Информационно-управляющие системы

Как обустроить околоземное пространство для борьбы

с космическими угрозами
Аспиранты ГУАП Я.А. Липинский, А.А.Литовкин, В.А. Ненашев

под руководством профессора М.Б.Игнатьева и доцента А.В.Никитина
Издревле на нашу планету падали метеориты и астероиды, вызывая катастрофы планетарного масштаба. В связи с освоением космоса возникла новая угроза, созданная людьми, – космический мусор. В настоящее время на орбите Земли находятся свыше 600 тысяч объектов размером от 1 сантиметра и больше. Благодаря высокой скорости перемещения эти объекты представляют серьезную опасность для спутников и пилотируемых экспедиций. Развитие цивилизации на нашей планете позволяет поставить вопрос о предотвращении космических угроз. Вклад России в решение этой проблемы может быть весомым. Для того, чтобы консолидировать научно-технические силы вузов, академий и предприятий различных государств, как государственных, так и частных, необходимо организовать специальный международный проект по обустройству околоземного космического пространства для предупреждения и отражения космических угроз. Основные разделы такого проекта на основе обобщения литературы представлены ниже.

1. Освоение Космоса – результат развития всего комплекса наук и образовательных программ. Новые задачи по освоению Космоса ставят новые задачи перед образованием [2] и позволяют поднять престиж образования, и прежде всего в области информатики, которая может построить совершенные модели будущих космических кораблей и лунных баз. Запуск первого спутника Земли в СССР в 1957 г. явился триумфом советской образовательной системы и в США были срочно приняты меры по совершенствованию образовательной системы.

В последние годы активно обсуждаются различные аспекты, так называемой “кометно-астероидной опасности”. Научный интерес в астрономии к этой проблеме был всегда, поскольку в ее основе лежат фундаментальные задачи изучения происхождения, строения и эволюции Солнечной системы и населяющих ее небесных объектов (больших и малых планет, их спутников, комет, астероидов и пр.). С другой стороны, астрономические наблюдения последних лет показывают, что заселенность межпланетного пространства, в том числе и околоземного, природными небесными телами типа астероидов, комет и их фрагментов достаточно высока, чтобы представлять реальными их столкновения с Землей.

В настоящее время известно около четырех сотен астероидов, орбиты которых опасно сближаются с орбитой Земли (АСЗ) с диаметрами от 40 километров до нескольких метров. Общее же число неоткрытых АСЗ может достичь по некоторым оценкам ста тысяч и более. Встреча Земли с одним из таких АСЗ может иметь катастрофические последствия различной степени. Наиболее тяжелые, глобальные и региональные катастрофы ожидаются от столкновения с АСЗ крупных и средних размеров от 100 метров до десятков километров и более.

С большой достоверностью точечный процесс появления потенциально опасных событий (потенциально опасных сближений Земли с астероидами) является пуассоновским с постоянной интенсивностью. Пуассоновский процесс характеризуется экспоненциальным распределением времени между последовательными скачками (точками экстремального процесса). От катастрофы до катастрофы реализуется случайное число потенциально опасных событий [13].

Обсуждаемая в печати стратегия астероидной защиты Земли носит пока отвлеченный характер. Основной акцент делается на сбор информации о характеристиках наиболее опасных АСЗ с диметрами более 1 км путем организации мониторинга с целью их обнаружения, отождествления и прогнозирования движения. В рамках международной программы астероидной опасности ( Spaceguard Foundation ) более 40 астрономических телескопов ведут регулярные наблюдения по обнаружению и отождествлению малых тел Солнечной системы, в том числе и АСЗ. Малоразмерные астероиды, составляющие главную реальную угрозу при их падении на Землю, более многочисленны и менее изучены. Здесь, учитывая большую вероятность их столкновения с Землей, наряду с мониторингом основное значение имеет предотвращение столкновения путем отклонения или уничтожения АСЗ. В ряде работ обсуждаются вопросы создания систем защиты от астероидной опасности различного назначения, структуры, местоположения. Лунная база рассматривается как интересное место для расположения службы астероидной безопасности. В настоящее время США, Китай, Европа и Россия развертывают работы по началу освоения Луны.

