Космический мусор
Текст: Александр Хохлов | 2019-11-07 | Фото на заглавной странице: © ESA–David Ducros | 111
С начала освоения человеком космоса там накопилось уже примерно семь с половиной тысяч тонн мусора. В целом это достаточно небольшая цифра, ведь околоземное космическое пространство велико, а на Земле один лишь только Нью-Йорк за год производит бытовых отходов вдвое больше. Но космический мусор живёт по иным законам, перемещаясь в пространстве со скоростями, в 2-3-4 раза превышающими скорость полёта пуль или танковых снарядов. Поэтому любое столкновение спутника или ракеты с космическим мусором может быть фатальным. О проблеме космического мусора и возможных способах её решения мы сегодня и поговорим.

Космический мусор — это все неработоспособные объекты, которые созданы человеком и на данный момент находятся в космосе, а также их фрагменты, появившиеся в результате разрушений. Это и сломавшиеся спутники, и разгонные блоки, и оборудование, выброшенное (и даже потерянное) космонавтами. К примеру, в ноябре 2008 года состав космического мусора пополнила сумка с инструментами, которую потеряла астронавт NASA Хайдемари Стефанишин-Пайпер, когда вместе с коллегой работала в открытом космосе снаружи Международной космической станции. Иногда космонавты специально оставляют сломанное оборудование в космосе, когда его нельзя вернуть внутрь станции для утилизации на грузовых кораблях. Баллистики в Центре управления полётами (ЦУП) специально рассчитывают в какую сторону запускать такие объекты, чтобы исключить столкновение со станцией на её следующих витках.

Однако большинство каталогизированных объектов мусора — это обломки космических аппаратов, образовавшиеся из-за более чем 290 взрывов (чаще всего из-за аварий двигательных установок спутников) и десяти известных столкновений на орбите. Взрывы и столкновения приносят наибольшие проблемы, потому что могут приводить к возникновению целых «облаков», состоящих из обломков. Так, в октябре 2012 года на орбите взорвался разгонный блок «Бриз-М», образовав облако из более чем 100 обломков, а в 2018 году произошёл взрыв дополнительного топливного бака разгонного блока «Фрегат», который использовался для вывода спутника «Ангосат-1», — после этого в каталоге космических объектов, ведущемся Командованием воздушно-космической обороны Северной Америки (англ. NORAD — North American Aerospace Defense Command) появилось ещё 25 новых обломков.

Инциденты, приводящие к появлению нового космического мусора, могут носить и искусственный характер — три из них произошли при испытании противоспутникового оружия Китаем, США и Индией. В январе 2007 года Китай уничтожил собственный спутник FengYun-1C ракетой средней дальности наземного пуска. Перехват произошёл на высоте 862 км на околополярной орбите, добавив в каталог NORAD более 3300 отслеживаемых единиц космического мусора, увеличив его размер на 25% всего за один инцидент. Год спустя, в феврале 2008 года, Соединённые Штаты перехватили свой аппарат ракетой SM-3. Во время поражения спутник-мишень находился на высоте 249 км, на почти круговой орбите. И если обломки от взрыва американского спутника быстро сгорели в атмосфере благодаря невысокой орбите, то от китайского ещё много лет будут летать в космосе. Ну а совсем недавно, в марте 2019 года, индийский спутник-мишень Microsat-R со второй попытки был уничтожен прямым попаданием кинетического перехватчика противоспутниковой системы XSV-1, созданной Индийской организацией военных исследований и разработок. Так Индия присоединилась к «клубу» стран с противоспутниковым оружием (оно было у СССР, теперь же есть у США, Китая и Индии). Как и американцы, индийцы использовали спутник-мишень на весьма низкой орбите (274 км), поэтому образовавшийся в ходе испытания космический мусор сгорит в атмосфере Земли уже в этом году.

Моделирование показывает, что обломки, образованные уже состоявшимися взрывами и столкновениями, в течение нескольких десятилетий распределятся на орбитах высотой около 800-400 км. Это представляет серьёзную опасность для работающих там спутников, особенно учитывая планы по созданию новых спутниковых группировок связи Starlink (SpaceX), OneWeb, Telesat и Amazon на этих высотах. При этом срок жизни космического мусора, находящегося на орбитах выше 650 километров, исчисляется тысячами лет, так как аэродинамическое сопротивление атмосферы Земли на тех высотах уже недостаточно сильно. На более низких орбитах мусор быстрее теряет скорость и постепенно снижается, пока не войдёт в плотные слои атмосферы и не сгорит. Время жизни космического мусора на низких орбитах во многом связано с циклом солнечной активности Швабе-Вольфа (цикл длится в среднем 11 лет). В годы высокой активности атмосфера Земли немного «распухает», и мусор сгорает быстрее. При этом приблизительно 20-40% массы крупногабаритных космических кораблей или корпусов разгонных блоков, а также деталей спутников, изготовленных из тугоплавкой стали или титановых сплавов, могут достигать поверхности Земли.


