Мусор преграждает путь в Космос. Романов Вадим
Красиво, не правда ли? Десятки тысяч объектов: действующих спутников, их разрушенных фрагментов, деталей ракет и обломков измерительной техники, не считая метеозондов, кружатся на орбитах Земли. Такое феерическое зрелище проявилось бы, если на каждый орбитальный объект поставить фонарик.
Конечно же демонтаж и повторное использование таких объектов в настоящее время ещё не практикуется, а находится в стадии исследования и опытных разработок. Вывоз и утилизация космических отходов — весьма дорогостоящая и трудоёмкая операция, тем не менее уже сегодня этот бизнес может быть рентабельным. Об этом говорит интерес разработчиков космической техники к использованию орбитальных отходов.
Агентство по перспективным оборонным исследованиям Пентагона (DARPA) запустило программу «Феникс» (Phoenix), призванную превратить более сотни списанных спутников связи, «болтающихся» на геостационарных орбитах, в источник дорогих и уникальных частей для космической техники [16]. Авторы этого проекта предлагают некоторые узлы давно выключенных спутников использовать в новых изделиях. Разделка и утилизация отработавших аппаратов прямо в околоземном пространстве могла бы сэкономить миллионные затраты.
Высокая цена спутников связи обусловлена как стоимостью деталей, так и большими затратами на запуск аппаратов в ОКП. Между тем в списанных, выработавших ресурс сателлитах находится немало узлов, которые могли бы ещё поработать. Ныне на орбитах в виде «мёртвого» хлама крутятся в виде отходов сотни миллионов долларов. Нерационально оставлять такое богатство без дела и заново производить те же самые узлы на Земле, а потом ещё тратиться на их подъём в ОКП и в Космос.
Один из важнейших таких узлов — антенна. Она не только дорога в изготовлении, но и объёмна и немало весит, что влияет на размеры и массу ракеты-носителя и спутника, а следовательно, и на стоимость его запуска. Именно антенны призван утилизировать проект «Феникс» в первую очередь. Сердцем комплекса должен стать автоматический аппарат, условно названный tender (плавучая база). Он должен быть оснащён роботизированными руками с набором инструментов, необходимых для разделки орбитальных отходов в виде вышедших из строя спутников и орбитальных космических станций.
Сложность осуществления этого проекта состоит в неподготовленности космонавтов и техники для реализации этого амбициозного замысла. Спутники и другие летательные космические аппараты не разрабатывались в расчёте на разборку, так что орбитальному сервисмену недостаточно будет уметь откручивать гайки — ему придётся немало сверлить и резать.
В процессе демонтажа орбитальных отходов проект предусматривает наличие целого флота помощников — миниатюрных спутников PODS (payload orbital delivery system, «орбитальная система доставки нагрузки»). Эти миниатюрные аппараты должны храниться на борту «тендера», пока не понадобятся для захвата очередной антенны [16, 17].
Развитие проекта использования орбитальных отходов предполагает создание орбитальной антенной сети на базе отработавших спутников космической орбитальной «свалки».
Отмечается [18], что запуск спутников является крайне дорогостоящим и рискованным делом — полезная нагрузка по цене 20 тыс долл, за 1 кг может погибнуть при выводе его на орбиту или в результате аппаратурной неисправности. Специалисты DARPA разработали уникальную систему Phoenix, которая способна превратить мёртвые спутники общей стоимостью 300 млрд долл, в полезные массивы антенн.
Система Phoenix состоит из спутника-носителя и множества небольших микроспутников, названных Satlet. Микроспутники могут доставляться на орбиту обычными коммерческими спутниками, после достижения геостационарной орбиты спутник-носитель сможет «подрулить» к «кладбищу» космических аппаратов. После выбора на «кладбище» конкретного орбитального отхода начнётся этап отделения наиболее дорогостоящих его частей для их повторного использования. Таким образом мыслится космический хлам превращать в ценные орбитальные объекты. На завершающем этапе демонтажа орбитальных отходов к антенне прикрепятся микроспутники Satlet, которые возьмут на себя роль системы управления новой антенной. Подобные утилизированные и модифицированные антенны и космические аппараты можно собрать в антенные массивы и использовать для ретрансляции сигнала, разведки и научных наблюдений.
Бесполезные мёртвые спутники с помощью новой системы DARPA могут быть трансформированы в околоземную орбитальную антенную сеть
В DARPA основные сложности видят в демонтаже антенн спутников. Их не так просто отделить, поэтому необходимо разработать новые технологии дистанционного управления, захвата изображений и специальные робототизированные инструменты для удержания, разрезания, перемещения и монтажа антенн.
Первое испытание технологии намечается на 2015 год. Основное ограничение для работы орбитального утилизатора орбитальных отходов заключается в том, что любое оборудование в ОКП и в Космосе из соображений национальной безопасности является собственностью страны, которая его изготовила, а потому возвращать к жизни все подряд спутники не удастся. Это будет противоречить существующим нормам законов о космической деятельности, но законы могут быть изменены или разработаны новые, и тогда для утилизаторов орбитальных отходов открываются захватывающие перспективы…
Следует заметить, что прежде чем этот проект станет реальностью, исследователи должны разработать новые технологии робототехники и систем удалённой визуализации, создать механизмы захвата и отсоединения деталей спутников и ещё многое другое.
Учёные из канадского университета Квинс разрабатывают автоматическую систему ремонта и обслуживания спутников прямо на орбите. Этот проект поможет избежать лавинообразного роста орбитальных отходов и орбитального и мусора, которые начинают всё сильнее мешать нормальной работе в околоземном космическом пространстве. В основном это сломавшиеся и ставшие неуправляемые спутники и последние ступени ракет-носителей.
Группа инженеров для решения этой проблемы разработала специальную следящую систему, которая позволит автономному космическому ремонтному роботу (Autonomous Space Servicing Vehicle — ASSV) "поймать" сломавшийся спутник и отбуксировать его на борт ремонтной базы [19]. Процесс ремонта будет управляться с наземных станций.
Одной из главных трудностей является проблема поиска неисправного спутника. Для этого будет использоваться
специальное программное обеспечение и световой радар, который позволяет точно определить местонахождение спутника, его тип и отслеживать перемещения объекта.
В виде развития идеи использования в ОКП отходов ракетно-космической техники можно предложить создание на борту орбитальной ремонтной базы защитного выносного экрана. Такой экран мыслится собирать из плоских и достаточно массивных элементов РКТ типа солнечных батарей. Если разместить такой экран перед защищаемым объектом, то он способен обеспечить его безопасность при столкновении с космическим или орбитальным мусором. Вся кинетическая энергия высокоскоростного обломка или мусорной частицы будет израсходована при соударении с экраном, а защищаемый объект останется невредим. Устройство такого защитного экрана иллюстрируется рисунком 3.1.
Рис. 3.1. Схема защиты космического аппарата от орбитальных экскретов выносным экраном, собранном из орбитальных отходов: 1– КА; 2– защитный выносной экран; 3– стойки экрана; 4 — космический и орбитальный мусор
В настоящее время вокруг Земли вращаются более 600 тыс. объектов диаметром более 1 см. По данным Европейского космического агентства (ЕКА) 41 % этих объектов составляют различные обломки, потерянные инструменты и другие мелкие детали, 22 % — это отработавшие свой срок космические аппараты, 13 % от их общего числа составляют материальные «следы» различных экспериментов и научных проектов, 7 % — части ракет-носителей [20]. В то же время на функционирующие космические аппараты приходится только 7 % огромного количества летательных аппаратов ракетно-космической техники, связанных с освоением космоса человечеством. Получается, что 93 % объектов, вращающихся вокруг Земли, — это бесполезный и опасный мусор, разбросанный по различным орбитам. Причём каждый пятый орбитальный объект может квалифицироваться как орбитальный отход, то есть может представлять собой материальный и финансовый интерес.
Количество орбитальных отходов увеличивается не только с выработкой срока функционирования космических летательных аппаратов, но и из-за аварий на орбитах. Установлено множество случаев столкновения космических аппаратов с орбитальным мусором [20]. Так, частица мусора 1 см в диаметре пробила антенну телескопа "Хаббл" и вывела его из строя. Российскому спутнику "Экспресс АМН" также не повезло, — в 2006 году удар микроскопической частицы мусора повредил систему
терморегулирования, в результате чего спутник вышел из строя и на некоторое время оставил Дальний Восток без телевещания. Эти примеры и ещё множество других происшествий на орбитах говорят о уязвимости современной аэрокосмической инфраструктуры и необходимости создания службы её ремонта и наладки непосредственно на орбитах.
