Осенью 2013 года сотни тысяч кинозрителей напряженно следили за судьбой героев Джорджа Клуни и Сандры Буллок в фильме «Гравитация». Конечно, специалисты по космонавтике находили в этом фильме десятки грубейших ошибок, но это не повлияло на его популярность. Фильм получил «Оскар» за режиссуру и собрал более 700 млн. долларов. С этого момента проблема космического мусора нашла отражение в массовой культуре. Ведь именно из-за столкновения с космическим мусором – обломками спутника – в фильме терпит аварию и американский шаттл, и Международная космическая станция.
Космический мусор на околоземных орбитах
Илл.: Michael Najjar
Справедливо будет вспомнить, что на самом деле первенство в открытии темы космического мусора в кино принадлежит японцам. Еще в 1999 году известный мастер манги Макото Юкимура начал серию комиксов Planetes о работе сборщиков космического мусора в 2075 году. В 2003 году на основе манги появился одноименный сериал аниме из 26 серий.
Но если люди искусства обратили внимание на космический мусор лишь в XXI веке, то специалистов в области космонавтики эта проблема начала беспокоить значительно раньше, и со временем их беспокойство лишь растет. С момента запуска первого спутника Земли в 1957 году Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (North American Aerospace Defense Command, NORAD) вело каталог всех запусков ракет и всех объектов, попадающих на околоземную орбиту. Среди них были не только спутники, но и их отделяемые головные обтекатели, а также последние ступени ракет и разгонные блоки. Каталог получил название Space Object Catalog. С 1980 годов в его подготовке участвует НАСА, для каталога выработан специальный двухстрочный формат базы данных, характеризующих орбиты космических объектов. Постоянно обновляемая база данных свободно доступна в интернете.
Очень скоро к этим объектам стали добавляться другие, возникающие уже в космическом пространстве после взрывов космических аппаратов. Часть этих взрывов проводилась целенаправленно в 60-е и 70-е годы, во время испытаний противоспутникового оружия, часть – стала результатом превращения остатков жидкого топлива в ступенях ракет в газ, разорвавший топливные баки. Судьбу получавшихся осколков можно было отследить лишь примерно. За эту задачу взялся сотрудник NORAD Джон Габбард, который создал особую методику прогнозирования орбит этих обломков.
Используя данные Габбарда, Дональд Кесслер, ранее занимавшийся изучением метеоритных потоков и скоплений астероидов, обратил внимание на космические объекты искусственного происхождения и быстро пришел к выводу, что существует опасность бесконтрольного роста космического мусора на низких околоземных орбитах. Кесслер учел «эффект домино», при котором столкновение орбитальных объектов вело к образованию большого количества обломков, что увеличивало вероятность новых столкновений и дальнейшего роста числа обломков и так далее. Сходный процесс Кесслер ранее заметил в эволюции пояса астероидов, но если там он длился миллионы лет, то в окрестностях Земли на создание «мусорного пояса» потребовались лишь десятки лет. В дальнейшем это явление назвали «эффектом Кесслера».
В те годы космический мусор не казался большой проблемой, так как считали, что обломки быстро опускаются в верхние слои атмосферы, где сгорают. Но Габбард был не согласен, считая, что «эффект Кесслера» приведет к быстрому засорению ряда областей околоземного пространства. Во многом благодаря его усилиям НАСА решила начать программу исследований космического мусора. Для этого использовались оптические телескопы, коротковолновые радары и так называемые «камеры Бейкера-Нанна» — устройства, предназначенные для фотографирования спутников с Земли.
Камера Бейкера-Нанна.
Используется для фотографирования спутников и космического мусора
Довольно быстро обнаружилось, что оценки количества мусора на орбите были занижены примерно вдвое. В основном это касалось объектов диаметром до 20 см. Одновременно на околоземной орбите и на Земле велись исследования следов столкновений космических аппаратов с микрообъектами. Ученые с помощью микроскопов изучали внешние оболочки вернувшихся из космоса шаттлов, которые как раз тогда начали свои полеты. Астронавты на орбите изучали повреждения стенок орбитальных станций. Эти исследования тоже показали, что количество мусора существенно выше ожидаемого. Интересно, что, как обнаружил Кесслер в 1981 году Кесслер, 42% всего каталогизированного мусора было тогда результатом только 19 событий, в основном взрывов отработанных ступеней ракет-носителей, особенно американских ракет Delta.
Верхняя ступень ракеты Delta II в космосе. Фотография со спутника XSS 10
В 1991 году Дональд Кесслер опубликовал работу Collisional cascading: The limits of population growth in low earth orbit, где уже прямо указывал на опасность космического мусора для космонавтики. Обломок массой один килограмм, летящий со скоростью 10 километров в секунду, способен, по словам Кесслера, разрушить космический корабль, причем эта катастрофа породит множество других опасных обломков.
Последовали первые меры. Например, НАСА модифицировала ракеты-носители Delta, чтобы остатки топлива в их последних ступенях не приводили к взрыву. Однако тенденцию к росту космического мусора в целом преодолеть не удалось. По современным оценкам, на низких околоземных орбитах (с высотой апогея до 2000 км) находится более 300 тысяч объектов. При этом лишь десятая их часть отслеживается и попадает в базы данных, и лишь 6% представляет собой действующие космические аппараты. Если классифицировать космический мусор по размеру, то объектов размером более 10 см оценивается в 19000, от 1 до 10 см – примерно в 500 000, а объектов, которые меньше 1 см может быть уже десятки миллионов, их учет практически невозможен. К отработанным верхним ступеням ракет и фрагментам, оставшимся после взрывов, сейчас добавляются многочисленные переставшие функционировать спутники.
Есть и неожиданные, скорее курьезные источники космического мусора. Эдвард Уайт, ставший 3 июня 1965 года первым американцем, который совершил выход в открытый космос, потерял гаечный ключ. Майкл Коллинз во время полета на «Джемини-10» упустил кинокамеру. Еще одну камеру в 2006 году потеряла Сунита Уильямс. При ремонте солнечной панели на МКС в 2007 году в космос улетели плоскогубцы, а в 2008 Хайдемари Стефанишин-Пайпер, производя ремонтные работы, упустила целую сумку с инструментами весом 13 килограмм.
Сумка с инструментами улетает в космос. 18 ноября 2008 года.
МКС. STS-126
Наибольший вклад в формирование космического мусора сейчас вносит Китай, следом идут США и Россия, вместе все три страны ответственных приблизительно за 93% мусорных объектов.
Международный союз электросвязи, контролирующий запуски геостационарных спутников связи, в конце 1990-х годов выдвинул требование ко всем запускающим такие спутники странам обеспечивать их сход с орбиты после завершения срока службы. Но эти требования не обеспечивают прекращения роста мусора. Спутники, которые прекратили функционировать неожиданно, например, в результате попадания метеорита или фрагмента мусора, остаются в космосе, превращаясь в угрозу другим. Так произошло, например, с европейским спутником Olympus-1 в 1993 году.
10 февраля 2009 года в космосе впервые столкнулись два искусственных спутника: российский Космос-2251 и американский Iridium 33. Масса первого из них составляла одну тонну второго – 600 килограмм. В результате разрушения спутников образовалось около 600 обломков. До этого аппараты на орбите сталкивались только с фрагментами космического мусора.
Исследователи считают, что для ряда орбит предсказанный Кесслером момент, когда они из-за каскадно растущего количества мусора станут непригодны для полетов, вот-вот наступит. В 2002 году Ричард Кроутер из британского Агентства оценок и исследований в области обороны (Defence Evaluation and Research Agency) предположил, что это произойдет в 2015 году. Сейчас специалиста НАСА утверждают, что для высот от 900 до 100 км и 1200 км этот момент уже наступил. На высотах около 400 км, где часто производятся пилотируемые полеты, мусора меньше из-за пусть небольшого, но ощутимого сопротивления разреженных слоев земной атмосферы, которое заставляет небольшие объекты терять скорость, снижаться и, наконец, сгорать в более плотных атмосферных слоях.
Орбита Международной космической станции находится на высоте 337—430 км. Чтобы обезопасить ее была разработана специальная система DAM (Debris Avoidance Manoeuvre), которая, получая сигнал о приближении опасного объекта, включает двигатели, приподнимающие станцию на более высокую орбиту. Это случалось уже 16 раз. Известно, что маневр 14 января 2012 года был вызван риском столкновения с обломком спутника Iridium 33. Если опасность замечена слишком поздно, и совершить маневр уже нельзя, экипаж станции эвакуируется в пристыкованный к ней космический корабль «Союз». За время существования МКС это происходило четырежды, но, к счастью, обломки мусора миновали станцию.
Небольшие обломки периодически сталкиваются с космические аппаратами, а микромусор бомбардирует их регулярно. Пока серьезных аварий, вызванных этими столкновениями, не случалось. Однако 24 июля 1996 года французский микроспутник Cerise столкнулся с фрагментами верхней ступени ракеты Ariane-1 H-10, которая была запущена в космос еще в ноябре 1986. Также именно на космический мусор специалисты возлагают ответственность за потерю отечественного телекоммуникационного спутника Экспресс-AM11 в 2006 году. Он получил удар в систему терморегулирования, она разгерметизировалась и вытекающая из нее жидкость придала спутнику неконтролируемое вращение. Правда, специалистам удалось скорректировать орбиту этого аппарата так, что он спустился в плотные слои атмосферы и не стал угрозой для других спутников. Встречаются и повреждения пилотируемых аппаратов. Часть из них экипажам приходится ликвидировать во время выходов в открытый космос.
Повреждение панели шаттла «Индевор»
из-за столкновения с космическим мусором во время полета 2007 года
Увы, бывает и так, что количество мусора на околоземной орбите возрастает в результате сознательных действий людей. В 2007 году резкую критику вызвали действия Китая, который использовал ракету для уничтожения отработавшего свой срок метеоспутника «Фэнъюнь FY-1C». В результате столкновения и разрушения спутника возникло более 2300 объектов отслеживаемого мусора, более 35000 объектов размером около сантиметра и более миллиона объектов размером около миллиметра. Считается, что замусоренность данной орбиты сразу возросла на 22%. И это произошло на «густонаселенной» космическими аппаратами высоте от 850 до 882 км.
Орбиты известных обломков спутника «Фэнъюнь FY-1C»
В июне 2007 года маневр для уклонения от обломков китайского спутника вынужден был совершить научно-исследовательский спутник НАСА «Терра». В апреле 2011 года обломки прошли в опасной близости от МКС. 22 января 2013 года от столкновения с этими обломками разрушился российский калибровочный наноспутник BLITS (Ball Lens In The Space).
Помимо мер, направленных на ограничение роста космического мусора (самоликвидация отработанных ступеней и разгонных блоков, контролируемый сход с орбиты) сейчас активно ищутся способы удаления уже существующих техногенных объектов с орбиты. Канадская компания MacDonald, Dettwiler and Associates рассчитывает в 2015 году запустить корабль Space Infrastructure Servicing, одной из функций которого станет перенос космического мусора на специальные «орбиты захоронения». Они располагаются на высотах, специально выделенных для отработавших свой срок спутников, чтобы уменьшить засорение других орбит. У некоторых аппаратов предусмотрен самостоятельный переход на орбиту захоронения, другими должен заняться Space Infrastructure Servicing. Над сходными проектами работают Star Inc. и швейцарская Политехническая школа в Лозанне. 28 февраля 2014 года Японское космическое агентство запустило в тестовый полет «космическую сеть», которая по замыслу создателей, должна улавливать орбитальный мусор. Но в первом полете сбор мусора пока не планируется.
В России проблемой космического мусора занимается ООО «Космическая экология», резидент «Фонда Сколково». Оно работает в двух направлениях. Первое относится к пассивным методам борьбы с мусором – ограничению его роста. Разрабатываемая «Космической экологией» автономная бортовая система спуска должна не дать отделяемыми частям ракет-носителей остаться на околоземной орбите. При этом остатки жидкого топлива ракеты преобразуются в газ, а энергия этого газа используется для снижения.
Другой подход – активная «чистка» космоса – также представлен в разработках «Космической экологии». Для этого должен служит многоразовый универсальный транспортно-стыковочный модуль. Планируется, что он будет способен захватывать разнообразные техногенные объекты, чтобы транспортировать их либо на низкие орбиты, с которых они постепенно будут опускаться на Землю и погрузятся в воды океана, либо на орбиты захоронения.
Чтобы сохранить существующую обстановку по космическому мусору и не допустить дальнейшего её нарастания, даже в случае прекращения его поступления в околоземное космическое пространство, по данным специалистов NASA, необходимо ежегодно уводить с орбит около девяти тонн космического мусора. Спустить мусор с орбиты в несколько раз дороже, чем вывести его туда, отметил эксперт по космическому мусору и руководитель научно-образовательного центра «Космическая экология» Омского государственного технического университета, профессор, д.т.н. Валерий Трушляков. Это обусловлено свойством космического мусора «саморазмножаться» за счёт столкновения объектов крупногабаритного космического мусора (отработавшие свой срок космические аппараты, последние ступени ракет-носителей, различные обломки и т.д.).
Комментируя проблему очистки околоземного космического пространства, он также уточнил, что космический мусор делят на две категории: тот, который находится и будет находится на орбитах длительное время и тот, который постепенно снижается и сгорает в атмосфере, а также отработанные ступени ракет-носителей, падающие в выделенные районы падения при выведении. «Говоря об орбитальном мусоре, проблема в настоящее переходит из стадии обсуждения в стадию разработки рекомендаций с последующими санкциями к тем эксплуатантам ракет-носителей, которые оставляют на орбитах последние ступени, которые и являются наиболее потенциально опасным крупногабаритным космическим мусором», – подчеркнул профессор Трушляков.
По его словам, США, страны Евросоюза, Япония уже успешно провели летные эксперименты по возможности управляемого спуска отработанных ступеней ракет-носителей в течение 1 – 2 витков после отделения полезной нагрузки, показав техническую возможность и готовность к такому типу ведения ракетно-космической деятельности. Эти результаты представлены в технический подкомитет ООН по мирному использованию космоса в качестве предложений по разработке рекомендаций по сокращению поступления в защищаемые области околоземного космического пространства этого самого потенциально опасного крупногабаритного космического мусора. Скорее всего, учитывая несколько тенденций, таких как международные требования по сохранению доступности и возможности работы в околоземном космическом пространстве, усиление конкуренции на рынке средств выведения за счёт появления компаний Китая, Индии, Южной Кореи и т.д. в ближайшее время стоит ожидать выхода соответствующий санкций.
В сложившейся ситуации технологии по спуску с орбит крупногабаритного космического мусора, представляющего непосредственную опасность существующим космическим системам, активно развиваются в США, странах Евросоюза, Японии, Китае, Канаде. «Сейчас формируется новый высокотехнологичный и наукоемкий рынок по спуску космического мусора. Варианты решения этой проблемы весьма разнообразны. Объем рынка достигает миллиарды долларов и, естественно, развитые страны стремятся войти в этот рынок», — считает эксперт.
Рассказывая о своих проектах Валерий Трушляков пояснил, что есть два типа источников мусора – космические аппараты, и ступени ракет-носителей, после завершения своей миссии. Как разработчики и эксплуатанты ракет-носителей «Космическая экология» в первую очередь занимается отработанными ступенями ракет-носителей. «Наше направление исследования – активный управляемый спуск отработанных орбитальных ступеней (в течение одного-двух витков) с траекторий выведения. Мы используем невыработанные остатки топлива в баках ракет-носителей, газифицируем их и дальше используем полученный энергетический ресурс для придания импульса, либо спуска с орбит, либо спуска с траекторий, выведения для уменьшения площадей районов падений», — объяснил профессор Трушляков.
При запусках ракет-носителей зарубежными странами (США, странами Евросоюза, Япония и т.д.) практически все отработанные ступени падают в акватории Мирового океана, а в России – на землю, территории в том числе и Республики Казахстан, при этом площади районов падения отработанных ступеней огромны и составляют миллионы кв. км. После каждого запуска ракеты-носителя в районах падения нужно проводить послепусковые работы: в первую очередь, оповещение населения в районах падения и прилегающих к ним, а после проведения пусков — поиск, разделка, складирование и утилизация отработанных ступеней и их фрагментов, проведение рекультивации земель, дектоксикация почвогрунтов и т.д. «Для нашей страны больше востребована работа в районах падения. Стоимость проведения этих работ в среднем составляет около до 40% от общей стоимости пуска для ракет-носителей с токсичными компонентами топлива», — рассказал Валерий Трушляков.
Источник: М. Руссо polit.ru