© ESA

Художественная иллюстрация огромного количества спутников и космического мусора на орбите

Довольно большую часть космического мусора составляют отработавшие свой срок спутники. С момента запуска Советским Союзом самого первого из них — 4 октября 1957 года (отлетав 92 дня и сделав за это время 1440 витков вокруг Земли, он сгорел в плотных слоях атмосферы) — в космос было отправлено ещё более девяти тысяч спутников. Но в настоящее время функционируют только около двух тысяч, остальные же (те, что ещё не сгорели в атмосфере) стали космическим мусором. В экваториальной плоскости Земли на высоте 35 786 километров есть целое антропогенное кольцо, состоящее из геостационарных спутников, как действующих, так и неработоспособных, большая часть из которых была отведена при завершении эксплуатации на специальную «орбиту захоронения», расположенную на 200-300 километров выше геостационарной. Там они будут находиться очень долгое время, если их орбита не будет изменена какими-то внешними факторами, например, другим спутником или пролетающим рядом астероидом.

Кстати, самым старым объектом космического мусора на сегодняшний день также является спутник — это второй американский спутник «Авангард-1» (диаметр его сферической оболочки составляет всего 16,3 см), запущенный 17 марта 1958 года. Движется он по эллиптической орбите на расстоянии от 650 до 3800 км от Земли, что позволит ему ещё сотни лет не сгореть в атмосфере.

Особую категорию опасности представляют используемые ранее военные спутники с урановыми ядерными энергетическими установками. Их выводили на низкую орбиту для радиолокационной разведки, а затем поднимали для захоронения на более высокую — около 800 км и выше, где они будут оставаться, предположительно, не менее 300 лет. Но порой ситуация выходила из-под контроля, что привело, в частности, к инциденту с аппаратом «Космос-954», над которым было утрачено управление. Он остался на низкой орбите и 24 января 1978 года упал на территорию Канады, частично разрушившись в плотных слоях атмосферы и вызвав радиоактивное заражение части Северо-Западных территорий. Это привело к международному скандалу.

Помимо орбит Земли, космический мусор есть также в межпланетном пространстве и на некоторых спутниках и планетах: это роверы, автоматические станции и мусор, выброшенный астронавтами на Луне.

В общей же сложности, по данным каталога NORAD, около Земли сегодня находится приблизительно 23 тысячи единиц космического мусора размером от 5 до 10 см (технической возможности отслеживать обломки меньшего размера практически нет), общая масса которых составляет более 7500 тонн.

Наиболее крупные объекты космического мусора могут достигать размера в несколько метров и весить по нескольку тонн. Но большой опасности они не представляют — их легко обнаружить и рассчитать траекторию движения. Куда большие риски несут мелкие сантиметровые осколки, особенно когда их много.

Скорость движения космического мусора ничем не отличается от скорости работоспособных искусственных спутников на тех же орбитах: 7,8-6,9 км/с на низких круговых, 1,5-10,0 км/с на высокоэллиптических, 3,1 км/с на геостационарной. Для сравнения: начальная скорость пули, выпущенной из автомата Калашникова (АК-74) в несколько раз меньше и составляет 910 м/с. Заметно меньше и скорость снаряда, выпущенного танком T-90, — 1,7 км/с. Поэтому даже человеку, далёкому от космоса, несложно представить, насколько опасным может быть пересечение орбит космических аппаратов с космическим мусором. Например, столкновение с 10-сантиметровым объектом повлечёт за собой катастрофическое разрушение типичного спутника, 1-сантиметровый кусочек мусора насквозь пробьёт корпус пилотируемого корабля или МКС, а 1-миллиметровый объект может вывести из строя какую-либо подсистему.

© ESA/NASA

Окно купола МКС, изготовленное из плавленого кварца и боросиликатного стекла, иногда страдает от ударов крошечных объектов космического мусора. Скол диаметром 7 мм.

© ESA/NASA

Фото входного отверстия, созданного на радиаторной панели космического челнока Endeavour в результате воздействия неизвестного космического мусора. Входное отверстие составляет в диаметре примерно 1⁄4 дюйма (6,4 мм), а выходное уже в два раза больше.

