РАЗРАБОТКА GIS-ОРИЕНТИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗОН ПАДЕНИЯ ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ СТУПЕНЕЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ
DOI:
https://doi.org/10.56132/2791-3368-2026-2-66-86-112Ключевые слова:
AI/ML, GIS, метод Монте-Карло, отделяющаяся ступень, прогнозирование зон падения, пространственная оценка риска, ракета-носитель, стохастическое моделированиеАннотация
В статье рассматривается GIS-ориентированная методика прогнозирования зон падения отделяющихся ступеней ракеты-носителя на основе интеграции детерминированного моделирования траектории, стохастического анализа неопределённости и пространственной оценки риска. Предлагаемый подход объединяет лётно-технические параметры ступени, метеорологические данные и геопространственную информацию в рамках единой вычислительной схемы, обеспечивающей расчёт номинальной траектории, формирование вероятностной области падения и построение цифровых карт риска. Для верификации подхода были рассмотрены три сценария, различающиеся массой ступени, скоростью ветра и углом отделения. Выполнено сравнение классической баллистической модели, стохастической модели Монте-Карло и модели с элементами искусственного интеллекта и машинного обучения. Показано, что применение современных методов позволяет снизить среднюю ошибку прогноза до 60 м, уменьшить стандартное отклонение до 25 м и сократить долю выхода за пределы безопасной зоны до 1%. Пространственный анализ риска показал, что наиболее уязвимыми являются территории с высокой плотностью населения и наличием критической инфраструктуры. Полученные результаты подтверждают, что интеграция траекторного моделирования, анализа неопределённости и GIS-инструментов повышает точность прогноза и практическую значимость системы для поддержки принятия решений при обеспечении безопасности космических запусков.
Скачивания
Библиографические ссылки
1. Juho Lee, Jae-Hung Han. (2025). Separation and Release Devices for Aeronautical and Astronautical Systems: A Review. International Journal of Aeronautical and Space Sciences. Vol. 26, pp. 131–161.
2. Y. Xu, Z. Xie, F. Wang. (2021). Trajectory Analysis and Impact Prediction for Rocket Boosters. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 44, No. 7, pp. 1278–1287.
3. F. Gan, C. Wu, J. Wang Yu. (2022). Liquid Launch Vehicle Safety Assessment Model Based on Semi-Quantitative Risk Analysis. Mathematics. Vol. 10, No. 24, 4772.
4. J. Acquatella, R. Reiner. (2014). Stage Separation Dynamics Modeling for End-to-End Launch Vehicle Trajectory Simulations. Proceedings of the 10th International Modelica Conference, pp. 693–701.
5. J. Roshanian, M. Talebi. (2008). Monte Carlo simulation of stage separation dynamics of a multistage launch vehicle. Applied Mathematics and Mechanics (English Edition). Vol. 29, no. 11, pp. 1411–1426,. doi: 10.1007/s10483-008-1103-z/
6. B.SR. G. Keanini, N. Srivastava, P. T. Tkacik. (2011). Stochastic Rocket Dynamics under Random Nozzle Side Loads. Ann. Phys. (Berlin) 523, No. 6, pp. 459 – 487.
7. D. Luchinsky, V. Hafiychuk. I. Kulikov, V. Smelyanskiy, A. Patterson-Hine, J. Hanson, A. Hill. (2010). Stage Separation Failure: Model-Based Diagnostics and Prognostics. Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society, pp. 1–12.
8. S. Wang, Y. Li, T. Ma.( 2022). GIS-Based Risk Assessment for Rocket Debris Impact Zones.
Sensors. Vol. 22, No. 3,820.
9. Z. Zhou, Q. Wang, H. Xu. (2023). Dynamic Modeling and Simulation of Multistage Rocket Separation. Aerospace Science and Technology, , Vol. 136, 107556
10. R. Wang, J. Zhou. (2021). Integrated GIS Modeling of Rocket Debris Dispersion. Remote Sensing, , Vol. 13, No. 8, Article 1555.
11. G. D. Katona, A. Kis. (2019). Adaptive Control and Trajectory Optimization for Multistage Rockets. IFAC PapersOnLine, , Vol. 52, No. 12, pp. 375–380.
12. T. Ishikawa, Y. Suzuki. (2020). Safety Analysis of Falling Rocket Debris using GIS and Monte Carlo Methods. Safety Science, , Vol. 130, Article 104880.
13. P. Zhang, X. Liu. (2022). Simulation of Separation Process and Falling Area Prediction for Rocket Boosters. Aerospace Systems. Vol. 5, No. 2, pp. 97–106.