Современные люди слишком зависимы от GPS, мобильной связи и интернета. Космический или орбитальный мусор может спровоцировать катастрофу, угрожающую здоровью и жизни людей. Насколько она вероятна можно оценить, взглянув на некоторые цифры [20]. На высотах между 788 км и 1000 км летает около 1100 спутников и 370 тысяч частиц орбитального мусора, каждая из которых способна при столкновении вывести спутник из строя. Вероятность столкновения с достаточно крупным объектом на такой высоте составляет от 15 до 30 % на протяжении 150 лет. Пока аварийная статистика радует — спутники погибают от мусора в среднем раз в десять лет. Однако это стоит огромных финансовых затрат, которые включают бронезащиту аппаратов и постоянный мониторинг космического пространства. К сожалению, количество мусора и повреждаемых им летательных объектов растёт (в среднем на 5 % в год), и статистические данные неизбежно начнут ухудшаться.
Кроме опасности столкновений орбитальных аппаратов, ставших отходами, с функционирующей техникой есть и другая опасность некоторых орбитальных отходов — это их радиоактивность. По приблизительным оценкам сегодня на орбитах находятся более 60 космических аппаратов с радиоактивными материалами на борту, часть из которых потеряла работоспособность, то есть стала опасным экскретом. Их следовало бы демонтировать или хотя бы удалять на космическую свалку за пределы геостационарной орбиты, но это делается далеко не всегда — часто из соображений секретности или из-за отсутствия финансирования.
Опасные объекты годами «болтаются» в ОКИ, пока не создадут аварийную ситуацию. Например, в 1978 году советский шпионский спутник Космос-954 после аварийного схода с орбиты осыпал радиоактивными обломками северную часть Канады. России пришлось дорого расплачиваться с канадцами за потенциальный ущерб. С тех пор на Землю упали 9 потерявших работоспособность объектов с ядерными материалами [20].
Опасные летательные аппараты из ОКИ следует по возможности быстро демонтировать или убирать за его пределы. Идея космической изоляции РАО возникла давно [21]. Ещё в 1959 г. этот способ предлагал в нашей стране академик И. Л. Капица, а в 1972 г. в США — Д. Шлесинджер.
На Европейской конференции по ядерной энергетике в 1975 г. в Париже обсуждалось несколько общих концепций окончательного захоронения или удаления высокоактивных и альфа-излучающих радиоактивных отходов (РАО). На первое место в возможном перечне мер была поставлена концепция удаления РАО в Космос. Всё же подчеркивалось, что в нашем столетии они в основном будут захораниваться на Земле.
Уже через несколько лет НАСА и Министерство энергетики США стали разрабатывать способы удаления РАО в Космос с использованием многоразовой космической системы Спейс Шаттл. В нашей стране подобный способ начали разрабатывать в 1987 г. в ЦНИИ машиностроения.
Эти вопросы активно обсуждались на конференции [22], в которой участвовали учёные и специалисты по космической технике, ядерной энергетике России и ряда зарубежных стран. На конференции обсуждались доклады, посвященные разным аспектам космической изоляции РАО, но основной упор был сделан на технические вопросы вывода РАО в Космос.
При решении этой проблемы было решено руководствоваться следующими постулатами:
— биосфера не может ассимилировать все РАО, производимые человечеством;
— наша планета ограничена;
— Космос безграничен и его невозможно замусорить конечным количеством РАО;
— Космос агрессивен для живой материи;
— Земля ограждена от космоса атмосферой, так что из нашего «дома» мы можем выкинуть всё, что хранить в нём невозможно.
На конференции обсуждалось несколько вариантов космического удаления РАО:
— удаление на Юпитер,
— вывод за пределы Солнечной системы,
— удаление на Солнце (в том числе полеты с гравитационным маневром около Юпитера).
Заметим, что все эти варианты из-за неприемлемых в настоящее время энергетических затрат, которые требуются для разгона до необходимой скорости, возможно, будут применены лишь в отдалённой перспективе. А сейчас самый реальный вариант — это удаление РАО на гелиоцентрическую орбиту (на расстояние от Земли в 1,2 а. е., между орбитами Земли и Марса). Для этого предполагается создать сборочно-эксплуатационный центр на околоземной орбите. В этом центре орбитальные отходы будут демонтироваться и подготавливаться к транспортировке. Возможные варианты избавления от радиоактивных орбитальных отходов приводятся на схемах рисунка 3.2.
Большое внимание на конференции привлекли вопросы надёжности и безопасности удаления РАО в Космос. Выступающие доказывали, что современное развитие космической техники обеспечивает приемлемый уровень риска — в основном за счёт высокой надежности капсулы и контейнера с РАО. Выступавшие согласились, что космическая изоляция РАО — это не альтернативный способ, а дополняющий захоронение в геологических формациях. Удалять необходимо лишь самые опасные и долгоживущие изотопы (с периодом полураспада в тысячи и миллионы лет): нептуний, америций, кюрий, цирконий, технеций и иод. Эти изотопы составляют меньше 1 % от всей массы высокоактивных РАО, полученных в результате деятельности атомных электростанций.
Конференция постановила, что космическую изоляцию РАО необходимо проводить в международных рамках. Россия даёт около 10 % всех полученных в мире долгоживущих и особо опасных РАО, поэтому и финансирование проекта должно быть пропорциональным. Понятно, что одно государство не в состоянии финансировать весь комплекс мероприятий по удалению РАО в Космос. И наконец, космодром для проведения таких работ целесообразнее размещать не на территории России, а как можно ближе к экватору (в связи с энергетическими выгодами вывода на орбиту), например, на островах Гильберта, в Австралии или на плавучей платформе в приэкваториальных водах.
Напомним, что космическая изоляция РАО в России в настоящее время запрещена. Пунктом 3 статьи 50 Закона РСФСР «Об охране окружающей природной среды» от 19 декабря 1991 г. прямо запрещена отправка радиоактивных отходов и материалов в космическое пространство в целях захоронения. Только международный договор может устранить это законодательное препятствие, потому что, согласно ст. 93 упомянутого Закона РСФСР, при несовпадении положений законодательства Российской Федерации и международного договора применяются положения международного договора.
Однако, думая о ближайшей перспективе удаления радиоактивных отходов в ОКП и в Космос, нельзя не предвидеть, что со временем они могут стать реальной угрозой для космонавтов и космических аппаратов. Необходимо выяснить, какие могут быть последствия от контакта РАО с находящейся в околоземном пространстве плазмой, а также проанализировать, останутся ли удалённые в Космос РАО локализованными или они будут распространяться дальше. Есть и другие вопросы: не слишком ли опасен процесс вывода РАО с поверхности Земли и не окажут ли отходы вредное воздействие на околоземное пространство, планеты и Солнце. Наконец, в состоянии ли потоки солнечного ветра вынести на периферию Солнечной системы распыленные РАО.
В заключение подчеркнём, что идея удаления РАО в космическое пространство вне всяких сомнений имеет право на жизнь. Но её реализация возможна только на международном уровне и требует прежде всего решения правовых проблем.
Специалисты призывают хотя бы не мусорить больше. А отправляемые в Космос аппараты снабжать особыми двигателями-терминаторами, которые бы переводили отработавшие спутники на низкие орбиты, чтобы они там сгорали.
Интересно довольно необычное, если не сказать фантастическое, возможное использование орбитальных экскретов в военных целях. Орбитальные отходы, пока теоретически, но вскоре и на практике, могут быть превращены в оружие. Причём оружие — «абсолютное», против которого на современном этапе развития технологий нет средств противодействия [23]. Анализ траекторий космических объектов при их входе в плотные слои атмосферы показал, что с теоретической точки зрения, любую из траекторий спуска можно изменить, направив при этом обломки в нужном направлении. Для учёных и исследователей это возможность очистить орбиту от орбитального и космического мусора, мешающего запуску новых летательных объектов и угрожающего функционированию старых.
Военные же увидели в этой возможности оружейный потенциал. Орбиту любого из отработанных обломков или спутников (лучше с РАО) можно изменить, например, использовав небольшой ракетный двигатель, и направить их можно куда угодно. Таким образом после небольшой доработки орбитальные экскреты могут стать орбитальной бомбой, находящейся в постоянной боевой готовности.
В случае войны такое оружие позволило бы ликвидировать любые наземные объекты. Ведь обломки или другой орбитальный хлам, используемый в качестве оружия, при входе в атмосферу двигаются с такой скоростью и с таким малым временем подлёта, что их невозможно сбить средствами ПВО.
Отметим, что на сегодняшний день не существует технологий, позволяющих по сигналу с Земли изменять траектории объектов орбитальных отходов, направляя их в нужное место. Однако, специалисты Космического агентства NASA заявляют, что до их появления остаётся пара тройка лет [33].
При этом следует иметь в виду, что спутники с РАО, выведенные за пределы геостационарных орбит, а также сниженные до атмосферного слоя Земли (ниже 200 км) из отходов переходят в экскретную категорию мусора со всеми вытекающими из этого факта последствиями.