По данным NASA предстоящие лунные экспедиции будут гораздо продолжительней, чем миссии «Аполлонов». Для пребывания на Луне астронавтам будет нужен лунный дом. В настоящее время NASA планирует создание первой лунной базы к 2020 году. Первые четыре «селенита» проведут на Луне 7 дней, но по мере расширения лунной базы, время пребывания на ней будет достигать 180 дней. Для жизни на Луне NASA сконструировало прототип надувного жилого лунного модуля. Космический дом астронавтов имеет высоту 3,65 метра, а надувной каркас сделан из многочисленных слоев ткани. В последующие несколько лет инженеры протестируют надувную оболочку на жесткость, прочность и на степень защиты от излучения, чтобы лунные жители могли чувствовать себя, как дома. http://www.universetoday.com/2007/02/27/nasa-reveals-a-sample-lunar-base/?1365

В СССР фирма академика В.П.Бармина в конце шестидесятых годов ХХ века построила макет лунной базы под Ташкентом на местности, ландшафт которой напоминает лунный .Государственный университет аэрокосмического приборостроения с участием одного из авторов данной статьи для этой базы разработал спектр робототехнических систем. Существуют различные проекты освоения Луны, об одном из них рассказывал космонавт Н. Севостьянов. Доставлять на орбиту космонавтов и грузы будет новый многоразовый корабль Клипер. Клипер вместе с буксиром, который придет на смену грузовым Прогрессам, сможет перевозить до 10 тонн грузов, что значительно сократит транспортные расходы, - подчеркнул Н. Севостьянов.

Пилотируемый Клипер и разработанный в РКК межорбитальный буксир «Паром» образуют единый многоразовый транспортно-грузовой космический комплекс, который будет обслуживать промышленное освоение Луны.

В настоящее время складывается согласованное мнение о структуре Лунной базы. Она должна состоять из пяти блоков. Первый блок – система взлета-посадки, космопорт. Второй блок – жилой комплекс, в котором долгое время (год в автономном режиме) могут жить космонавты. Третий блок – блок производства строительных конструкций из лунных материалов и ремонта техники. Четвертый блок – блок добычи и переработки полезных ископаемых. Пятый блок – блок астрономических исследований. Для разработки этих блоков должны быть привлечены специалисты из разных областей науки и техники и осуществлено комплексное моделирование.

2. Прежде чем осуществлять реальное освоение Луны и астероидов, необходимо осуществить полномасштабное компьютерное моделирование различных вариантов с целью выбора наилучших. Технология виртуальных миров обеспечивает погружение человека в определенную среду (например, искусственно созданный трехмерный мир с шестью степенями свободы) и взаимодействие (интерактивность) человека с объектами и персонажами этого мира в реальном времени с использованием физических, физиологических и других характеристик человека [4, 14, 22, 23] . Во-первых, необходимое создание Всемирной виртуальной астрономической обсерватории для полного мониторинга околоземного пространства на основе сетевого объединения как профессиональных обсерваторий, так и любителей астрономии, вооруженных телескопами. Если профессиональных астрономических обсерваторий на Земле около ста, то любителей астрономии свыше ста тысяч и их помощь в наблюдении за околоземным пространством очень важна.

Технология виртуальных миров в настоящее время – это развитая отрасль компьютерной науки. Ниже приводится перечень основных аспектов этой технологии применительно к задачам обустройства околоземного космического пространства с целью разработки многофункциональной интерактивной 3D модели околоземного космического пространства, представляющее взаиморасположение и поведение Земли, Луны, астероидов и спутников для индивидуального и группового исследования и демонстрации.
Архитектура

1. 
   Подсистемы
   

• 
  управление
  
• 
  интерфейс пользователя
  

• 
  погружение
  

• 
  видео (моно/стерео)
  
• 
  аудио
  
• 
  кинестетика
  
• 
  запахи
  
• 
  вкус
  

• 
  интерактивность
  

• 
  моделирование
  
• 
  связь со средой
  

2. 
   Режимы работы
   

• 
  Индивидуальный (один экран – один пользователь)
  
• 
  Групповой (один экран – несколько пользователей)
  
• 
  Многопользовательский (пользователи географически распределены)
  

Основные этапы создания

Перечень работ

1. Общий сценарий

2. Создание библиотеки моделей и информационных ресурсов

2.1 Интерактивная карта территории с указанием местоположения значимых объектов

2.2 Моделирование окружающей среды 1) ландщафт 2) объекты – камни и т.п.

