Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Raumschiff von Weltraumschrott getroffen wird?

Heh. Es stellt sich also heraus, dass die Antwort darauf genau das ist, was ich beruflich mache.

Die glatte Antwort: es kommt darauf an.

1. Es hängt davon ab, wie groß ein Objekt ist, das Sie zu treffen befürchten. Haben Sie Angst vor beschädigten Kabelbäumen? Befürchten Sie, ein Kühlerleck zu verursachen? Ein Loch in das Mannschaftsmodul stanzen? Das Fahrzeug komplett vernichten? Je größer das Objekt, desto unwahrscheinlicher, in eher dramatischem Maßstab.
2. Es hängt davon ab, in welcher Umlaufbahn Sie fliegen. Unterschiedliche Höhen und Neigungen haben drastisch unterschiedliche Trümmerpopulationen.
3. Es hängt davon ab, wie groß Ihr Fahrzeug ist. Größere Fahrzeuge werden häufiger getroffen.
4. Kommt drauf an wie lange du fliegst. Bleiben Sie 10 Jahre im Orbit, und Sie werden mit ungefähr 10 Mal so viel Zeug getroffen, als wenn Sie ein Jahr bleiben würden.

Auf ISS schreiben wir typischerweise Anforderungen in diese Richtung:

Das [Teil der Hardware] wird keinen Schaden durch orbitale Trümmer erleiden, die eine [katastrophale Gefahr | Unterkomponentenfehler | andere definierte Fehler] mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,xyz über XY Jahre.

Was genau wir schreiben, hängt speziell von der beteiligten Hardware ab, wie sehr wir uns darum kümmern, wie sehr die Station leiden könnte, wenn wir sie verlieren, usw.

Neues Stück kritischer Struktur? Wir würden eine ziemlich strenge Anforderung spezifizieren, sagen wir etwas mehr als 99 % über ein Jahrzehnt.

Kabelbaum für eine Wi-Fi-Antenne für Nutzlasten? Vielleicht nicht so viel, sagen wir 95-98 % pro Jahr.

Eine strengere Anforderung macht die Hardware und (und vielleicht noch wichtiger) ihren Zertifizierungsprozess teurer.

Sicherheitsintegritätslevel (SIL)

Die Art und Weise, wie wir die mit der Raumfahrt verbundenen Risiken, einschließlich Trümmer, herkömmlicherweise testen und mathematisch definieren würden, wäre durch SIL-Stufen, die die Anzahl gefährlicher Ereignisse beschreiben, die in einer einzigen Stunde Raumflug akzeptabel auftreten könnten. Dies ist der Avionik, den Eisenbahnsystemen und dem autonomen Fahren sehr ähnlich.

Die Anzahl der Ereignisse pro Stunde ist sehr gering, in der Größenordnung von Mikro- oder Nanoereignissen/h für die niedrigsten SIL-Stufen, und nimmt ab, wenn die SIL-Stufe gefährlicher wird. Mit anderen Worten, MTBF sollte sehr hoch sein für Ausfälle, die katastrophal sind und zum Verlust von Menschenleben oder zur Zerstörung von teurem Eigentum wie einem Shuttle, Satelliten, einer Sonde oder einer Station führen.

Beachten Sie, dass dies die idealen Statistiken sind und nicht die Praxis widerspiegeln. Außerdem repräsentiert die Zahl die Gesamtzeit des Raumflugs über alle relevanten Raumfahrzeuge hinweg. Stellen Sie sich vor, Sie testen eine ganze Flotte von 5000 selbstfahrenden Fahrzeugen, die jeweils 1000 Stunden lang auf Autobahnen und Stadtstraßen fahren, insgesamt 5.000.000 Stunden, und Sie messen, wie oft eines der Autos in eine „katastrophale“ Situation gebracht wurde, die dazu führte zum Tod oder zu einer „gefährlichen“ Situation, die zum Tod hätte führen können. Angenommen, die Zahlen sind 1 und 4 für volle 5 Vorfälle. Dann wäre die durchschnittliche Ausfallrate 5 Ereignisse/5.000.000 Stunden Fahrzeit oder 10 ^-5Ereignisse/Std. Dies würde basierend auf Luftfahrtstandards wahrscheinlich nicht als erfolgreich angesehen werden, aber Automobilhersteller und Aufsichtsbehörden könnten diese Zahlen als akzeptabel interpretieren. In der Raumfahrt sind Konstrukteure und die Luftfahrtinstitute, die sie beschäftigen, ziemlich konservativ, daher wären diese nicht „gut genug“ – der Fachausdruck ist ein „untragbares Risiko“ im Gegensatz zu einem „akzeptablen Risiko“.

Offensichtlich werden einige unbemannte Objekte anders behandelt als bemannte Raumfahrzeuge, und Sonden, Satelliten, Raumstationen usw. haben andere Risikometriken. Das Obige ist ein allgemeiner Überblick.

Risikomanagement

Wenn also diese SIL-Metriken erfüllt werden müssen, damit eine Mission zufriedenstellend sicher ist, was kann dann getan werden, wenn zufällige Trümmer im erdnahen Orbit herumschwirren? Der Schlüssel ist:

• die Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher Ereignisse verringern;
• sowie Fehler, Ausfälle und Katastrophen zu verwalten, wenn sie auftreten.