4. Орбитальный техногенный мусор
Проблема засорения околоземного космического пространства техногенным орбитальным мусором как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов прошлого века. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г. [24]. В докладе особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны, прямо или косвенно участвующие в его освоении.
Орбитальный техногенный мусор, определяется как не утилизируемые обломки летательных аппаратов ракетно-космической техники, а также вспомогательных приборов или механизмов, их разрушенные детали и фрагменты, находящиеся в ОКП и на входе в плотные слои атмосферы. Он является наряду с орбитальным космическим мусором составной частью обширного класса экскретов «Орбитального мусора» (см. схему раздела 2.).
Говоря о распределении искусственного орбитального мусора в околоземном пространстве, можно отметить его преимущественное нахождение в зонах наиболее заселённых орбит. Такими зонами признаны: геостационарные орбиты на высотах около 40 тысяч км от поверхности Земли и орбиты на высотах 800 ч— 1 ()()() км. Можно ещё отметить зону пилотируемых полётов на высотах около 300 км и солнечно-синхронные орбиты.
Объекты орбитального мусора, в отличие от орбитальных отходов, не могут быть экономически выгодно утилизированы и поэтому должны уничтожаться — самопроизвольно (сгорая в атмосфере) или принудительно с использованием технических средств и устройств.
Количество орбитальных экскретов в виде отходов, отбросов и космического мусора неуклонно растёт. В настоящее время более 22 тысяч крупных фрагментов и множество мелких летает вокруг Земли со скоростями порядка 10 километров в секунду и выше. Когда космическое оборудование на летательных аппаратах завершает свою миссию, оно становится орбитальным мусором или отходом в зависимости от его положения на орбите и от возможности быть утилизированным.
Рис. 4.1. Схема входа тела в плотные слои атмосферы
Мусорные объекты на участке входа в плотные слои атмосферы также могут представлять опасность столкновений для взлетающей ракетной техники. Их траектории спуска и торможения рассчитать чрезвычайно сложно из-за постоянно меняющихся параметров атмосферы, геометрических и динамических характеристик движущихся тел.
Эволюция орбиты спутника или элементов орбитального мусора и время их существования определяется, в основном, естественными возмущениями: гравитационным полем Земли и его несферичностью, гравитационным воздействием Луны и Солнца, давлением солнечной радиации и тормозящим действием атмосферы. Вследствие торможения объект постепенно (по спирали) входит в более плотные нижние слои атмосферы, где в конце концов из-за трения и сгорает.
Рассмотрим особенности спуска в плотную атмосферу тел на примере искусственного спутника Земли (ИСЗ). В процессе спуска сопротивление атмосферы Земли вызывает уменьшение большой полуоси орбиты ИСЗ, в результате чего он по спирали снижается к Земле. При достижении высоты около 160 км спутник сможет сделать всего пару оборотов и сгорит в атмосфере, войдя в резкий и необратимый спуск.
Время жизни спутника определяется физическими характеристиками атмосферы, активностью Солнца, а также эксцентриситетом его орбиты и размером её большой полуоси. Теоретически этот параметр предсказать можно только с большой ошибкой. В таблице ниже представлены времена жизни типичного ИСЗ на завершающем этапе его существования для разных значений его траекторных параметров: перигея и апогея [26].
Таблица № 2.3.1.
Время существования ИСЗ массой 100 кг и диаметром 1 м, сутки
Из таблицы видно, что и высоты апогея и перигея сильно влияют на время существования Т0 орбитального объекта. Например, увеличение высоты перигея в 2 раза приводит к почти пятидесятикратному росту Т0 для траекторий с низким апогеем и более чем к восьмидесятикратному увеличению Т0 для траекторий с высоким апогеем. Указанные в таблице значения параметра Т0 имеют большую погрешность из-за неопределенностей в значениях геометрии спускаемого объекта, его ориентации в полёте и вариациях изменения плотности воздуха с высотой.
От характеристик входа в плотные слои атмосферы зависит не только время существования тела, но и вероятность его сгорания в атмосфере. При больших углах входа в атмосферу время пребывания объекта в ней относительно мало, и тело может не успеть разогреться до высоких температур; при пологих траекториях объекты постепенно разогреваются потоком до температур плавления их материалов, оплавляются и сгорают.
Рис. 4.2. Схема захоронения геостационарных спутников и других объектов орбитального мусора
Увеличение скорости входа однозначно ускоряет нагрев и плавление тела и уменьшает время пребывания объекта в атмосфере. Таким образом, вероятность долететь до поверхности Земли более высока у относительно медленных тел с крутой траекторией полёта. Уменьшая начальный угол входа в плотную атмосферу, можно добиться более полного сгорания орбитального мусора.
Следует иметь в виду, что в некоторых случаях крупные объекты техногенного мусора, а также объекты, содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы, могут представлять прямую ударную или радиационную опасность для обитателей Земли. При их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоёв атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п. случаются жертвы.
Как указывалось выше, низкоскоростные и низкотраекторные (с высотами полёта Н < 200 км) объекты, попавшие в соотносительно плотные слои атмосферы и, как правило, сгорающие в ней, определяются как орбитальный мусор. Очевидно, так же должны квалифицироваться и высокоскоростные объекты, выводимые за пределы геостационарных орбит (Н > 36200 км). Времена «жизни» этих тел превышают тысячелетия, и они могут считаться выброшенными на орбитальную свалку экскретами (см. схему Рис. 4.2.).
Орбиты захоронения — отдельный класс орбит ИСЗ, специально предназначенный для увода на них спутников, вышедших из строя для уменьшения вероятности столкновения с работающими спутниками и для освобождения места новым ИСЗ. Для геостационарных спутников (ГСС) орбитой захоронения считается орбита, на 200 км выше самой орбиты ГСС.
Для каждого геостационарного спутника орбита захоронения рассчитывается отдельно, причём минимальный перигей ДН равен [27]:
Н (км) = 235 + 1000 S CR/m,
где
“CR” — коэффициент давления света,
“S” — площадь эффективного сечения ИСЗ, [S]= м2,
“m” — его масса. [m]=кг.
Низкоорбитальные спутники с ядерными реакторами на борту имеют высоты орбит захоронения порядка 1000 км, куда переводится активная зона ядерного реактора после окончания ее работы [28].
Для оценки засорённости околоземного космического пространства техногенным мусором как экскретом можно выделить несколько типов объектов искусственного происхождения. Орбитальный техногенный мусор в них различается по своему происхождению, составу и по функциональному назначению (см. Рис. 2.3.7). Надо иметь в виду, что приведённые на этом рисунке данные имеют приблизительный характер и доля отдельных компонент в общей их массе заметно меняется год от года.
Рис. 4.3. Состав орбитального техногенного мусора
Как следует из рисунка 4.3. орбитальный техногенный мусор неоднороден по своему составу. Как уже отмечалось, в это понятие включены и сравнительно большие конструкции в виде отработавших свой срок и невостребованных КА, и достаточно малые частицы, например осколки от лакокрасочных покрытий с размерами в десятые и сотые доли миллиметра. Почти половину орбитального мусора приходится на фрагментированную его часть.
Размер частиц орбитального мусора является определяющим фактором при их наблюдениях. Современный уровень развития системы слежения за объектами в ОКП позволяет надёжно регистрировать движение только сравнительно крупных фрагментов с размерами поперечника более 10 см. Таких фрагментов в настоящее время сосредоточено на «оживлённых» околоземных орбитах (до высот ~ 2000 км над поверхностью Земли) порядка 7500–8000 шт. Это так называемая наблюдаемая группировка орбитального мусора.
Столкновение КА с фрагментами из наблюдаемой группировки несомненно и практически достоверно приводят к выходу КА из строя из-за громадных, до удвоенной первой космической, то есть до 15 км/с, скоростей соударения и из-за больших размеров фрагментов. Однако столкновение КА с наблюдаемыми фрагментами можно предсказать и предотвратить изменением траектории аппарата. Наблюдаемая группировка частиц, хотя и является многочисленной и опасной, устранима при надёжной работе системы контроля космического пространства.
Самую богатую историю "обстрелов" накопили американские шаттлы. Наиболее известен случай, который произошел в 2006 году с шаттлом Atlantis, когда небольшая частица космического мусора пробила панель радиатора, одну стенку грузового отсека и застряла в противоположной. В следующем году дыру в несколько сантиметров получил и шаттл Endeavour.
В настоящее время космонавтам остаётся только надеяться, что мусорный "снаряд" не выведет из строя жизненно важные системы корабля и не убьёт экипаж. Однако очевидно, что с выходом в космос коммерческих пилотируемых кораблей и предполагаемого увеличения "заселённости" околоземного пространства, одной надежды мало.
