Loading Posts...

Беспорядок на орбите и как с ним бороться

В первые десятилетия космической эры человечество прилагало колоссальные усилия для освоения околоземного пространства, справедливо считая его важной ступенью на пути к звездам. К сожалению, в то время мало кто задумывался о чистоте окружающего космоса, который представлялся огромным и пустым… В наши дни космический мусор постепенно становится реальной угрозой для функционирования и дальнейшего развития пилотируемых орбитальных комплексов и спутниковых группировок.

Обочины космической дороги

23 августа 2016 г операторы контрольного центра ESA в Дармштадте (Германия) отметили «странное» поведение спутника SentineMA. Он вдруг немного изменил свою орбиту, поменял ориентацию, а количество электроэнергии, вырабатываемой его солнечными батареями, резко снизилось. Инженеры были сильно удивлены – ведь спутник находился в космосе лишь третий год. Причину аномалии удалось выяснить только после активации бортовых камер: на своих экранах сотрудники центра управления сразу заметили повреждения одной из фотогальванических панелей космического аппарата шириной около 40 см.

Так обычно звучат истории о «пострадавших» аппаратах, которым не посчастливилось стать «жертвами» космического мусора — отработанных спутников, ракетных ступеней и их частей. Сегодня на орбите находится около 9000 тонн искусственных объектов, из которых почти 80% приходится на космический мусор.

Источников «загрязнения» околоземного пространства несколько. Во-первых, это отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей. Так когда в 1957 г. был запущен первый искусственный спутник Земли, вместе с ним на орбите появился и первый в истории объект космического мусора – вторая ступень ракеты-носителя Р-7. Поскольку она имела значительно больший размер, то выглядела для наземных наблюдателей намного более яркой, и именно ее часто принимали за «первый спутник»

Кроме того, любому спутнику рано или поздно «приходит конец»: все они — в назначенный срок или преждевременно – однажды выходят из строя и больше не могут выполнять своих функций. Их «бесчувственным телам» остается только бесконтрольно крутиться по орбитам.

Часто эти процессы сравнивают с ситуацией, в которой автомобилисты оставляли бы свои транспортные средства посреди дорог из-за поломок или исчерпания горючего. Очевидно, что при таком раскладе ездить по дорогам становилось бы все труднее, а в итоге – и вовсе невозможно из-за неизбежности столкновений И если мы не примем должных мер — подобное ожидает и околоземное космическое пространство.

Но опасность для будущих миссий за пределы атмосферы представляет не только крупногабаритный мусор наподобие отработанных ракет и «мертвых» спутников. Гораздо чаще космические аппараты сталкиваются с его производными — «мелочью», отсоединившейся от больших объектов. Ослепленные успехами в достижении новых высот, сверхдержавы в далеких 60-х даже не думали об «экологии» околоземных орбит. Покрытия датчиков и крышки объективов сбрасывались в открытый космос, туда же сливались охладители спутниковых ядерных установок… Как следствие, сегодня мы имеем вокруг Земли целый пояс из сотен тысяч затвердевших «шариков» охлаждающей жидкости. Конечно, современные космические миссии уже избегают подобных действий, однако и случайное отшелушивание куска краски от спутника может нанести вред другому орбитальному объекту. Все дело в скорости, с которой эти незначительные, на первый взгляд, частицы движутся по орбитам: на «встречных курсах» она приближается к 16 км/с! Даже крохотный фрагмент сравнительно мягкого материала при такой скорости обладает колоссальной кинетической энергией и способен нанести заметный ущерб функционирующим аппаратам.

Кроме таких, можно сказать, привычных источников космического мусора, как отшелушивание краски и потеря космонавтами отверток в космосе, существуют два других опасных процесса, ведущих к его возникновению: столкновения и взрывы Примером первого — пожалуй, наиболее масштабным — стало столкновение американского коммуникационного аппарата Iridium 33 и российского «мертвого» военного спутника «Космос-2251» в феврале 2009 г. Оба они в результате были уничтожены, из-за чего образовалось приблизительно 2300 обломков (и это только те, которые удалось отследить).

