Цели и задачи проекта

Создание моделей разрушения метеороидов для случаев, когда фрагменты движутся с общей ударной и когда они движутся независимо.
Создание моделей абляции метеороидов, задание радиационных и конвективных тепловых потоков, удельной теплоты абляции и коэффициента сопротивления в континуальном и переходном к свободно-молекулярному режимах обтекания.
Создание аналитических и численных методов моделирования взаимодействия метеороидов с атмосферой.
Применение созданных моделей к описанию реальных явлений.


Воспроизвести наблюдательные данные (световую кривую, траекторию) конкретного метеороида и оценить его неизвестную начальную массу и размер, массу и области выпадения метеоритов
Моделирование входа в атмосферу астероидов (крупных тел), энерговыделение которых может представлять опасность для человечества и природы, оценка возможных последствий такого входа
Моделирование взаимодействия с атмосферой мелких метеороидов в метеорных потоках, представляющих опасность для космических аппаратов в околоземном пространстве

Процесс исследования

Большие скорости входа небесных тел в атмосферу Земли (от 11 до 72 км/с) порождают физико-химические процессы, не проявляющиеся при обтекании космических аппаратов. Под действием интенсивных тепловых потоков метеороид плавится, испаряется и теряет большую часть своей массы (процесс абляции). Под действием больших аэродинамических нагрузок метеороиды разрушаются, а неиспарившиеся фрагменты выпадают на землю (метеориты). При движении небесного тела в атмосфере температура за ударной волной сильно возрастает, воздух и пары материала метеороида начинают излучать, метеороид светится, образуя такое явление как метеор или болид (метеор ярче звездной величины – 4). Благодаря светимости метеороидов их можно наблюдать визуально и регистрировать наземными и спутниковыми системами наблюдений. Взаимодействие с атмосферой мелких метеорных тел происходит в свободномолекулярном и переходном режимах обтекания, более крупных (размером примерно от 0.1 до 100 м) -  в переходном и континуальном режимах.

 Моделирование взаимодействия метеороидов с атмосферой проводится на основе обыкновенных дифференциальных уравнений метеорной физики (МФ), описывающих траекторию, скорость, абляцию и энерговыделение небесного тела. Определяющие параметры уравнений МФ – коэффициент теплопередачи (для крупных тел в основном радиационной), удельная теплота абляции и коэффициент сопротивления. Основную проблему при моделировании уноса массы и движения метеорных тел в атмосфере представляет недостаточность данных по тепловому потоку и удельной теплоте абляции в диапазоне параметров, характерном для их полета, так как результаты численных и экспериментальных исследований тепловых потоков и теплоты абляции, полученные для космических аппаратов, большей частью не применимы для условий полета метеорных тел. Кроме того, для решения уравнений МФ надо представить их определяющие параметры в виде аналитической зависимости от скорости тела, его размера и плотности атмосферы. Ввиду имеющихся сложностей, в литературе эти параметры полагаются постоянными. Поэтому исследования проекта направлены на получение обоснованных выражений для коэффициентов конвективной и радиационной теплопередачи, сопротивления и удельной теплоты абляции в зависимости от плотности атмосферы, формы, скорости и размера тела как континуальном, так и в переходном режимах обтекания, а также на оценку влияния неточности задания этих коэффициентов на моделируемые характеристики взаимодействия метеорных тел с атмосферой. Надо также создавать программы численного решения уравнений МФ для разрушающихся по разным сценариям тел.

Разрушение – это один из основных процессов, наряду с абляцией, оказывающих существенное влияние на взаимодействие метеороида с атмосферой. Разрушение небесных тел, входящих в атмосферу Земли с разными скоростями, составами, структурами, размерами и прочностью, может происходить по-разному, поэтому важно развивать различные подходы к его моделированию. В случае разрушения метеороида на большое число фрагментов, на первом этапе они движутся с общей ударной волной как единое тело. В этом случае нужны модели, описывающие движение облака фрагментов, которое под действием сил давления будет сжиматься в направлении движения и расширяться в поперечном, а также из-за расхождения фрагментов менять свою плотность. После расхождения фрагментов на достаточное расстояние, они движутся независимо, и в этом случае надо создавать модели, описывающие их распределение по массам.

Важным направлением исследования является тестирование созданных моделей абляции и фрагментации, и полученных аналитических и численных решений уравнений МФ путем сравнения с имеющимися наблюдательными данными по пролету небесных тел и с эмпирическими данными по распределению по массам выпавших на землю неиспарившихся фрагментов после разрушения этих тел в атмосфере, а также с результатами высокоскоростных ударных экспериментов по разрушению тел с разными пределами прочности.

Результаты проекта

Моделирование фрагментации небесных тел. Разработана двухпараметрическая модель разрушения метеороида в атмосфере на облако фрагментов, движущихся с общей ударной волной, форма и плотность которого меняется вдоль траектории. Выведено соотношение для распределения фрагментов разрушенных небесных тел (в космическом пространстве и в атмосфере Земли) по массам при степенном законе для плотности вероятности. С применением этого соотношения проведено описание результатов ударных экспериментов, моделирующих фрагментацию астероидов при их столкновении в космическом пространстве. Описаны результаты около 30 экспериментов по разрушению тел разной формы из материалов с разной прочностью, в широком диапазоне скоростей соударения. Построены и аналитически описаны распределения по массам метеоритов, выпавших на землю после пролета и разрушения в атмосфере ряда крупных метеороидов различного состава.

Моделирование движения, абляции и энерговыделения небесных тел в атмосфере. Получена корреляционная зависимость коэффициента теплопередачи от скорости, размера тела и плотности атмосферы; предложена зависимость удельной теплоты абляции от скорости, интерполирующая ее значение между теплотами плавления до теплоты испарения. Получено аналитическое решение для коэффициента сопротивления сфероида. Получено приближенное аналитическое решение уравнений метеорной физики, описывающих траекторию, скорость, унос массы и энерговыделение метеороида. Создана программа численного решения этих уравнений с учетом криволинейности траектории.

Проведено численное и аналитическое моделирование взаимодействия Челябинского астероида с атмосферой. Получено хорошее согласование с данными наблюдений для кривой энерговыделения, световой кривой, начальной массы тела и распределения выпавших метеоритов по массам.