Серьезную опасность представляют не только крупные, но и микроскопические частицы мусора. Однажды стекло кабины шаттла было серьезно повреждено кусочком краски размером менее 0,3 мм! Нельзя не учитывать, что на космических скоростях даже такие, вроде бы пренебрежительно малые, частицы становятся настоящими пулями, способными убить космонавта в скафандре или вывести из строя внешнее оборудование космического корабля. К слову, во время осмотра астронавтами солнечных панелей телескопа Хаббл, были найдены тысячи следов ударов микрометеоритов. О количестве мелкого мусора на околоземной орбите красноречиво говорит тот факт, что стекла шаттлов в течение службы телескопа меняли около 80 раз.
Орбитальный техногенный мусор в составе спутников связи, ступеней ракет, даже старые космические станции и мелкие обломки ЛА и вспомогательных механизмов опасны не только на орбитах, но и на пути запускаемых на орбиту ракет. Из-за этого растёт риск космических аварий. Чем больше спутников мы запускаем, тем больше будет орбитальная свалка, причём количество мусора достигло опасного уровня, при котором обломки спутников будут сталкиваться между собой и создавать крайне неприятную ситуацию для выхода в космос. Кроме того, в последнее время участились столкновения зондов с пролетающими самолетами, что порождает множество техногенного мусора.
Орбитальный мусор представляет опасность не только объектам освоения ОКП, но и землянам. Были случаи, когда несгоревший орбитальный мусор ранил и людей. Например, по сообщениям средств массовой информации в 1997 году обломок 2-й ступени ракеты-носителя Delta ранил женщину в плечо.
Количество мусора в околоземном космическом пространстве постоянно увеличивается и в перспективе угрожает самой возможности освоения Космоса человеком. Пока что надёжных работающих технологий избавления от него нет; появятся ли они в будущем — покажет время.
5. Орбитальный космический мусор
С необъятных просторов галактики и солнечной системы ежесекундно прилетают в околоземное пространство природные объекты в виде астероидов, метеороидов (метеорных тел) и космической пыли. Часть этих небесных тел захватывается силами тяготения планеты и остаются на орбитах в ОКП, сгорают в плотных слоях атмосфер или выпадают на поверхность Земли. Эти объекты могут рассматриваться как экскреты космического мусора. Другие небесные тела — в основном массивные и высокоскоростные — пролётом покидают ОКП, чтобы возможно больше никогда не встретиться с нашей планетой.
Индустриальное освоение околоземного космического пространства породило проблему его засорённости объектами и отходами космической деятельности. На фоне антропогенных мусорных экскретов в ОКП новое звучание получили естественные экскреты — космический мусор — природные тела, прилетающие с просторов ближнего и Большого Космоса. На околоземных орбитах стало тесно.
Мусор космический включает в себя объекты внеземного происхождения, появляющиеся в околоземном пространстве Земли под действие гравитации планеты, захламляющие ОКП, нарушающие работу ракетно-космической техники и жизнь биогеоценозов. Под это определение подпадают не только природные объекты в ОКП типа космической пыли, метеорных тел, болидов и комет, но и потерпевшие бедствие летательные аппараты инопланетян.
В настоящее время Службами контроля Космического пространства США и России в каталоги занесено около 33500 орбитальных объектов размером более 10 см., заметная часть которых — космический мусор. Количество подобных объектов с размерами менее 10 см оценивается в несколько сотен тысяч (-600000). Ежегодный прирост составляет 600–700 фрагментов. На орбитах запуска КА находится более 13400 крупных объектов, их которых только 6 % — действующие космические аппараты. Остальное — выработавшие свой энергетический ресурс и «умершие» аппараты и крупные фрагменты различного происхождения, так называемые орбитальные отходы, орбитальный мусор и космический мусор.
Разделить эти объекты с поверхности Земли довольно сложно, фактически образовавшаяся группировка орбитальных экскретов должна восприниматься как составная часть окружающей среды.
Дополняют этот фон кометы, астероиды, метеороиды и метеорные потоки, межпланетная пыль. Существенными факторами возможной опасности для орбитальных ЛА являются пролетающие к поверхности Земли метеориты и микрометеориты, возможные столкновения КА с более крупными телами — астероидами и кометами.
В Солнечной системе, наряду с планетами и их спутниками, существует огромное количество каменных, железных и ледяных объектов, движущихся на огромных скоростях по хаотичным и постоянно изменяющимся орбитам. Фрагменты этого космического мусора раз за разом пересекают орбиты внутренних планет, особенно Марса и системы Земля-Луна. Земля, движущаяся по орбите вокруг Солнца с постоянной скоростью около 110 000 км/час, регулярно проходит сквозь потоки этого мусора. Большая его часть состоит из крошечных метеороидов, сгорающих в атмосфере (так называемые «падающие звезды»). Более крупные объекты взрываются в атмосфере, часть долетает до Земли. За свою долгую историю Земля неоднократно сталкивалась с космическими объектами — фактически с космическим мусором. Защитная роль атмосферы планеты состоит в предохранении её поверхности от выпадения сравнительно мелких тел — (размером от 1 м до 10 м), они сгорают в атмосфере. Но всё же значительное количество метеоритного вещества (десятки килотонн) ежегодно выпадает на Землю.
Рис. 5.1. Астероиды главного пояса Матильда Гаспра и Ида, изображённые в одном масштабе
Глобальная проблема космического мусора — так называемая астероидно-кометная опасность существовала всегда, но лишь в последние 2–3 десятилетия развития возможностей техники наблюдений была осознана как реальная опасность. Её сущность в потенциальной возможности этих объектов погубить жизнь на Земле.
Дело в том, что свыше 95 % всех известных астероидов находится в Главном поясе астероидов — между орбитами Марса и Юпитера [29]. Несколько астероидных роев вращается между орбитами Марса и Венеры, пересекая орбиту Земли. Существуют крупные астероидные объекты, постоянно находящиеся за орбитой Юпитера и других внешних планет и имеющие эллиптические орбиты и попадающие в сферу внутренних планет при приближении к перигелию. Орбиты астероидов Главного пояса в основном стабильны. Их общее число превосходит 400 тысяч: от гигантов диаметром 200 км до объектов размером 1 км и меньше. Ближе к Земле появляются рои «околоземных» астероидов — семейства астероидов типа Амура, Аполлона и Атона.
Каталогизация астероидов привела к огромному числу открываемых ежегодно таких объектов вообще и астероидов, сближающихся с орбитой Земли или пересекающих её (АСЗ) в частности, а среди них и потенциально опасных (ПО) для Земли.
В течение десятилетия 1998–2007 NASA (США) осуществляла проект «Spaceguard», задачей которого было обнаружение и каталогизация ~90 % всех астероидов с диаметром выше 1 км. Речь шла об астероидах Главного пояса, чьи орбиты не проходят вблизи орбиты Земли. В ходе выполнения этого проекта было обнаружено свыше 730 АСЗ километровых размеров, а попутно найдено свыше 5000 тел меньшего размера. Логическим продолжением проекта «Spaceguard» является следующий проект, в задачи которого входит открытие тех АСЗ, размеры которых менее 1 км (т. е. 150 м ч-1 км). По предварительным оценкам, таких объектов может оказаться порядка 120 000. Характерные конфигурации малых тел Солнечной системы, появляющихся в ОКП, показаны на рис. 2.3.8.
Размеры известных астероидов, пересекающих орбиту Земли, варьируются в пределах от 6 м до 40 км. Одно из последних падений XX века — январь 2000 г. в районе озера Тагиш в Канаде. Метеорит, являвшийся по предположениям осколком астероида типа D (немногочисленное семейство красно-чёрных астероидов с весьма низким альбедо), имел диаметр около 6 метров, массу порядка 2'108кг [30].
В минувшем столетии несколько астероидов прошли совсем близко от Земли, в том числе даже на расстоянии 0,007 а.е., что составляет чуть более 1 млн. км. Последним астероидом XX столетия, пролетевшим вблизи Земли, был объект 2000YA (он пролетел 24 декабря 2000 г. со скоростью 30 км/с на расстоянии 800 тыс. км от Земли) [31].
В XXI веке уже наблюдались пролёты нескольких астероидов между Землёй и Луной.
Важность наблюдения и контроля за астероидами любых типов состоит в непредсказуемости точных траекторий их движения в солнечной системе из-за гравитационных влияний планет и достаточно крупных объектов. Неопасные или потенциально опасные астероиды сегодня могут стать угрожающими завтра.
Наконец, орбиту Земли ежегодно пересекают экскретные космические тела в виде метеоритов разного размера. Они представляют собой несколько десятков метеорных потоков, состоящих из тел разного размера:
— диаметром менее 0,1 см — пылевой составляющей потока;
— от 0,1 см до 10 м — метеороидов.