Несмотря на то, что орбитальные столкновения пока остаются относительно нечастым явлением, их вероятность возрастает пропорционально квадрату количества объектов на орбите. То есть, если число космических аппаратов увеличится в 10 раз, вероятность столкновений возрастет стократно. Добавим к этому тот факт, что в текущем году Федеральная Комиссия США по связи предоставила Илону Маску официальное разрешение на запуск 4425 интернет-спутников (больше, чем всего сейчас имеется работающих аппаратов на околоземных орбитах) – и получим рецепт глобальной катастрофы.

Что же касается взрывов, то основную опасность здесь представляют «зависшие» ракетные ступени. Дело в том, что после того, как ракета выводит космический аппарат на орбиту, ее баки опустошаются не полностью – в них всегда остается 2-4% от залитого топлива. Все носители, запускаемые с Земли, заправляются горючим (как правило, керосином, диметилгидразином или жидким водородом) и окислителем (жидкий кислород тетроксид азота). Пока их остатки отделены друг от друга, проблем не возникает. Но когда «прокладка» между ними разрушается – а это может произойти через месяцы или годы после старта – взрыв неминуем.

Читать:  Автоматическая межпланетная станция Dawn завершила свою миссию

Один из типов российских ракетных двигателей (SOZ) стал причиной уже четырех взрывов на орбите на протяжении последних двух лет. Более современные технологии в двигателестроении позволяют избегать подобных эксцессов путем «пассивации» орбитальных ступеней. Этот термин означает процесс высвобождения всех избыточных энергоносителей из отработанного аппарата, например, путем газификации жидкого топлива: после доставки груза на орбиту в баки последней ступени подаются горячие газы – продукты реакции химических соединений, самовозгорающихся при смешивании (или просто реагирующих с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов). При этом топливо нагревается до температуры кипения и испаряется. Однако, невзирая на все достижения в области космических технологий, на околоземных орбитах все еще находится огромное количество старых ракет — «бомб замедленного действия».

В прошлом немало космического мусора породили так называемые «антиспутниковые миссии», которые проводились космическими державами в военных целях. Невзирая на то, что истреблять орбитальные аппараты оппонентов ни США, ни России (СССР), ни Китаю так и не пришлось, последствия тестирования таких технологий на собственных спутниках этих стран мы наблюдаем до сих пор. Так, когда в 2007 г. Китай уничтожил свой метеоспутник «Феньюн-1с», космос засорился более чем 3400 обломков.

Итого, в результате почти трехсот разрушений, вызванных в основном взрывами, и десятка столкновений аппаратов на данный момент имеется 29 тыс. объектов космического мусора размером более 10 см, 750 тыс. – от 1 до 10 см и свыше 165 млн — от 1 мм до 1 см.

Детектирование и отслеживание

Проблема «засоренности» орбит не сразу привлекла внимание международного сообщества. На ранних этапах космической эры все надежды относительно утилизации мусора в околоземном пространстве возлагались на «естественный очиститель» – плотные слои атмосферы. Когда объект движется по орбите, на него, кроме силы земного притяжения, действует сила сопротивления разреженных верхних слоев газовой оболочки нашей планеты. Она тормозит спутник, и радиус траектории его движения постепенно уменьшается Двигаясь по спирали, он неуклонно приближается к Земле, и если не «приподнимать» его с помощью корректирующих двигателей — в конечном итоге он достигнет таких высот, на которых плотность атмосферы достаточно высока, чтобы за считанные минуты «погасить» скорость космического аппарата и вынудить его упасть (чаще всего при этом кинетическая энергия объекта переходит в тепловую, и ее оказывается достаточно, чтобы почти полностью его испарить – это принято называть «сгорание в атмосфере»). В зависимости от начальной высоты орбиты этот процесс может занять от нескольких недель до целых столетий.