Первые столкновения космических аппаратов с космическим мусором начали регистрировать только в 1980-х годах, но теперь их вероятность возрастает каждый год. Как решить эту проблему, пока никто не знает, и чем больше будет аппаратов в космосе, тем больше будет расти её важность.

Например, в 2018 году российской системой по контролю околоземного космического пространства был осуществлён контроль выведения на орбиты 409 иностранных космических аппаратов и 11 межпланетных космических аппаратов. В сравнении с 2015 годом количество запускаемых аппаратов выросло в два раза, а по сравнению с 2010 — в пять раз. И если раньше фиксировались лишь единичные случаи разрушения космических объектов на орбите, то в 2018 году было зафиксировано уже 8 подобных случаев. В результате каталогизации фрагментов разрушений в каталог NORAD было включено более 1000 новых объектов.


© NASA

Панель солнечной батареи станции «Мир» с повреждениями от микрометеоритов и кусочков космического мусора.

Важно отметить, что ещё в 1978 году был теоретически описан так называемый синдром Кесслера, который подобен эффекту домино на орбите: в случае превышения некоторого критического количества объектов космического мусора вероятность столкновений может начать неконтролируемо расти, в результате столкновений будет появляться новый мусор, что в конце концов сделает низкие орбиты непригодными для использования.

Одно из самых известных космических столкновений произошло в феврале 2009 года, когда столкнулись американский спутник связи Iridium и неработающий российский военный аппарат «Космос-2251». Их относительная скорость движения составляла порядка 14-16 км/с. В результате столкновения образовалось большое облако осколков, впоследствии разлетевшихся на огромную площадь. Другой пример: в январе 2013 года предположительно осколком китайского спутника FengYun-1C, оставшегося от испытания противоспутниковой ракеты, был выведен из строя российский научный калибровочный спутник BLITS.

Трасса полёта Международной космической станции, которая находится на почти круговой орбите на высоте чуть выше 400 км, регулярно пересекается с объектами космического мусора, которые постепенно снижаются с большей высоты. В двух основных Центрах управления полётами есть специалисты, оценивающие вероятность столкновения МКС с космическим мусором. Решающую роль играет ЦУП в Хьюстоне, но ЦУП в Королёве также проводит расчёты, получая данные от американских коллег. В российском ЦУПе используется Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, которая наряду с данными NORAD использует информацию российских средств контроля космического пространства.

Манёвры по уклонению МКС от космического мусора выполняются двигателями служебного модуля «Звезда» российского сегмента станции или с помощью пристыкованных российских грузовых кораблей «Прогресс». Это происходит примерно раз в 2-3 месяца. Если объект замечают слишком близко к станции, экипаж переходит в спускаемый аппарат корабля «Союз», который, с одной стороны, достаточно хорошо защищён, а с другой — позволит достаточно быстро эвакуироваться с МКС в случае столкновения. Основная опасность для станции — это нарушение герметичности, что опасно для жизни космонавтов и астронавтов. Поэтому модули станции закрыты щитами микрометеоритной защиты, которые способны выдержать удар наиболее мелких частиц метеороидов и космического мусора.

© NASA/Roscosmos

Поскольку ЦУПы отслеживают большие обломки, космические корабли с экипажами могут от них увернуться. Когда ожидается, что объект находится в нескольких милях от Международной космической станции, чтобы избежать столкновения путь станции корректируется. При этом МКС достаточно сильно защищена и может пережить удар с меньшими частями мусора.

© NASA

Скафандры космонавтов также помогают защитить членов экипажа от орбитального мусора и микрометеорных тел, когда космонавты находятся за пределами космической станции. Костюмы содержат слой прочного, тонкого материала, который защищает космонавтов от ударов. Этот слой сделан из материалов, используемых в бронежилетах.

Основной организацией по прогнозированию возможных столкновений в космосе является Центр объединённых космических операций Стратегического командования Вооружённых сил США. Он работает как с коммерческими спутниковыми операторами, так и с научными миссиями. В Европейском космическом агентстве и в Роскосмосе тоже есть свои службы по расчёту вероятности столкновения, использующие как свои данные радиолокационных и оптических наблюдений, так и американские. Их прогнозы позволяют оперативно реагировать на угрозы столкновения с космическим мусором.

Получая данные о движении по всем объектам на околоземной орбите, специалисты могут рассчитать положение своего спутника и всех потенциально опасных для него космических тел. В базе есть все объекты размером больше 10 сантиметров — за исключением военных спутников США (эти данные засекречены). Данные российской системы по контролю околоземного космического пространства Воздушно-космических сил России засекречены полностью и предоставляются только государственным организациям.

Сейчас проблема «космического мусора» активно обсуждается на сессиях Комитета по использованию космического пространства в мирных целях ООН и на научных конференциях. Например, в апреле 2019 года в Институте космических исследований РАН прошла крупная конференция «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы», где учёные обсудили основные способы наблюдения и прогнозирования угроз.

В практическую плоскость ситуацию с космическом мусором ещё только предстоит перевести, готовых технологий для уборки околоземных орбит нет — их нужно разработать и воплотить в жизнь. Но меры по ограничению появления нового мусора уже предпринимаются. Так, в настоящее время к низкоорбитальным спутникам выдвигается требование по их быстрому сходу с орбиты после завершения эксплуатации. Для небольших аппаратов стараются предусмотреть пассивные средства торможения в верхних слоях атмосферы. А крупные спутники и грузовые корабли снабжения МКС это делают с помощью торможения своими двигателями — они сводятся в специальный район захоронения космических аппаратов в южной части Тихого океана. Оно расположено значительно южнее острова Рождества, в 3900 км к востоку от новозеландского города Веллингтон. В этом районе запрещено судоходство и полёты авиации. Но, конечно, обломки спутников падают и в других районах Земли.

Что касается мусора, образовавшегося в результате жизнедеятельности космонавтов, то в прошлом, во времена орбитальных станций «Салют» и «Алмаз», его собирали в мешки и удаляли через шлюзовые камеры, после чего он самостоятельно снижался и сгорал в атмосфере. Теперь же весь мусор внутри МКС упаковывают в специальные пакеты и укладывают в грузовые корабли, например, в «Прогресс» — в итоге мусор сгорает в атмосфере при быстром управляемом спуске грузовика, тем самым не создавая дополнительных угроз на орбите.

Что касается проектов по удалению с орбиты уже накопившегося мусора, то большинство из них существуют только на бумаге и не имеют финансирования для полноценных лётных испытаний. В основном они предлагают использовать космические аппараты с сетями либо с манипуляторами для сбора космического мусора и его последующего сведения в атмосферу вместе со «спутником-мусорщиком». Впрочем, первые прототипы «космических уборщиков» уже есть. Так, в сентябре 2018 года был проведён эксперимент со спутником RemoveDebris, разработанным британской компанией SSTL. Запущенный на грузовом корабле на МКС, он был выпущен за борт вместе с имитатором космического мусора. Во время испытаний аппарат успешно поймал в сеть свою цель. В будущем такие спутники смогут ловить неуправляемые обломки и сводить их в атмосферу.

© ESA–David Ducros

© NASA

RemoveDEBRIS – спутниковый исследовательский проект, целью которого является демонстрация различных технологий удаления космического мусора.

Также существуют проекты, направленные на предотвращение скапливания космического мусора на геостационарной орбите. Среди успешных работ можно отметить выведенный в октябре 2019 года на орбиту ракетой-носителем «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз» спутник Mission Extension Vehicle-1 компании Northrop Grumman. Такой аппарат может пристыковаться к большинству геостационарных спутников, чтобы за счёт своего топлива продлить их работу в точке стояния, а затем увести на орбиту захоронения. Первым таким обслуживаемым аппаратом станет Intelsat 901, чей срок службы с помощью MEV-1 будет увеличен на пять лет.

Но пока реальной возможности для массового активного удаления космического мусора с орбиты нет, и как скоро она появится, неизвестно. Описанный выше синдром Кесслера может серьёзно ограничить возможность вывода космических аппаратов в космос, а при определённых крайних условиях и полностью закрыть на десятилетия выход в космос для человечества. А пока нам остаётся только профилактика: к новым спутникам должны предъявляться определённые требования, которые закладываются в национальные законы о космической деятельности и в международные соглашения, например, в стандарты ISO (ISO 24113:2011 Space systems — Space debris mitigation requirements).

Кстати, посмотреть на проблему космического мусора своими собственными глазами можно в художественном фильме «Гравитация», где она показана очень красочно, хотя и с фактическими ошибками. А в Японии Макото Юкимура создал мангу «Странники» (ΠΛΑΝΗΤΕΣ), в которой очень реалистично показал работу отдела по утилизации космического мусора на околоземной орбите. По манге был снят аниме-сериал, который является одним из самых правдивых с точки зрения технической стороны космических полётов ближайшего будущего, где человечество смогло справиться с проблемой космического мусора, освоило Луну и Марс и отправило пилотируемую экспедицию к Юпитеру. Сможем ли мы это сделать в реальной жизни — вот в чём вопрос.


Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте


закрыть

Подписывайтесь на нас в Facebook и Вконтакте