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2007年2月 8日 (木曜日)

「完全破壊」の話

どの程度のデブリが当たったら、衛星が破壊されるのか?
NASAの経験則で 40J/g という値をよく使います。衝突してくるデブリの運動エネルギーを、衝突される衛星の質量で割って、40J/g以上なら「完全破壊(catastrophic)」、それ以下なら「部分破壊」とします。
「~となります」ではなく「~とします」なのは、両者の材質や当たりかたなど不確定要素が多いので、これ以上なら実際に破壊されますという線引きが難しいから。単に、デブリの研究上の都合で、これ以上を完全破壊するものといわば「定義」しているのです。破壊で発生した破片の統計的分析では、横軸にサイズ、縦軸に数(厳密には、「そのサイズ以上の破片の数」)をとってグラフを描くことが多く、「完全破壊」モードか「部分破壊」モードかで、分布グラフ形状が変わってきます。

完全破壊というのは、衛星の主構造が粉々に砕け散るような状態。うちの学生が昨年、模擬CubeSatにデブリを衝突させて、完全破壊させた実験の簡単な報告が、The Orbital Debris Quarterly News, Volume 10, Issue 3, July, 2006. の4ページ目に掲載されています。写真もあるので、見れば「粉々」さが分かってもらえるかと思います。

さて、「だいち」を完全破壊させるデブリの大きさはどのくらいか。
だいちの質量は約4トン。これを完全破壊させる衝突エネルギーは、
4ton×40J/g = 1.6 × 108 J
風雲1号Cのデブリ軌道とはほぼ直角に交差しますから、相対速度はおよそ斜め前方45度から 10km/s。デブリの質量 1kg あたりの運動エネルギーは、
1/2 V2 = 0.5 × 108 J/kg
したがって、3.2kg 以上のデブリなら、完全破壊のエネルギーを持つことになります。3.2kg なら、たとえアルミの塊でも、直径 10cm 以上になりますから、事前に発見して回避可能です。

ちなみに既存のデブリとの衝突は正面衝突が多く、相対速度の平均はおよそ 14km/s。これだと半分の 1.6kg で完全破壊に至ります。

もちろん、それ以下のデブリの衝突は「部分破壊」に分類されるとはいえ、本体が砕けないだけで、1kg いや 100g もあれば、大穴を空けたり、太陽電池をもぎ取るなど、機能喪失に陥らせるだけの破壊力を持ちます。

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コメント

やはり第一宇宙速度はとてもエネルギーを持っていますね。ISSなどは事前に察知し避けることができるとしても、リモセン衛星など普通の衛星では回避動作をすることは難しいですよね。
それにしてもCubesatの粉々っぷりはすごいですね・・。

投稿: Naoki Miyashita | 2007年2月 9日 (金曜日) 08:17

日本の衛星で、近い軌道高度にいるのは、
「だいち」「あかり」「れいめい」
「だいち」級なら、ある程度マニューバー能力があるでしょう。通常の軌道維持のために。ただ不利な要素として、太陽電池パドルの面積が大きくて、南極上空ではそれを水平線にちかい太陽に向けて立てることになるので、デブリに対する投影面積が大きいこと。事前に発見できない微小デブリが怖いです。
「れいめい」はマニューバ能力ゼロだけど、面積が小さいから衝突リスクも小さいだろう。「あかり」はそれらの中間。

1kgのCubeSatへの、14km/sの正面衝突だと、わずか0.4gのデブリでも完全破壊になる計算です。

投稿: ごんざぶろう | 2007年2月 9日 (金曜日) 15:10

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