14. R. Wang, J. Zhou. (2021). Integrated GIS Modeling of Rocket Debris Dispersion. Remote Sensing, , Vol. 13, No. 8, Article 1555.
15. Z. Wang, H. Xu. (2021). GIS-Based Dynamic Risk Modeling for Rocket Stage Debris Impact. Geospatial Health. Vol. 16, No. 2, pp. 119–128.
16. Negri E., Fumagalli L., Macchi M. (2017). A Review of the Roles of Digital Twin in CPS-based Production Systems. Procedia Manufacturing, 11, pp. 939–948.
17. A. Graser. (2016). Learning QGIS. Third Edition: Explore and create interactive maps using the leading open-source GIS. Packt Publishing, pp. 210.
18. Byers M., Wright E., Boley A. et al. (2022). Unnecessary Risks Created by Uncontrolled Rocket Reentries. Nature Astronomy, 6, 1093–1097.
19. J. Lee, H. Kim, E.J. Choi, J. Choi, J. Yu., J. Jo, J. Ahn. (2024). Review of Space Debris Modeling Methods and Development of Korean Space Debris Model. Journal of Astronautical Space Sciences, 41 (4), pp. 209–230.
20. A. Rao, G. Rondina. (2022). Open Access to Orbit and Runaway Space Debris Growth. Pp.84
https://doi.org/10.48550/arXiv.2202.07442.
21. Slíz Balogh J., Horváth D., Szabó R., Horváth G. (2020) . Dynamics of Spherical Space Debris of Different Sizes Falling to Earth. Astrophysics. Pp.1-16
22. Xu Y., Liu X., He R., Zhu Y., Zuo Y., He L. (2023). Active Debris Removal Mission Planning Method Based on Machine Learning. Mathematics, 11 (6):1419.
23. B. N. Pamadi, T. A. Neirynck, N. J. Hotchko, W. I. Scallion, K. J. Murphy, P. F. Covell. Simulation and Analyses of Stage Separation of Two-Stage Reusable Launch Vehicles. Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, Vol. 44, No. 1, pp. 66–80. DOI: 10.2514/1.17896.
24. P. V. Tartabini, C. M. Roithmayr, M. D. Toniolo, B. N. Pamadi. (2011). Modeling Multibody Stage Separation Dynamics Using Constraint Force Equation Methodology. Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 48, No. 4, pp. 573–583. DOI: 10.2514/1.51943.
25. B. N. Pamadi, J. Pei, J. T. Pinier, S. D. Holland, G. H. Klopfer, P. F. Covell. (2012). Aerodynamic Analyses and Database Development for Ares I Vehicle First-Stage Separation. Journal of Spacecraft and Rockets, , Vol. 49, No. 5, pp. 864–874. DOI: 10.2514/1.59966.
26. B. N. Pamadi, P. V. Tartabini, M. D. Toniolo, C. M. Roithmayr, C. D. Karlgaard, J. A. Samareh. (2013). Application of Constraint Force Equation Methodology for Launch Vehicle Stage Separation. Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 50, No. 1, pp. 191–205. DOI: 10.2514/1.A32048.
27. J. M. Hanson, B. B. Beard. (2012). Applying Monte Carlo Simulation to Launch Vehicle Design and Requirements Verification. Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 49, No. 1, pp. 136–144. DOI: 10.2514/1.52910.
28. C. Pardini, L. Anselmo. (2018). Assessing the Risk and the Uncertainty Affecting the Uncontrolled Re-entry of Manmade Space Objects. Journal of Space Safety Engineering, , Vol. 5, No. 1, pp. 46–62. DOI: 10.1016/j.jsse.2018.01.003.
29. C. Pardini, L. Anselmo. (2019). Uncontrolled Re-entries of Spacecraft and Rocket Bodies: A Statistical Overview over the Last Decade. Journal of Space Safety Engineering. Vol. 6, No. 1, pp. 30–47. DOI: 10.1016/j.jsse.2019.02.001.
30. W. H. Ailor. (2019). Hazards of Reentry Disposal of Satellites from Large Constellations. Journal of Space Safety Engineering. Vol. 6, No. 2, pp. 113–121. DOI: 10.1016/j.jsse.2019.06.005.
31. C. Pardini, L. Anselmo. (2024). On the Need to Assess and Mitigate the Risk from Uncontrolled Re-entries of Artificial Space Objects in View of the Current and Future Developments in Space Activities. Acta Astronautica. Vol. 219, pp. 662–669. DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.03.057.
32. E. Wright, A. Boley, M. Byers. (2025). Airspace Closures Due to Reentering Space Objects. Scientific Reports. Vol. 15, Article 2966. DOI: 10.1038/s41598-024-84001-2.