В 1978 г. американский астрофизик и консультант NASA Дональд Кесслер (Donald Kessler) впервые забил тревогу, обратив внимание на то, что при существующем темпе космических стартов ближний космос очень скоро станет непригодным для практического использования. В своем исследовании он продемонстрировал неэффективность естественной очистки орбит из-за распространения «цепных реакций» космического мусора. Чем больше объектов на орбите — тем выше вероятность их столкновений. Крупные спутники, столкнувшись, порождают еще большее количество обломков, каждый из которых, в свою очередь, может столкнуться с другими. Этот процесс, названный в честь ученого «синдромом Кесслера», приводит к образованию все новых и новых фрагментов космического мусора даже при условии полной остановки запусков орбитальных аппаратов.

Осознав всю опасность ситуации, за дело взялось международное сообщество. Для предотвращения орбитальных столкновений сегодня ведется активный мониторинг объектов космического мусора на низких околоземных орбитах. Наблюдения осуществляются двумя путями: с помощью наземных станций (оптических и радиолокационных), а также аппаратов исследования «на месте» (in situ), регистрирующих мелкие обломки с помощью сенсоров прямо в космосе.

Наиболее известным радиолокационным детектором является TIRA (Tracking and Imaging Radar), расположенный в Институте физики высоких частот и радарных методов им Фраунгофера вблизи Бонна (ФРГ). Эта станция имеет довольно большую антенну диаметром 34 м для выявления и отслеживания фрагментов мусора. Также на ней проводятся регулярные эксперименты beam park. Суть их заключается в том, что радиолуч фиксировано направляется в одну точку неба в течение 24 часов. Благодаря вращению Земли за это время он сканирует 360° в узкой полосе небесной сферы, регистрируя все предметы, пересекающие луч. В ходе таких экспериментов TIRA может обнаруживать и определять направление движения объектов поперечником от 2 см в диапазоне высот до 1000 км.

Чувствительность методики можно еще увеличить, «взяв в напарники» 100-метровую приемную антенну расположенного вблизи радиотелескопа Эффельсберг с целью приема отраженных сигналов, которые посылает TIRA. Так можно зарегистрировать частицы размером порядка сантиметра.

В отличие от локационных станций, ведущих активное облучение объектов радиоимпульсами, оптические станции пассивно принимают видимый свет, отраженный фрагментами мусора. Из-за того, что первичным источником такого «свечения» является Солнце, для наблюдений в видимом диапазоне требуются соответствующие метеорологические условия (отсутствие облачности), и вдобавок объект должен находиться вне теневого конуса Земли, а детектор – внутри него. Наиболее эффективно наземные телескопы осуществляют подобные наблюдения в течение нескольких минут сразу после заката или прямо перед рассветом. Однако именно оптические детекторы регистрируют мусор на самых удаленных орбитах.

Читать:  Разведчик Parker Solar Probe поможет изучить Солнце

Но, какими бы чувствительными ни были наземные детекторы, им не под силу заметить мельчайшие частицы, заполняющие околоземное пространство. Для таких случаев в космос запускаются аппараты in situ. Ранее распространенной практикой была отправка на орбиту так называемых «коллекторов», заполненных аэрогелем. Микрочастицы «вязли» в этом геле, а когда «пылесборники» возвращались на Землю, с их помощью ученые получали информацию о самых мелких фрагментах космического мусора. К сожалению, такой метод «рыбацкой сети» не очень практичен, когда речь идет о дальних орбитах. Поэтому теперь в космос отправляют сенсорные детекторы.

Один из таких аппаратов, появившихся сравнительно недавно, носит название DEBIE (DEBris In-orbit Evaluator). Его разработали специалисты Европейского космического агентства. Детектор содержит три сенсорных блока, чувствительных к объектам субмиллиметровых размеров. Каждая панель состоит из тонкой алюминиевой фольги, спереди и сзади которой размещаются плазменные датчики. Когда частица ударяется в панель, датчики спереди регистрируют плазму, сгенерированную при столкновении с фольгой, пьезоэлектрические преобразователи в самой фольге (с помощью которых на месте механического столкновения возникает электрический заряд) генерируют импульс влияния, а если частица обладает достаточной энергией для прохождения сквозь фольгу — ее регистрируют еще и задние детекторы. На основе измеренных параметров вычисляются масса и скорость «постороннего» объекта. В целом благодаря совокупности этих измерений детекторы DEBIE могут «улавливать» фрагменты космического мусора и микрометеориты массой от 10-15 мг.