В настоящее время известно около 20 главных метеорных потоков с часовыми числами 20-140 метеоров в час [29]. Кроме них выделяют до 6 тысяч малых метеорных потоков или ассоциаций. Воздействие метеорного потока экскретов на ОКП, атмосферу и, в конечном итоге, на Землю определяется его шириной, скоростью метеоров относительно Земли и числом крупных объектов в потоке. В своем большинстве массы метеороидов заключаются в пределах 10 — НО г. Размеры метеороидов при этом варьируются в пределах от 10"5 см до ~10 км.
Межпланетные объекты, размер которых не превышает нескольких сотен метров, принято называть метеорными телами, или метеороидами. Влетая с космической скоростью в атмосферу планеты, они из-за столкновения с молекулами газа сильно нагреваются, дробятся, плавятся, испаряются и оставляют за собой в полёте светящийся секунду-другую след. Это атмосферное явление называют метеором.
Если яркость метеора превосходит -4т (т. е. яркость Венеры), то его называют болидом. Наиболее яркие болиды видны даже днем; их полет иногда сопровождается яркими вспышками, дымным следом, а порой и мощными звуками. При яркости более 6 т на поверхность Земли обычно выпадает твёрдый остаток — метеорит. Наиболее вероятными кандидатами на выпадение метеорита являются медленные болиды, не демонстрирующие в конце траектории резкой вспышки, означающей разрушение.
Болид появляется на высотах 100–120 км над поверхностью Земли. На высоте 5-20 км метеорное тело полностью затормаживается, болид исчезает, а остаток не успевшего полностью испариться метеорного тела выпадает на поверхность Земли в виде метеорита. Метеороиды представляют заметную опасность для ИСЗ и пилотируемых КА.
Замечено, что когда крупные метеороиды испытывают большое давление на лобовую часть и, когда оно превышает пределы прочности материала метеороида, разваливаются на части. В результате образуется рой быстро тормозящихся фрагментов, которые в более плотных слоях атмосферы дробятся далее и выпадают на Землю в виде метеоритов.
Абляция вещества с поверхностей мелких осколков ведёт к образованию метеорной комы, которая, испаряясь за доли секунды, образует взрыв, часто наблюдающийся в конце следа крупных болидов в виде вспышки.
Как было показано выше, естественная составляющая космического мусора представляет собой смесь частиц метеороидного, кометного и астероидного происхождения. Кроме этого некоторая его часть — пыль, образованная в системах планет-гигантов, а также межзвездная пыль [29], которую в некоторых литературных источниках причисляют к метеороидам.
Космическая пыль, очевидно, является самым массовым космическим экскретом в околоземном пространстве. Максимум распределения частиц космической пыли в ОКП по размерам близок к 200 мкм. Можно добавить, что солнечный ветер в значительной степени определяет концентрацию частиц космической пыли в ОКП, действуя как своеобразный чистильщик ближнего Космоса.
В мезопаузе (80–85 км) образуются серебристые облака, где пылевые частицы, по одной из гипотез, являются центрами конденсации капель воды и кристаллов льда. Так, метеор с начальной скоростью 40 км/с создает на высоте 95 км след с начальным радиусом 1 м. Такой ионизированный хвост образуется вдоль всей траектории и постепенно расширяется. Чаще всего он невидим, но для ярких метеоров и болидов наблюдается визуально и является источником радиоволн слабой интенсивности.
Важно отметить также наличие пылевых облаков естественного мусора, расположенных в точках либрации L4 и L5 системы Земля-Луна на расстоянии лунной орбиты — так называемые «облака Кордылевского» [15], имеющие размеры порядка земного шара, но весьма низкую плотность — около 210" г на1 км.
Общая масса этих облаков пыли оценивается в 104 тонн. Образование и плотность облаков Кордылевского весьма заметно зависят от солнечной активности и связанной с ней интенсивностью солнечного ветра.
Кометы также можно считать экскретом космического мусора. Они являются, как считается [29], основными поставщиками пыли в Солнечной системе в районе земной орбиты. Подавляющее большинство комет состоит из твёрдого ядра, окруженного газопылевой оболочкой — комой. Траектории полёта этих небесных тел имеют непредсказуемый характер. С приближением кометы к Солнцу под действием солнечного ветра и светового давления у неё образуется хвост, направленный, чаще всего, в сторону противоположную Солнцу. Длина хвостов в среднем составляет до 10 млн. км, в особых случаях — до 150 млн. км. Ядро вещества кометы по современным представлениям состоит из смеси водяного льда с вмороженными в него легколетучими веществами и, возможно, крупными камнями.
Размер ядер короткопериодических комет составляет 0,6-42,5 км, долгопериодических — от 1 до 33 км. Рекорд принадлежит комете Хейла-Боппа, наблюдаемой в 1995-97 гг. Диаметр её ядра по разным оценкам составлял от 45 до 100 км [44]. Всего по данным каталога Б. Марсдена в период с 1059 г. до н. э. по 1995 г. зафиксировано появление 2335 комет.
Кометы, принадлежащие разным группам, представляют разную опасность с точки зрения столкновения с Землей. Для того, чтобы столкновение с Землей было возможно, комета должна иметь перигелийное расстояние, меньшее 1 а.е. Анализ показывает, что этим как раз и отличаются долгопериодические кометы.
Сейчас известно 13 комет и 15 остатков комет семейства Юпитера с перигелийными расстояниями, меньшими 1 а.е. По некоторым оценкам, общее их количество с размерами головы более 1 км может составлять около 800. Следует отметить, что вблизи Земли пролетают мини-кометы, — рыхлые ледяные тела, покрытые слоем пыли, размерами порядка 10 м, массой около 100 т. При попадании в атмосферу Земли с частотой около 10 в год они взрываются. Энергия взрыва оценивается от нескольких до сотен килотонн.
В заключение отметим, что наибольшую опасность для летательных объектов ОКП и биосферы Земли, на наш взгляд, представляют космические экскреты в виде неопознанных крупных «камней», носящихся в межпланетном пространстве. Эти объекты могут иногда тормозиться земной атмосферой или Луной и превращаться во временные спутники нашей планеты или даже столкнуться с ней. Проблема таких неидентифицированных объектов в ближнем Космосе всё же существует и время от времени напоминает о себе. Например, по данным открытой печати, служба контроля космического пространства России даже при отсутствии пусков ракет обнаруживает один-два неопознанных объекта в сутки.
6. Орбитальные отбросы в ОКП
Общепризнанно, что количество выработавших ресурс спутников, различных ступеней ракет и фрагментов, сопровождающих каждый запуск, достигло предела, за которым оно начинает создавать серьёзную угрозу не только для пилотируемых орбитальных станций и функционирующих космических аппаратов (КА), но и экологии Земли и околоземного космического пространства. Однако, не только орбитальные техногенные объекты, но и сами экипажи пилотируемых летательных аппаратов и пилотируемых орбитальных станций вносят заметную лепту в процесс замусоривания, а точнее сказать загаживания ОКП.
Известно, что каждый человек в процессе жизнедеятельности «производит» несколько килограммов жидких, полужидких и газообразных отбросов. В сутки здоровый человек выделяет в среднем 1,5 литра жидких и около 250 граммов твёрдых отходов. Сюда же следует добавить пищевые отбросы и санитарно-гигиенические. Космонавты не составляют исключения, и хотя частично отбросы их жизнедеятельности удаётся регенерировать, всё же некоторая их доля — довольно заметная — остаётся не использованной и нуждается в удалении.
Отбросы орбитальной ракетно-космической деятельности (Орбитальные отбросы) могут быть определены как продукты жизнедеятельности космонавтов в околоземном космическом пространстве (ОКП). Этот деликатный мусорный орбитальный экскрет не может длительное время находиться на борту ограниченного в жизненном пространстве летательного аппарата, должен периодически изолироваться от его атмосферы и удаляться наружу.
Для уменьшения отбросов космонавтов кормят научно разработанной «пищей из тюбиков» — рафинированной и сбалансированной по энергетическому и витаминному составу калорийной пищей и используют специальные туалеты. Проблема бани также решается применительно к стеснённым условиям космического аппарата, и вместо ванной и душа приходится обходиться влажными обтираниями.
Отметим, что обеспечение нормальны бытовых условий в замкнутом ограниченном пространстве космического аппарата в условиях невесомости оказалось трудной задачей. Неожиданные проблемы возникали при выполнении практически всех физиологических отправлений.
Первым космическую еду испытал на себе космонавт Герман Титов. За двадцать пять часов полёта Титов успел принять пищу три раза, однако по его словам, на Землю он вернулся голодным. На первое у него был стакан овощного супа-пюре, на второе — печёночный паштет; на третье — стакан черносмородинового сока. Следующие космонавты, возвращаясь с орбиты заявляли, что голодают и это мешало им нормально трудиться. Тогда в меню внесли изменения. В него добавили говяжий заливной язык, пирожки с рыбой, украинский борщ, антрекоты, пожарские котлеты, куриное филе, соки более 20 наименований, фруктовые пюре и овощные соусы.
