ciudad durante 1000 horas para un total de 5,000,000 horas, y mide cuántas veces uno de los autos estuvo en una situación "catastrófica" que condujo fatalidad o situación "peligrosa" que podría haber llevado a la fatalidad. Digamos que los números son 1 y 4 para un total de 5 incidentes. Entonces, la tasa de falla promedio sería de 5 eventos/5,000,000 horas de tiempo de manejo, o 10 ^-5eventos/hora Esto probablemente no se consideraría exitoso en base a los estándares de aviación, pero los fabricantes de automóviles y los reguladores podrían interpretar estas cifras como aceptables. En los vuelos espaciales, los diseñadores y las instituciones aeronáuticas que los emplean son bastante conservadores, por lo que no serían "suficientemente buenos": el término técnico es un "riesgo intolerable" en lugar de un "riesgo aceptable".

Obviamente, algunos objetos que no están tripulados se tratan de manera diferente a las naves espaciales tripuladas, y las sondas, los satélites, las estaciones espaciales, etc. tendrán diferentes métricas de riesgo. Lo anterior es un esquema general.

La gestión del riesgo

Entonces, si estas métricas SIL deben cumplirse para que una misión sea satisfactoriamente segura, ¿qué se puede hacer cuando hay desechos aleatorios flotando en una órbita cercana a la Tierra? La clave es:

• reducir la probabilidad de que ocurran eventos peligrosos;
• así como gestionar fallas, fallas y desastres cuando ocurren.

El Departamento de Defensa de EE. UU. ha catalogado 27 000 piezas de escombros en una órbita cercana a la Tierra que se precipitan a velocidades de alrededor de 17 500 mph alrededor del planeta; El análisis estadístico de la NASA de las lecturas de los sensores se aproxima a que 23.000 de estas son del tamaño de una pelota de béisbol (d = 9,7 cm) o más grandes y, por lo tanto, definitivamente lo suficientemente grandes como para causar un evento catastrófico. Además hay un estimado:

• 23.000 piezas > 10 cm (d), tamaño de softball
• 500.000 piezas > 1 cm (d), tamaño mármol
• 100.000.000 piezas > 0,1 cm (d), ancho de grafito portaminas

Los del tamaño de una canica y cualquier cosa más pequeña no se pueden rastrear de manera confiable.

Se analizan las trayectorias de estos escombros más masivos (diagrama anterior) y se les da un margen de error conservadoramente grande para hacer que la probabilidad de una colisión disminuya a 10 ^-9 eventos/hora o más o menos. Esto probablemente se base en pruebas estadísticas (diagrama anterior), como las simulaciones de Monte Carlo (o algo comparable pero computacionalmente más rápido). En el improbable caso de que uno de los 23 000-27 000 objetos grandes rastreados se aleje demasiado de su trayectoria prevista durante el seguimiento(diagrama de arriba) y posiblemente se acerque peligrosamente a la nave espacial, la NASA inicia un procedimiento de prevención de desechos, que posiblemente involucre roles tanto automáticos como manuales para maniobrar la nave espacial a un lugar seguro, que es parte de las pautas de larga data en la NASA como un medio para limitar Los eventos SIL 4 pasen de ocurrir a una tasa/probabilidad de falla aceptable.

En cuanto a los escombros más pequeños, los barcos contemporáneos están equipados con blindaje e, idealmente, protección redundante (diagrama) y sistemas y hardware críticos redundantes en caso de que los escombros pequeños dañen los escudos principales o los componentes o subsistemas de misión crítica. La redundancia reduce en gran medida la probabilidad de falla y aumenta en gran medida el MTBF. Estos escudos funcionan para desechos de menos de 1 cm.

¿Probabilidad de riesgos de desechos medianos difícil de medir?

Eso deja los escombros de 1 cm a 10 cm, los escombros más letales. Estos son lo suficientemente grandes como para romper el blindaje y, sin embargo, son lo suficientemente pequeños como para ser imposibles de rastrear.

Para encontrar la probabilidad de una colisión con estos, necesitaríamos usar datos históricos de cuántas horas ha volado toda la nave espacial versus cuántas colisiones con este tipo de desechos han ocurrido. Desafortunadamente, el número de colisiones es estadísticamente insignificante. El otro problema es que el número de escombros no se ha mantenido estático. Por ejemplo, en 2009, una nave espacial comercial que transportaba Iridium se estrelló contra un satélite ruso latente , lo que resultó en miles de nuevos desechos. Por lo tanto, la cantidad de escombros no se ha mantenido estática, lo que hace que los cálculos de probabilidad dependan del tiempo cronológico en que la humanidad exploró o usó el espacio cercano a la Tierra. Esto hace que los cálculos sean desafiantes:

• pequeño número de colisiones, esencialmente estadísticamente insignificante
• cantidades variables en el tiempo de escombros peligrosos de 1 cm a 10 cm

Compare esto con nuestro ejemplo de probar una flota de autos sin conductor. Podemos escalar fácilmente (teóricamente) esto a decenas de millones de horas de prueba y docenas de accidentes. La probabilidad de chocar es más o menos estática o al menos revierte la media en todos los autos porque los peligros de chocar no aumentan o disminuyen continuamente a menos que alguna variable, como las nevadas, pervierta los datos, con cantidades desproporcionadas de accidentes que ocurren durante condiciones de nieve. y sensores que no detectan señales cubiertas de nieve.

Es posible que no haya un rango satisfactorio de números para cuantificar la probabilidad sin datos históricos sustanciales de colisiones, cuasi colisiones, número de horas de vuelo espacial realizadas desde el comienzo de la exploración espacial y número aproximado de 1 cm a 10 cm de desechos en todo el espacio. Cronología del vuelo espacial, uso y exploración. La NASA podría conocer todos estos datos. Incluso entonces, nuestra detección de objetos de más de 10 cm ha mejorado, nuestra nave espacial es (probablemente) más confiable ahora, por lo que cualquier colisión pasada (hipotética) era más probable de lo que sería hoy, introduciendo otro conjunto de variables para hacer las cosas aún más inviable de calcular, ya que estas probabilidades se basarían en datos históricos que están sesgados hacia la tecnología obsoleta del pasado.