2.3 Моделирование зданий и объектов 1) статика Здания Помещения (связные и несвязные) Объекты (мебель и т.п.) 2) анимации 3) интерактивность 4) физические законы 5) интеллектуализация поведения

2.4 Моделирование оборудования 1) статика 2) анимации 3) интерактивность 4) физические законы 5) интеллектуализация поведения

2.5 Моделирование персонажей представляющих пользователя – модели + анимации (до 5) автономных – модели + анимации (до 5) интерактивность интеллектуализация поведения анимация лица взаимодействие на основе физических законов

2.6 Разработка информационных ресурсов: 1) справочная информация 2) видео ролики и т.д.

3. Создание однопользовательских приложений

4. Разработка среды для многопользовательских приложений (Intranet/Internet): Multiuser Server Voice Communication Текстовый чат

5. Создание многопользовательского приложения с поддержкой визуальной, голосовой, текстовой и невербальной коммуникации

6. Средства доставки пользователю и их интеграция Локальная - компакт-диски Сетевая – сайт/портал Комбинированная

3. В целом, Луну можно считать идеальным местом для реализации многих современных и будущих научных программ. Реализация этих программ связана с созданием на Луне долговременной базы, обеспечивающей работу обсерватории, оснащенной астрономическими и другими инструментами.

С общих позиций, Луна является закономерным, неизбежным этапом освоения человечеством космического пространства. Динамика этого процесса определяется уровнем развития земной цивилизации, ее научного и технологического уровня. Прогнозы показывают, что начальная стадия освоения Луны автоматическими устройствами-роботами может быть реализована в ближайшие 10-15 лет. Дальнейшее расширение работ на Луне и создание обитаемой лунной базы (или баз) по широкому диапазону исследования Луны, с Луны и на Луне [24] просматривается в перспективе ближайших 10-20 лет.

Луна сама по себе выполняет важные функции по защите Земли от астероидов, притягивая часть астероидов и метеоритов на себя. Но одной Луны мало для выполнения этой функции. Представляется целесообразным отбуксировать несколько астероидов на лунную орбиту, распределив их равномерно по лунной орбите и тем самым создав как бы экран для отражения космических угроз[3]



Рисунок 1. Расположение защитных станций на орбите Луны.
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения предлагает создать систему интерактивного трехмерного моделирования лунной базы и других космических объектов на основе технологии виртуальных миров для выработки проектных решений по различным объектам и системе машин для освоения Луны и для обустройства околоземного космического пространства [3, 4, 5, 20 , 21, 22, 23, 25].

3. 
   Развитие цивилизации на нашей планете позволяет поставить вопрос о предотвращении космических угроз. Существуют различные проекты для достижения этой цели. Для борьбы с космическим мусором США предлагают использовать мощный лазер, а Япония – специальную сеть. Существует множество проектов по борьбе с астероидной опасностью. Один из таких проектов – гравитационный тягач. Идея этого проекта заключается в том, чтобы изменить траекторию движения астероида путем длительного гравитационного воздействия космического корабля, который должен находиться рядом с астероидом и тем самым изменять характеристики движения астероида[1,8].
   

Рисунок 2. Гравитационный тягач для борьбы с астероидной опасностью.

4. 
   Для иллюстрации идеи гравитационного тягача создан его макет на основе обобщения литературы. Макет состоит из системы взаимодействующих тел, лазерного дальномера, блока управления, двигателя и солнечной батареи. В макете гравитационные воздействия моделируются магнитными взаимодействиями стального шара (модель астероида) и сильных постоянных магнитов на подвижном основании. Шар перемещается по круговому желобу. Принцип действия макета заключается в том, что с помощью лазерного дальномера измеряется расстояние от подвижного основания, где установлены постоянные магниты, до шара. С помощью блока управления и двигателя это расстояние удерживается с точностью 1 мм в диапазоне 20-40 мм и тем самым имитируется перемещение астероида под воздействием дополнительной гравитационной силы космического аппарата.
   

Макет служит для лучшего понимания действия гравитационного тягача и может быть использован в образовательных целях.

Как показывают исследования [1,8,11,12,13], с большим астероидом диаметром свыше 10 км человечество на данном уровне развития цивилизации справиться не сможет и тогда большой катастрофы планетарного масштаба не избежать. Поэтому важны теоретические исследования по разработке новой картины мира [1, 6, 9, 14].