К началу 1980-х годов космический ассортимент включал более 200 наименований. По результатам дегустаций составляется меню на 8-дневный цикл; спустя 8 дней меню повторяется. У космонавтов четырехразовое питание. Меню строго расписано, лишнего есть нельзя.
Ставшие символом космического питания тюбики сейчас используются редко — пища в основном расфасована по банкам. Еду разогревают или едят прямо из пакетов.
Едят в космосе с закрытым ртом и при включённом пылесосе — не дай бог крошка улетит. Крошка, которая на Земле упадёт на пол, в условиях невесомости останется висеть в пространстве; она может не только попасть с глаз, но и в нос, и в дыхательные пути. Поэтому, например, хлеб для космонавтов, чтобы не создавать крошек, готовится порционными ломтиками. Их можно полностью положить в рот, а не откусывать от большого каравая,
Освобождение от продуктов жизнедеятельности космонавтов на борту космического аппарата также является весьма проблематичным. Например, космонавты-исследователи первых спутников, чтобы помочиться, были вынуждены пользоваться специальными памперсами. Во время запуска и приземления астронавты также надевают подгузники для взрослых. Иначе непроизвольно выделившаяся моча может нарушить показания датчиков индивидуального скафандра.
На космических кораблях тоже есть унитазы, и выглядят они примерно так же, как на Земле [32], но имеют ряд конструктивных особенностей. В унитазе предусмотрены специальные крепления для ног, чтобы не оторваться от сиденья. Кроме того, под каждого космонавта чётко подгоняется по размерам его сиденье, т. е сиденье делают под каждую попу индивидуально. Работает система дефекации по принципу пылесоса — часть человеческого тела, ответственная за процесс освобождения от отбросов, состыковывается с подходящим узлом туалета, и там создаётся пониженное давление. Иными словами — туалет отсасывает у космонавта его отходы.
Все отбросы сортируются и какое-то время хранятся на борту. Моча всасывается и собирается в 20-литровые контейнеры. Эти контейнеры затем перегружаются на грузовые космические корабли “Прогресс” и доставляются на землю, некоторые контейнеры сгорают при входе в верхние слои атмосферы. Для твёрдых отходов используются специальные сетчатые пластиковые мешки. Через отверстия в них проходит поток воздуха, и в результате все экскременты оказываются в мешке
До 1995 года отходы жизнедеятельности космонавтов обитаемых космических кораблей собирались в пластиковые пакеты. Пакеты с отбросами ежесуточно «выстреливались» с помощью специального устройства в ОКП и становились самостоятельными спутниками — «киндер-сюрпризами». Попадая в космический холод, они леденеют и становятся неотличимыми от других фрагментов орбитального или космического мусора. Так отбросы орбитальной ракетно-космической деятельности могут кружить в ОКП долгие годы или десятилетия, пока не снизятся до относительно плотной атмосферы. На высотах ниже ~ 200 километров они тормозятся и сгорают. После 1995 года практика загаживания ОКП отбросами пилотируемых орбитальных аппаратов была прекращена, однако многие ассенизационные контейнеры ещё остаются в ОКП.
В настоящее время наземными средствами контроля космического пространства США официально каталогизировано (т. е. регулярно сопровождается и идентифицировано с источником происхождения) более десяти тысяч объектов, находящихся на околоземных орбитах — в том числе и замороженных орбитальных отходов. Общее же количество обнаруженных и сопровождаемых объектов с эквивалентным диаметром более 10 см превысило 13300 [33].
До сих пор в области геостационарной орбиты (ГСО) каталогизированы, в основном, только объекты крупнее 1 м в поперечнике. При этом достоверно известно о существовании значительного количества не каталогизированных объектов размером от 0.2 до 1.5 м, сопровождающих запуски КА, а также возникающих при разрушении крупных объектов.
Следует отметить, что практически все объекты орбитального мусора на ГСО остаются там навсегда, накапливаясь со временем численно и увеличивая вероятность столкновения с КА. Регулярные международные кампании по наблюдению области ГСО, в т. ч. с использованием телескопов 1-м класса, выявили наличие сотен не каталогизированных фрагментов размером от 10 см до 50 см — в том числе и, предположительно, орбитальных отбросов.
Что касается мусорного экскрета в виде орбитальных отбросов, то он, представляя собой продукты жизнедеятельности космонавтов, не может игнорироваться при современном состоянии ракетно-технической деятельности. Такие экскреты заметно пополнили «мусорную свалку» ОКП и в связи с интенсификацией освоения Космоса становятся заметной составляющей загрязнителей ОКП.
Вот как описывает космонавт С.Кричевский накопление отбросов в космической станции "Мир" [34].
«В гермоотсеках станции образовывалось огромное количество отходов жизнедеятельности и работы экипажа: за полгода полета двух человек возникала свалка разнообразного мусора массой в 1 тонну и объёмом в несколько кубических метров. За год накапливалось более 2 тонн отходов, а за 15 лет работы станции их общий объем составил более 30 тонн. До 1995 года всё это погружали в контейнеры и отстреливали за борт, что было небезопасно для космических объектов, в том числе для самой станции. Затем мусор начали увозить пустыми "грузовиками" и шаттлами. Но куда увозить? Ясное дело, на Землю. Кроме того, вокруг станции образовалась загрязнённая внешняя атмосфера из продуктов работы двигателей, топлива, различных примесей и предметов, появившихся в результате работы космонавтов в открытом космосе. Эти загрязнения простирались на десятки метров вокруг станции и мешали проведению исследований с применением бортовой оптической аппаратуры».
По оценкам космонавта несколько сотен контейнеров с отбросами от орбитальной станции «Мир» всё еще вертятся вокруг Земли. К примеру, в 1991 году один из таких контейнеров (от американской станции Skylab) упал в Австралии и убил корову [34].
Если к этим объектам добавить выброшенные отбросы от других пилотируемых летательных аппаратов и спутников, которые не оснащены контейнерами доставки этих грузов на Землю, то количество «киндерсюрпризов» с отходами жизнедеятельности космонавтов может увеличиться до тысяч.
Проблема орбитальных отбросов не теряет своей актуальности и требует цивилизованного научного решения. Например, за сутки на орбите в российском модуле МКС собирается до трёх килограммов отбросов и мусора. Российские учёные готовы создать на орбите такую систему, которая бы утилизировала эти экскреты, а затем возвращала их уже в виде воды в цикл действующей системы жизнеобеспечения, в том числе водообеспечения. Ммикробиологи предложили уничтожать органические экскреты специальными бактериями [35]. Это эффективно и экологически безопасно. «Мусорщиками» будут бактерии Клостридиум термацелиум, традиционное место обитания которых — почва. Они будут разлагать целлюлозу и превращать её в жидкость. Другие бактерии эту жидкость должны превратить в воду. Именно вода будет конечным продуктом после переработки органических экскретов на борту орбитальной станции.
Выбор целлюлозы как вещества, подлежащего трансформации, не случаен, а острая космическая необходимость. Именно салфетки, основой которых является целлюлоза, составляют на орбите основную часть мусорных экскретов. В сутки космонавт использует несколько комплектов салфеток: специальные — для рук, лица, полотенца гигиенические влажные и сухие. Г олову и тело космонавты моют тоже салфетками. Особенно их расход увеличивается, если на борту женщина.
Уничтожение орбитальных экскретов при использовании бактерий, безусловно, весьма перспективный способ решения этой проблемы, однако пока он находится в стадии лабораторных экспериментов и в ближайшее время вряд ли появится в обитаемых орбитальных КА.
Многие страны активно осваивают ОКП, используя не только беспилотные спутники, но и пилотируемые летательные аппараты. В ОКП в последние годы стало престижно летать состоятельным людям на так называемые туристические орбитальные экскурсии. Летательные аппараты для подобных путешествий, как правило, не оборудованы системами сбора и возвращения экскрементов на Землю. Поэтому ОКП ещё долго будет смесью мусорки металлолома, свалки и бесплатного «космического туалета».
7. Как избавиться от орбитальных мусорных экскретов
Повышенная опасность орбитального и космического мусора связана с тем, что он перемещается в околоземном пространстве с огромной скоростью — в среднем 10 — ь 15 километров в секунду. Поэтому даже частица, линейные размеры которой составляют лишь 1 сантиметр, может серьёзно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит в 20 раз быстрее пули. Для космического аппарата встретиться с такой частицей — всё равно что столкнуться с легковым автомобилем среднего класса, движущимся со скоростью 80 километров в час. И такие аварии случаются, хоть пока и нечасто. Зато «встречи» с более мелкими частицами происходят уже регулярно.
Обшивка возвратившихся из космоса летательных аппаратов оказывалась усеяна выбоинами и царапинами до сантиметра глубиной. 80 раз на «шаттлах» приходилось менять иллюминаторы. На доставленных на Землю солнечных батареях орбитального телескопа «Хаббл» было обнаружено немало царапин, вмятин и пробоин.