Не сорите на орбите!

Помимо мониторинга околоземного пространства, заинтересованные организации также образовали Межагентский координационный комитет по космическому мусору, в рамках которого 13 космических агентств (в том числе украинское) объединяют свои усилия для предупреждения появления нежелательных объектов на орбитах во время проведения дальнейших миссий.

Так как же можно снизить риски возникновения космического мусора? В первую очередь, естественно, путем надежного закрепления всех съемных и откидных элементов спутников, а также пассивации космических объектов с целью предупреждения взрывов. В то же время ключевым остается вопрос собственно очистки орбит от отработанных аппаратов. Для этого на спутники массой свыше нескольких сотен килограмм сегодня в обязательном порядке устанавливают собственные двигатели для изменения их орбиты (маневрирования). Если раньше после отделения от последней ступени ракеты космический аппарат двигался исключительно под действием гравитации и сопротивления воздуха, то теперь направление его движения может быть скорректировано, когда его миссия подойдет к концу.

В зависимости от высоты орбиты существует два варианта коррекции траектории. Если спутник находится на низкой околоземной орбите (НОО), то после завершения работы его направляют в плотные слои атмосферы, где он благополучно сгорает. Конечно, если аппарат слишком большой или изготовлен из материала крепче легкоплавкого алюминия, он может сгореть не полностью, и тогда некоторые его части достигают земной поверхности. Так, например, случилось в 1979 г., когда в результате резкого всплеска солнечной активности 77-тонная американская космическая станция Skylab осуществила преждевременный вход в атмосферу и неудачно упала на территорию Австралии (падение произошло в малонаселенных районах, поэтому, к счастью, обошлось без жертв). Для подобных аппаратов производится контролируемое сведение с орбиты над так называемым «кладбищем космических кораблей» в южной части Тихого океана.

Такой же механизм задействуется и для избавления от последних ступеней ракет. Как уже упоминалось, для их пассивации остатки топлива можно испарять. Однако эти остатки также можно использовать для последнего запуска двигателей, импульс которых направит объект в атмосферу, и он будет находиться на орбите не месяцы или годы, а всего лишь несколько часов.

Кроме высот порядка 500-700 км, существует еще одна орбита с повышенной концентрацией космического мусора – геостационарная (ГСО). Названа она так потому, что выведенные на нее объекты постоянно находятся над одной и той же точкой Земли из-за синхронизации скоростей ее вращения вокруг оси и орбитального движения спутника, что создает эффект «зависания» относительно планеты. Благодаря этой особенности именно здесь размещаются многие телекоммуникационные и ретрансляционные спутники. ГСО имеет высоту чуть меньше 36 тыс км, поэтому «тянуть» оттуда объекты к плотным слоям земной атмосферы нецелесообразно — намного проще поднять их на несколько сотен километров выше (на так называемую «орбиту захоронения»), очистив геостационарный пояс для новых аппаратов.

Однако далеко не каждый аппарат можно обеспечить собственным двигателем для изменений его траектории. Последним трендом в развитии космических технологий стали, как уже писалось в более ранних номерах нашего журнала, наноспутники формата CubeSat (сателлиты массой до 10 кг, составляемые из типовых кубических блоков 10x10x10 см). Их активно разрабатывают и запускают по всему миру даже студенты – в том числе и студенты Киевского национального технического университета, отправившие свой аппарат PolylTAN 2 SAU на орбиту в мае прошлого года. На данный момент в космосе уже находится свыше 500 кубсатов, и их количество стремительно растет. Такой всплеск заинтересованности обусловлен двумя факторами. Во-первых, наноспутники обеспечивают дешевый доступ в космос для демонстрации новых технологий, проверки научных концептов, а также с образовательными целями. Во-вторых, они используют уже отработанные и готовые к использованию технологии. Но небольшой размер кубсатов обычно ограничивает их возможности (мощность, мобильность, полезную нагрузку), поэтому они, как правило, не имеют двигательной установки для изменения орбиты, становясь, таким образом, дополнительным источником космического мусора.

Читать:  Как нам обустроить Солнечную систему

Орбитальные «чистильщики»

Конечно же, предупреждение «загрязнения» космоса во время будущих космических миссий однозначно является важным заданием. Но проблема засоренности околоземного пространства не будет решена до тех пор, пока не начнется процесс активного удаления уже накопленных «мертвых» объектов.

На данный момент мы имеем несколько предложений по очистке околоземных орбит от космического мусора. Одна из них — система RemoveDEBRIS, разработанная Космическим центром Суррейского университета в Великобритании (Surrey Space Centre). Для выполнения своей миссии этот «космический пылесос» оснащен двумя системами захвата — на основе сетки и гарпуна. Прототип аппарата был отправлен на Международную космическую станцию 2 апреля 2018 г. с помощью ракеты Falcon 9. Спутник в форме куба массой 100 кг — наибольший среди доставленных на МКС – продемонстрирует технологию отслеживания и активного удаления объектов на примере двух кубсатов, названных DebrisSATs. «Уборщик» должен поймать DebrisSAT 1 с помощью выпущенной сетки. Гарпун испытают на цели размером 10×10 см, выпущенной на расстоянии 1,5 м от RemoveDEBRIS. А с помощью встроенной навигационной системы VBN (Visual Based Navigation System) аппарат будет отслеживать DebrisSAT 2. В завершение своей миссии он развернет аэродинамический тормоз –
парус из сверхпрочной полимерной пленки, с помощью которого сойдет с орбиты.

Более экзотический способ избавления от космического мусора предлагают китайцы. Сотрудники Инженерного университета ВВС Китая занимаются разработкой лазера, который, будучи установленным на одном из спутников, должен облучать обнаруженные частицы размером 1-10 см. В результате мелким объектам передастся достаточный импульс для изменения траектории их движения. Технология позволит предупреждать столкновения аппаратов с такими частицами, направляя последние в атмосферу. В то же время не стоит забывать, что лазер представляет собой опасный источник направленной энергии. По этой причине в марте 2017 г. генерал ВВС США Джон Хайтен (John Hyten) в интервью CNN даже обвинил КНР в подготовке запуска оружия в космос.

Наибольшую же ценность будут иметь технологии, которые помогут справиться с крупногабаритным космическим мусором – ведь именно он играет ключевую роль в «эффекте Кесслера». Подобные разработки также имеются. Группа ученых из Университета Тулузы (Франция), работающая по заданию Европейского космического агентства, предложила использовать в качестве орбитального «чистильщика» так называемый «магнитный буксир» – автоматический спутник, вооруженный мощными криогенными магнитами. Используя силу магнитного притяжения (или отталкивания), этот аппарат без какого-либо физического контакта с фрагментом мусора сможет «отбуксировать» его на орбиту захоронения или же направить в атмосферу. Такой механизм «уборки» достаточно эффективен, так как в большинстве космических аппаратов присутствуют узлы и детали, изготовленные из магниточувствительных материалов, а спутники на НОО, как правило, оснащены стабилизаторами для ориентирования в пространстве при помощи магнитного поля Земли. Прелесть технологии в том, что с ее помощью можно будет избавляться от нежелательных орбитальных объектов массой в несколько тонн.

Несложно заметить, что сегодня космонавтика, можно сказать, снова «вошла в моду»: кубсаты, системы спутников всемирного Интернета, миссии по поискам и изучению экзопланет, орбитальные телескопы, окололунные и марсианские станции… СМИ только и успевают подхватывать идеи «горячих голов» космической индустрии. Однако не стоит забывать, что, если вовремя не опомниться, уже через несколько лет космос будет «закрыт» для человечества, а уже имеющиеся на орбите спутники, без которых сложно представить себе современную цивилизацию, окажутся под угрозой уничтожения. Поэтому проблема космического мусора ставится на повестку дня все большего числа авторитетных международных форумов, а технологиями ее решения занимаются ведущие научно-исследовательские организации планеты.

1
ДоволенДоволен
Ха-хаХа-ха
ЛайкЛайк
ВауВау
ПечальноПечально
ЗлюсьЗлюсь
Voted Thanks!
Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...