Рисунок 3. Макет гравитационного тягача.
5. Проблемы обустройства околоземного космического пространства для борьбы с космическими угрозами могут быть решены в рамках широкого международного сотрудничества. Первая попытка организовать международное сотрудничество в космосе была предпринята на Потсдамской конференции, которая проходила под Берлином с 17 июля по 2 августа 1945 года. В самом конце этой конференции глава делегации СССР И.В.Сталин предложил рассмотреть вопросы освоения Луны, но это предложение было отвергнуто представителями западных держав, а уже 6 августа была сброшена атомная бомба на Хиросиму и началась новая гонка вооружений. Как известно, СССР первым запустил искусственный спутник Земли в 1957 году, а в 1961 году вывел на орбиту первого человека – Юрия Гагарина. В 1969 году США высадили экспедицию на Луну, и только в 70-е годы ХХ века удалось осуществить первый совместный проект Апполо - Союз. В конце 90-ых годов бывший министр обороны США Р. Макнамара и создатель американской водородной бомбы Э. Теллер провели в России переговоры по борьбе с астероидной опасностью. В настоящее время успешно функционирует международная космическая станция и реализуются многие международные космические проекты, но налаживание широкого международного сотрудничества по борьбе с космическими угрозами требует нового уровня международного взаимодействия. Необходимо создание единого центра по предупреждению и отражению космических угроз и мобилизации научно-технического потенциала Земли.
Литература

1. 
   К.Э.Циолковский «Космическая философия. Сборник» М., 2004
   
2. 
   А.Богдан, М.Игнатьев, Н.Симатос, О.Чекан, Ши Кэ Синь, Ян Хао «Международный студенческий проект «Город на Луне» как пример учебно-созидательной деятельности» Тезисы Научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» С-Петербург, 1997.
   
3. 
   М.Б.Игнатьев, Г.И. Пинигин «О роли Луны в системе планетарной защиты и другие возможности борьбы с астероидной опасностью» Труды Международной конференции «Космическая защита 2000» Евпатория - Снежинск, 2000.
   
4. 
   М.Б.Игнатьев, Л.Д.Парфиненко, Г.И.Пинигин «Виртуальные структуры как инструмент объединения астрономических ресурсов на современном этапе» Тезисы Всероссийской астрономической конференции, С-Петербург, 2001
   
5. 
   М.Б.Игнатьев, Г.И.Пинигин «Астрономия с лунной базы» Труды международной научной конференции «Применение ПЗС-методов для исследования солнечной системы» Николаев, 2003, с.98-106.
   
6. 
   M.B.Ignatyev, G.I.Pinigin “Linguo-Combinatorial simulation of Universe” The 25^th General Assembly of International Astronomical Union, Sydney, Australia, 2003.
   
7. 
   М.Б.Игнатьев «Лингво-комбинаторное моделирование астероидной опасности» Материалы Всероссийской конференции «Астероидно-кометная опасность – 2005» С-Петербург2005, с.159.
   
8. 
   Lu E., Love S.G. “Gravitational Tractor for Towing Asteroids” Nature, 2005, vol. 438, Iss.7065, p.177- 178.
   
9. 
   М.Б.Игнатьев «Вселенная как самоорганизующаяся система» Тезисы Всероссийской астрономической конференции «Пулково-2009», С-Петербург, 2009, с.19-20.
   
10. 
    М.Б. Игнатьев «Освоение Луны как робототехническая проблема» Материалы 18-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» С-Петербург, 2007..
    
11. 
    Л.С.Новиков «Основы экологии околоземного космического пространства» М., 2006.
    
12. 
    А.К.Муртазов «Физические основы экологии околоземного пространства» Рязань, 2008.
    
13. 
    В.Ю.Королев, И.А.Соколов « Математические модели неоднородных потоков экстремальных событий» М., Торус Пресс, 2008.
    
14. 
    «Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра» под редакцией Б.М. Шустова и Л.В. Рыхловой, М., Физматлит, 2010.
    
15. 
    М.Б.Игнатьев «Кибернетическая картина мира. Теория сложных систем» С-Петербург, 2011.
    

16. Stachnik, R.V., Kaplan, M.C. (1994), “NASA’S Future Plans for Lunar Astronomy and Astrophysics”, Adv. Space Res. Vol.14,No.6, pp.245-251.