Особенно остро проблема безопасности стоит перед пилотируемыми космонавтами космическими станциями, поскольку сквозное повреждение КА может привести к гибели экипажа. Опыт эксплуатации международных космических станций (МКС) показал необходимость не реже раза в год совершать маневрирование, чтобы избежать опасного сближения с крупными объектами. Повышение безопасности станции можно при её компоновке, размещая жизненноважные агрегаты за второстепенными.
Наиболее эффективным средством защиты космонавтов считаются [20] защитные экранные конструкции. Один из таких экранов, изготовленный во Фрайбурге по заказу Европейского космического агентства для научно-исследовательского лабораторного модуля «Колумбус», показал свою эффективность.
Экраны разрабатываются, чтобы обеспечить безопасность космонавтов в ОКП, задерживая или отбрасывая частицы с линейными размерами до 2-х сантиметров и скоростями до 7 километров в секунду [36]. Они мыслятся состоящими из нескольких слоёв: снаружи — листовой алюминий, под ним — керамические и полиамидные волокна. Конечно, более массивный экран смог бы задерживать более крупные частицы и даже фрагменты мусора, но он должен удовлетворять довольно жёстким финансовым и геометрическим требованиям. Стоимость его доставки в космос не должна выходить за разумные пределы.
Рассматриваются и другие методы защиты от орбитального мусора: например, передвижной экран, который реагирует на сигнал, подаваемый системой автоматического обнаружения, и тотчас занимает «оборонительную» позицию.
Наиболее приемлемым с экономической и технической точек зрения, по нашему мнению, является разработка вариантов защитных экранов из «орбитального утиля». Речь идёт об использовании узлов и агрегатов орбитальных отходов — в первую очередь солнечных батарей спутников и орбитальных космических станций. Более подробно это предложение обсуждается в разделе 3. нашей книги.
Понятно, что использование экранов — это лишь частичное решение проблемы безопасности космических полётов. Однако, по мнению экспертов, технические средства радикальной очистки ОКП от хлама в обозримой перспективе созданы не будут. Более того, даже если с сегодняшнего дня вообще прекратить запуски в Космос каких бы то ни было новых аппаратов, всё равно мусора там год от года будет прибывать. Главный источник загрязнения — это случайные взрывы ракет-носителей и космических аппаратов: они дают до 80 % всех объектов орбитального мусора размером более 5-ти сантиметров [36]. Каждый год происходит в среднем 4 таких взрыва. Они объясняются наличием на борту источников и накопителей энергии — таких как компоненты топлива, аккумуляторные батареи, газовые баллоны и прочее. Между тем, каждый такой взрыв приводит к более значительному увеличению числа только наблюдаемых элементов космического мусора (а сколько ненаблюдаемых!), чем все запуски космических аппаратов за год.
Приведём по литературным данным наиболее перспективные методы очищения околоземного космического пространства от мусорных экскретов.
Сфера NERF диаметром 1,6 км, состоящая из сверхлегкого пористого материала (аэрогеля), по замыслу её создателей, должна принимать на себя удары частиц орбитального мусора и замедлять их. Таким образом происходит постепенное снижение скорости движения мусора, снижение его и очистка орбиты.
Достоинством этого проекта является возможность борьбы даже с самыми мелкими (менее 1 мм) частицами мусора. К тому же, аэрогель настолько лёгок, что отколовшиеся куски самого шара не способны повредить космические аппараты. Стоимость такого "мусоросборщика" относительно невелика — кусок аэрогеля, помещающийся на ладонь, стоит около 100 долл. Вся сфера NERF будет стоить всего около 1 млн долл.
Недостатком этого проекта признана малая эффективность сферы. Прежде всего, очистка с помощью аэрогеля займет много времени, поскольку крупные, — более 1 см, частицы будут «прошивать» шар насквозь, лишь незначительно снижая свою скорость. Крупные фрагменты орбитального мусора будут вырывать сквозные «туннели» в нём. Кроме того, сам шар сможет стать препятствием для движения спутников и орбитальных станций. Возникнет проблема его демонтажа и удаления из ОКП по окончании срока эксплуатации.
Перспективная технология очистки околоземного пространства от мелкой пыли открывается с использованием высокоэнергетических лазеров. Суть такой «уборки» заключается в нагреве частиц мусора лазерным лучом, в результате чего испаряется поверхностный слой вещества частицы и создаётся реактивная сила в направлении противоположном испарению. Современные лазеры производят от 100 импульсов в секунду, что позволяет создать достаточно большую совокупную тягу. Оценки показывают, что таким способом можно снизить высоты орбит частиц мусора до 200 км, после чего он начнёт активно снижаться.
Специалисты ВВС США рассчитали, что лазерная установка стоимостью около 200 млн долларов, размещённая в районе экватора, способна за два года очистить ОКП на высоту до 800 км. Ученые НАСА в настоящее время активно работают над лазерной "метлой", защищающей орбитальные космические станции от частиц космического мусора диаметром от 1 до 10 сантиметров. Как ранее говорилось, сегодня обшивка МКС способна выдержать удар мусора диаметром менее 1 см, а станции наблюдения на поверхности Земли могут предупредить космонавтов об опасности столкновения с мусором крупнее 10 см. Орбитальные объекты с размерами в этом интервале представляет смертельную опасность для обитателей станции. Разрабатываемый лазер должен закрыть эту брешь в защите. Предполагается, что лазерный испаритель будет автоматически наводиться на цель, разогревать частицу мусора и придавать ей импульс схода с орбиты станции.
Достоинством этого проекта является, пока чисто теоретически, возможности создания активной системы защиты космических аппаратов и высокой эффективности работы по очистке ОКП с поверхности Земли. Существуют и серьёзные технические проблемы, связанные со сложностью систем обнаружения, наведения и сопровождения малых объектов, движущихся с огромными скоростями.
Кроме того практическое воплощение этой идеи входит в противоречие с существующими международными договорами о запрещении размещения в космосе какого-либо оружия, включая лазерное. Проект наземного очищающего лазера формально может рассматриваться как противоспутниковое оружие.
Одним из стандартных элементов оборудования спутников в будущем может стать надувной шар GOLD. Это простое устройство представляет собой наполняемую газом оболочку и небольшой баллон с газом. В нерабочем состоянии GOLD занимает мало места, а в случае необходимости газ наполняет оболочку, и рядом со спутником надувается шар диаметром до нескольких сотен метров. Благодаря трению об атмосферу нашей планеты эта конструкция эффективно тормозит спутник, заставляет его снизиться и в конечном итоге сгореть в плотных слоях атмосферы.
Достоинство данной идеи в дешевизне и простоте реализации на любых космических аппаратах. Проект GOLD обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими аналогичными предложениями. Изготовление таких устройств недорого, эти устройства могут сразу встраиваться в верхние ступени ракет, препятствуя появлению новых единиц орбитального мусора. И, даже если оболочка воздушного шара будет повреждена осколками или частицами мусора, то её жесткости, по словам проектантов, должно хватить для успешного завершения основной функции устройства.
Однако есть и серьёзные недостатки в том, что воздушный шар уязвим для микрометеоритов и частиц пыли, не говоря уже об объектах большего размера. Кроме того, шар может представлять препятствия в нормальном функционировании КА.
Идея использования механического давления света была реализована НАСА посредством запуска на орбиту небольшого спутника NanoSail-D, оснащенного солнечным парусом. Спутник успешно испытал оборудование для развертывания тончайшего полимерного паруса, который продемонстрировал эффективность аэродинамического торможения в разреженной атмосфере на высоте 650 км. Инженерам НАСА удалось поместить парус площадью более 9 м2 и устройство для его развертывания в коробку размером с батон хлеба. Это достижение позволит в дальнейшем оснащать подобным тормозным «парашютом» практически любые спутники. Преимущества паруса заключаются в малом весе оборудования и возможности замедлять и улавливать микроскопические частицы мусора без особого ущерба для главной задачи — увода старого спутника с орбиты. Недостаток видится в невысокой надежности систем, разворачивающих парус; история космонавтики знает слишком много неудач в этой области.
Одним из самых перспективных способов увода отработавших спутников с орбиты признана система EDT, разработанная НАСА. Её работа базируется на принципе закона Ампера, утверждающего что на движущийся проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Устройство EDT представляет собой длинный гибкий электропроводящий кабель, на одном конце которого размещается груз, а на другом — спутник. При орбитальном движении система пересекает силовые линии магнитного поля Земли и испытывает воздействие силы, противоположной направлению движения электрического кабеля. Таким образом должно происходить торможение аппарата. С помощью EDT разработчики проекта обещают спустить спутник с высоты 1390 км до плотной атмосферы всего за 37 дней, тогда как без подобного вмешательства он провел бы на орбите Земли 9000 лет.