Das US-Verteidigungsministerium hat 27.000 Trümmerstücke im erdnahen Orbit katalogisiert, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 17.500 Meilen pro Stunde um den Planeten rasen; Die statistische Analyse der NASA von Sensormesswerten schätzt, dass 23.000 davon die Größe eines Softballs (d = 9,7 cm) oder größer haben und somit definitiv groß genug sind, um ein katastrophales Ereignis auszulösen. Darüber hinaus gibt es geschätzt:

• 23.000 Stück > 10 cm (d), Softball-Größe
• 500.000 Stück > 1 cm (d), marmorgroß
• 100.000.000 Stück > 0,1 cm (d), Druckbleistiftbreite Graphit

Die murmelgroßen und alles, was kleiner ist, kann nicht zuverlässig verfolgt werden.

Die Wege dieser massiveren Trümmer werden analysiert (Diagramm oben) und mit einer konservativ großen Fehlerspanne versehen, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision auf 10 ^–9 Ereignisse/h oder so ungefähr verringern zu lassen. Dies basiert wahrscheinlich auf statistischen Tests (Diagramm oben), wie z. B. Monte-Carlo-Simulationen (oder etwas Vergleichbares, aber rechnerisch schneller). Für den unwahrscheinlichen Fall, dass eines der 23.000 bis 27.000 großen verfolgten Objekte während der Überwachung zu weit von seiner vorhergesagten Flugbahn abweicht(Diagramm oben) und dem Raumfahrzeug möglicherweise gefährlich nahe kommt, leitet die NASA ein Verfahren zur Vermeidung von Trümmern ein, das möglicherweise sowohl automatisierte als auch manuelle Rollen zum Manövrieren des Raumfahrzeugs in Sicherheit beinhaltet, was Teil der langjährigen Richtlinien der NASA als Mittel zur Begrenzung ist SIL 4-Ereignisse vom Auftreten bis zu einer akzeptablen Ausfallrate/Wahrscheinlichkeit.

Was die kleineren Trümmer betrifft, sind moderne Schiffe mit Abschirmung und idealerweise redundantem Schutz (Diagramm) und redundanten kritischen Systemen und Hardware ausgestattet, falls kleine Trümmer die Hauptschilde oder einsatzkritische Komponenten oder Subsysteme beschädigen. Redundanz reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit erheblich und erhöht die MTBF erheblich. Diese Schilde funktionieren für Schmutz, der kleiner als 1 cm ist.

Mittlere Trümmerrisiken Wahrscheinlichkeit schwer zu messen?

Bleiben die 1 cm – 10 cm großen Trümmer, die tödlichsten Trümmer. Diese sind groß genug, um die Abschirmung zu durchbrechen, und dennoch klein genug, um unauffindbar zu sein.

Um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit diesen zu ermitteln, müssten wir historische Daten darüber verwenden, wie viele Stunden alle Raumfahrzeuge geflogen sind und wie viele Kollisionen mit dieser Art von Trümmern stattgefunden haben. Leider ist die Anzahl der Kollisionen statistisch unbedeutend. Das andere Problem ist, dass die Anzahl der Trümmerstücke nicht konstant geblieben ist. Zum Beispiel stürzte 2009 ein kommerzielles Raumschiff mit Iridium in einen latenten russischen Satelliten , was zu Tausenden neuer Trümmerstücke führte. Die Anzahl der Trümmer ist also nicht konstant geblieben, wodurch die Wahrscheinlichkeitsberechnungen von der chronologischen Zeit abhängig sind, in der die Menschheit den erdnahen Raum erforscht oder genutzt hat. Dies macht Berechnungen schwierig:

• geringe Anzahl von Kollisionen, im Wesentlichen statistisch unbedeutend
• zeitveränderliche Mengen gefährlicher 1 cm – 10 cm großer Trümmer

Vergleichen Sie dies mit unserem Beispiel zum Testen einer Flotte selbstfahrender Autos. Wir können dies (theoretisch) leicht auf zig Millionen Teststunden und Dutzende von Unfällen skalieren. Die Unfallwahrscheinlichkeit ist bei allen Autos mehr oder weniger statisch oder zumindest zum Mittelwert umkehrend, da die Unfallgefahr nicht kontinuierlich zu- oder abnimmt, es sei denn, eine Variable – wie Schneefall – verfälscht die Daten, wobei sich bei Schneebedingungen unverhältnismäßig viele Unfälle ereignen und Sensoren, die schneebedeckte Schilder nicht erkennen.

Es gibt möglicherweise keinen zufriedenstellenden Zahlenbereich, um die Wahrscheinlichkeit ohne wesentliche historische Daten von Kollisionen, Beinahe-Kollisionen, der Anzahl der seit Beginn der Weltraumforschung durchgeführten Raumflugstunden und der ungefähren Anzahl von 1 cm bis 10 cm großen Trümmern über den gesamten Raum zu quantifizieren Zeitachse der Raumfahrt, Nutzung und Erforschung. Die NASA könnte all diese Daten kennen. Schon damals hat sich unsere Erkennung von Objekten von mehr als 10 cm verbessert, unser Raumschiff ist jetzt (wahrscheinlich) zuverlässiger, sodass alle (hypothetischen) Kollisionen in der Vergangenheit wahrscheinlicher waren als heute, was eine weitere Reihe von Variablen einführte, um die Dinge noch mehr zu machen unmöglich zu berechnen, da diese Wahrscheinlichkeiten auf historischen Daten beruhen würden, die in Richtung veralteter Technologien der Vergangenheit verzerrt sind.