17. Mission to the Moon. Europa’s Priorities for the Scientific Exploration and Utilisation of the Moon, (1992), ESA SP-1150, European Space Agency, Noordwijk, pp. 1-190.

18. Foing, B.H. (1996), ESA Lunar Study: Precursor Astronomy Missions to the Moon”, Adv. Space Res. Vol.18, No.11, pp.43-44.

19. Ю.Д.Медведєв, М.Л.Свешников, А.Г.Сокольский и др., Астероидная опасность, ІТА, РАН, МІПАО, СПб,1996, 244с.

20. Столкновения в околоземном пространстве (космический мусор), ред. А.Г.Масевич, Москва, Космоинформ, 1995.

21. М.Б.Игнатьев, В.З.Ильевский, Л.П.Клауз «Моделирование системы машин» изд. Машиностроение, Л, 1986.

22. М.Б.Игнатьев, Г.И.Пинигин «Астрономия с лунной базы». Международная конференция по освоению Луны, Москва, 1996 г.

23. Игнатьев, Г.И.Пинигин, А.В.Никитин «О структуре и функциях лунной базы как места расположения Службы астероидной безопасности». Труды 3-ей международной конференции по исследованию и освоению Луны. Москва, 2000.

24. Игнатьев М.Б., Никитин А.В., Никитин А.А., Решетникова Н.Н. «Архитектура виртуальных миров» изд. Политехника, СПб, 2005; второе издание СПб, 2009.

25. Б. Обама «Новая космическая программа США» М., 2010.

26. М.Б.Игнатьев, Г.М.Герасимов, Я.А.Липинский. «Кибер-физические системы для глобальной автоматизации». Материалы Международного форума «Формирование современного информационного общества – проблемы, перспективы, инновации», том 2, Санкт-Петербург, 2013.
На предпоследней странице обложки

ОБЪЯВЛЕНИЕ

28 марта 1985 года вышло Постановление Центрального Комитета КПСС и Совета Министров СССР «О мерах по обеспечению компьютерной грамотности учащихся средних учебных заведений и широкого внедрения электронно-вычислительной техники в учебный процесс», которое сыграло большую роль в нашей стране. Постановлением предусматривалась реализация следующих основных мероприятий:

- Подготовка перечней технических средств, учебно-наглядных пособий и мебели для кабинетов информатики, разработка технических заданий на изготовлении компьютеров и план их выпуска (с учётом наращивания производства) на последующие годы.

- Организация обслуживания средств вычислительной техники.

- Подготовка учителей по специальности «Информатика и вычислительная техника», организация курсов повышения квалификации по указанной выше специальности, включая обучение основам информатики руководящих работников народного образования.

- Организация обслуживания средств вычислительной техники.

- Подготовка к изданию учебников и учебных пособий по вновь вводимой учебной дисциплине.

- Организация методического сопровождения курса «Информатика и вычислительная техника», включая организацию учебного процесса при проведении практических занятий.

- Установление и выплата доплат учителям и преподавателям за заведование кабинетом и обслуживание вычислительной техники.

Предусматривались (в неявном виде, в качестве привлечения соответствующих специалистов на условиях штатного совместительства) и работы в области создания прикладных программных средств. Правда, серьёзные работы по этому направлению начались лишь с середины 90-х годов, что существенно впоследствии повысило эффективность использования средств вычислительной техники в образовательном процессе

Представляется целесообразным подготовить новое Постановление Правительства РФ к 28 марта 2015 года, которое бы отразило реалии нашего времени и перспективы развития школьной информатики. Приглашаются к участию в подготовке такого Постановления все заинтересованные.


На последней странице обложки –

Занимательная нумерология
33 = 3 + 3 = 6


Священное число многих духовных традиций. Число «33» неоднократно встречается и в фольклоре, и в русских сказках, например, у Пушкина : 
Старик, тот что поймал золотую рыбку, рыбачил на море тридцать и три года; 
Илья Муромец пролежал на печи тридцать лет и три года, после этого явились старцы, раскрывшие богатырю его чудесную силу. 
Из моря выходят «в чешуе, как жар горя, 33 богатыря».
В 33 года Иисус Христос был распят на кресте. Смысл, заложенный при упоминании этого, говорит о возобновлении духа и построении новой системы ценностей. 
У человека 33 позвонка, я в современном русском алфавите 33 буквы.