Полезным "побочным эффектом" использования EDT является генерация электрического тока, который может использоваться бортовой аппаратурой спутника, в том числе для сматывания и разматывания кабеля. Если космический аппарат с помощью собственного генератора (например солнечной панели) преодолеет наведенные токи в кабеле, то орбиту можно наоборот поднять. Таким образом, EDT может успешно заменить ракетный двигатель, в том числе на зондах, работающих на орбитах других планет. По расчётам специалистов НАСА, 20-км кабель сможет вырабатывать до 40 кВт электроэнергии, что достаточно даже для пилотируемых полётов.
Следует заметить, что широкое применение EDT осложняется отсутствием достаточной экспериментальной базы и некоторыми проблемами, связанными с колебаниями двух масс, которые порождают на электрическом кабеле механические вибрационные силы.
Оборонное агентство DARPA работает над проектом большой электродинамической сети EDDE, способной собирать на низкой околоземной орбите фрагменты мусора тяжелее 2 кг. Осуществлять эту идею призван орбитальный «тральщик», представляющий собой группу небольших аппаратов и солнечных панелей общим весом около 100 кг. Каждый модуль EDDE имеет небольшую сеть весом 50 г. Она с помощью специального устройства способна захватывать небольшие объекты, движущиеся со скоростями 2–3 м/с относительно модуля. Планируется, что сеть EDDE будет запускаться в направлении скопления космического металлолома, разворачиваться и спускаться в направлении Земли.
Разработчики сети EDDE планируют её возможность активно маневрировать, обходя спутники и наводясь на новые цели, а захваченный орбитальный мусор в это время продолжит падение в плотную атмосферу.
Расчёты показали, что для удаления с низкой околоземной орбиты более чем 2400 объектов орбитального мусора или орбитальных отходов весом более 2 кг каждый, понадобится 12 сетей EDDE общим весом около 1 т.
По мнению разработчиков, за 7 лет 12 аппаратов EDDE способны полностью очистить ОКП от крупных кусков орбитального хлама. Первый полёт аппарата EDDE запланирован на 2013 год, а разворачивание всей группы должно начаться в 2017 году.
Безусловно, заявленный агентством DARPA проект поражает масштабом и размахом, однако его реализация в заявленные сроки, по нашему мнению, не реальна. При воплощении этого амбициозного проекта «в металл» и натурных экспериментах разработчиков ждут непреодолимые технические и финансовые трудности…
Более реалистичен и сравнительно дёшев проект запуска на орбиты ОКП пыли, тормозящей движение мусора. Американские учёные из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США предложили оригинальный способ удаления орбитального мусора [37]. Этот метод ориентирован на устранение обломков и частиц небольших размеров (до 10 см). Многочисленные частицы такого диаметра не менее опасны, чем крупные объекты: за маленькими фрагментами невозможно следить, а повреждения, наносимые ими, могут оказаться весьма серьёзными. Расчётное пространственное распределение этих обломков напоминает распределение 19 тысяч занесённых в каталоги массивных объектов, которые находятся на орбите Земли, но смещено на большую высоту.
Время жизни орбитального мусора растёт вместе с так называемым баллистическим коэффициентом В, определяемым как отношение массы объекта М к площади его эффективного сечения S и коэффициенту аэродинамического сопротивления движению Сх [38]:
В = М/ CxS,
где S = (I·d) 2 — среднегеометрическое значение площади неориентированного осколка;
I, d — длина и ширина мусорного фрагмента.
Известно, что фрагменты и частицы орбитального мусора со значениями баллистического коэффициента В от 3 кг/м2 до 5 кг/м2 скапливаются на высотах около 1000 км над Землёй и могут находиться там веками. Если эти объекты находятся ниже 900 км, где сопротивление среды заметно возрастает, максимальное время их жизни сокращается до 25 лет [37].
Таким образом, суть задачи освобождения от орбитального мелкофракционного мусора сводится к уменьшению высот его полёта до 900 км и ниже. Дальнейшее его «провисание» будет происходить естественным путём ускоренным темпом. Проблема может быть решена путём увеличения сопротивления движению этих частиц на орбитах.
Авторы предлагают использовать для этого вольфрамовые пылевые частицы диаметром 2(А50 мкм, доставленные на квазикруговую полярную орбиту, которая также будет сокращаться за счёт сопротивления среды. Скорость этого процесса зависит от размеров и плотности частиц. Её можно контролировать, если тщательно спланировать траектории орбитального мусора и траектории воздействующей на него металлической пыли. При использовании вольфрамовых мелкодисперсных частиц, по расчётам авторов предложения, эти объекты будут снижаться синхронно. Синхронизация даст возможность уменьшить толщину пылевого слоя AR (см. ниже приведённую схему), которая необходима для очистки требуемого интервала высот 5R.
По расчётам исследователей, для перевода небольших обломков с орбиты высотой 1100 км на 900-километровую понадобится слой 30-микрометровой вольфрамовой пыли толщиной в 30 км и общей массой "всего" в 20 тонн. Процесс искусственного снижения мусора при этом растянется на 10 лет.
Микроскопические пылевые частицы, как уверяют авторы проекта, не будут угрожать работе спутников. Поскольку микрометеориты космического мусора ежедневно доставляют огромные объёмы пыли к Земле, дополнительные 20 тонн вольфрамовой пыли не нарушат установившегося природного равновесия.
Предложенный способ очищения ОКП от мусорных орбитальных экскретов достоин внимания, однако он совершенно не проработан технически и имеет немало «подводных камней». В качестве замечаний к нему следует указать на неопределённость вопросов доставки и распыления металлической пыли на заданных высотах. Как можно сформировать в условиях невесомости равномерный пылевой слой? Не возникнет ли при распылении частиц облако неопределённой конфигурации и нерегулируемых размеров? Как привнесённая в ОКП пыль может повлиять на прохождение солнечной радиации к Земле и не окажет ли она негативного экранирующего воздействия на теплообмен, а значит и на климат планеты?
Кроме технических проблем и вопросов следует иметь в виду международный характер такой акции, затрагивающей интересы всего человечества. Поэтому необходимо проведение обсуждения этой проблемы научным международным сообществом.
Кстати, такие обсуждения должны предварять и любые другие активные вмешательства в ОКП, которые могут иметь непредсказуемые последствия для биосферы планеты.
Ни в околоземном космическом пространстве, ни в Космосе нет межгосударственных границ, поэтому долгое время космические державы размещали свои спутники там, где считали нужным. В результате «ёмкость» удобных орбит уже сегодня практически исчерпана. На низких околоземных орбитах, то есть на высотах до двух тысяч километров, сегодня находятся несколько сотен активных и более двух с половиной тысяч уже не действующих спутников, и численность этой летающей орбитальной свалки стремительно растёт. Ещё хуже обстоят дела на геостационарной орбите, расположенной на высоте ~ 36 тысяч километров. Её главное достоинство в том, что находящиеся на ней спутники неподвижны относительно Земли. Это позволяет вести с них наблюдение и обеспечивать надёжную связь на территории, превышающей 90 % земной поверхности.
Обычно спутник — например, спутник связи, — используется от пяти до десяти лет. Потом он технологически и физически устаревает, и ему на смену запускают новый. Сегодня 95 % спутников — попросту металлолом, и этот хлам способен захламлять ОКП веками. Время орбитального существования экскретных объектов Т0 в космическом пространстве очень велико. На геостационарной орбите Т0 может достигать миллионов лет, на низких околоземных орбитах Т0 оценивается от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.
Из-за «перенаселённости» некоторых орбит возникают аварийные ситуации. По расчётам специалистов, при такой тесноте на геостационарной орбите высока вероятность возникновения так называемого «каскадного эффекта», то есть цепи последовательных столкновений, способных привести не только к разрушению действующих космических аппаратов, но и к образованию огромного количества мелкого мусора. Чтобы предотвратить перенасыщение геостационарной орбиты орбитальными экскретами, ООН объявила её «ограниченным природным ресурсом». Теперь места там «выдаются» строго по заявкам претендующих на это стран.
Чтобы решить проблему дефицита места на геостационарной орбите, на международном уровне было предложено уводить вышедшие из строя спутники на так называемую «орбиту захоронения», расположенную на высотах в 200–300 километров выше рабочей орбиты.
Проблема такого очищения загруженной орбиты в необходимости дополнительного топлива для транспортировки спутника на «орбиту захоронения».
Это дорогое «удовольствие» — доставка каждого килограмма груза в ОКП обходится в десятки тысяч долларов. Никакое государство не хочет нести эти дополнительные расходы. Поэтому сегодня лишь треть отслуживших свой срок спутников уводятся на «орбиту захоронения», весь прочий металлолом остаётся на геостационарной орбите, угрожая безопасности исправных спутников.
Читать бесплатно другие книги:
