Космический мусор – угроза безопасности космических полетов

Д.В.Маринин

Аэрокосмический лицей на базе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е.Жуковского «ХАИ»

К третьему тысячелетию человечество активно изучает и исследует космос. Число космических полетов растет, но они постоянно вталкиваются с рядом проблем. Одной из таких проблем – проблем экологии космоса, является вопрос об его загрязненности объектами так называемого космического мусора.

Космический мусор – все антропогенные объекты, которые находятся на околоземной орбите или возвращаются в атмосферу, включая фрагменты или части тех объектов, которые закончили свое активное существование.

Чтобы уменьшить угрозу столкновений космические аппараты совершают маневры отклонения, а это – дополнительный расход топлива и ряд других сложностей. По расчетным данным Международная космическая станция будет вынуждена дважды в год совершать маневры, уклоняясь от опасных объектов.

Степень влияния загрязненности космического пространства на функционирование космических систем определяется четырьмя факторами: временем нахождения на орбите, районами по предположению, высотой орбиты, наклоном плоскости орбиты. Для примерного представления об объектах загрязнения космического пространства, разрабатывают математические модели его засоренности. Они описывают распределение загрязняющих объектов в пространстве, их движение и физические характеристики (размер, массу, плотность и др.). Разрабатываемые модели бывают двух видов: краткосрочные (период до 10 лет) и долгосрочные (до 100 лет). Модели засоренности принимают во внимание рост числа орбитальных объектов в результате запусков, маневрирование (засоренность, связана с включением ракетных двигателей твердого топлива), разрушение (взрывы и столкновения) т.д. Кроме того, целью долгосрочных моделирований является составление прогнозов количества объектов как функции времени. Тенденции, установленные на основе долгосрочных моделей, заключаются в следующем:

· Если космические полеты будут проходить также, как и раньше, то в будущем загрязнение космического пространства ускориться из-за столкновений, связанных с увеличением массы на орбите.

· Фрагменты мусора, образовавшиеся после взрывов, могут стать в ХХI веке (как и в данное время) одним из главных источников загрязнения.

· Фрагменты, образовавшиеся в результате столкновений, могут порождать следующие загрязнения, это приведет к росту загрязненности в геометрической прогрессии.

Избежать этого можно путем уменьшения нагрузки на нижнюю околоземную орбиту. Также проблема состоит в возращении в атмосферу Земли космических объектов. За последние 40 лет их отмечено более 16000. В течение последних 5-ти лет примерно раз в неделю происходит попадание в атмосферу объекта с площадью поперечного сечения около 1м². Вхождение того или иного объекта в атмосферу связано не только с опасностью механического удара, но и с возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.

Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора

В настоящее время около 12% всего каталогизированного комического мусора составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры запуска спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном это крепежные детали, заглушки и т.д. Мероприятия по уменьшению загрязненности такими объектами принимать относительно нетрудно, как технически, так и экономически. В тоже время возможны ситуации, когда отделение деталей безвыходно из-за технических причин. В ходе полета может происходить неспециальное образование мелкого мусора: выбросы шлаков при работе двигателей на твердом топливе, отделение частиц краски вследствие эрозии, вытек теплоносителя и т.п. Необходимо принимать меры по уменьшению процесса образования мелкого мусора. Осколки, образовавшиеся в результате разрушения КА, составляют 43% состава орбитальных объектов и 85% космического мусора размером более 5см. Основной причиной разрушения космических аппаратов являются взрывы и столкновения. Анализ разрушения КА показал, что спуск с орбиты либо пассивация (выброс энергии) после реализации космическим аппаратом своей задачи позволяет предотвратить большую часть таких случаев. К числу эффективных мер можно отнести сжигание или продувание неиспользованного топлива, разрядку аккумуляторных батарей, освобождение жидкостей из-под давления. Вероятность случайного столкновения КА на околоземной орбите хотя и не значительна, но все-таки есть. Примером такого случая было столкновение осколка, образовавшегося в результате взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан», с действующим французским спутником CERISE, в результате была нарушена его работоспособность. Можно сказать, что увеличение числа и размеров спутников на орбите ведет к повышению вероятности столкновений. Что касается спутников, которые заканчивают свою программу, то значительному уменьшению вероятности столкновений будет влиять их перевод на нижнюю орбиту или контролированное возвращение в атмосферу.

С точки зрения на современный уровень засоренности околоземного пространства, следует применить концепции прямой и непрямой защиты. Защита от частиц размером 0,1-1 см может осуществляться за счет применения экранных конструкций. Защита от частиц размером более 1см может осуществляться за счет принятия специальных мер при проектировании КА, заключающихся в расположении жизненно важных систем в так называемых мертвых зонах относительно направления удара потоком мусора. Что касается экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые одношаровые выносные экраны, размещающиеся перед корпусом аппарата, и сложные многошаровые конструкции из металла и керамики. Также ориентируя определенным образом космический корабль, космонавты могут использовать его в качестве экранной защиты. Такая практика уже применялась на орбитальной станции «Мир». Для кораблей «Шаттл» орбитальная степень ориентируется таким образом, чтоб его хвостовая часть была повернута в направление движения. Работы в космосе происходят таким образом, чтоб космонавты были защищены корпусом станции.

Одной из важнейших мер по уменьшению засоренности является информирования об опасностях, связанных с загрязненностью космического пространства и о многочисленных источниках образования космического мусора. Экономически оправданным является применения мер по уменьшению загрязнения на ранних стадиях конструирования КА. С использованием долгосрочных имитационных моделей космической среды ведется работа для оправдания эффективности разных сценариев и затрат связанных с их использованием. Исследования позволяют оценить, какое влияние оказывает разного рода практика в этой области. Также проблема столкновений и взрывов связана с неконтролируемыми запусками различных космических аппаратов. Для решения этой проблемы необходимо установить контроль за материалами, технологиями производства и запуска космических аппаратов. Во избежание столкновений КА, что является основой появления крупных частей мусора, целесообразно ввести прогнозируемые расчеты для установления безопасных стартовых окон, исключающих пересечение траектории полета КА с пилотируемыми кораблями, находящимися на орбите.

В короткосрочной перспективе наибольшую пользу может принести исключение случайных взрывов КА. Эффективной мерой предотвращения таких разрушений является пассивация аппаратов в конце программы полета. В долгосрочной перспективе при отсутствии мероприятий по уменьшению засоренности из-за нагромождения объектов на орбите может значительно возрасти опасность для проведения космических операций в области, как низкой, так и высокой околоземной орбиты. Мероприятия по снижению загрязненности и защиты космоса могут влиять на конструкции КА, их стоимость и эксплуатацию. Экономически выгоднее предвидеть и внедрить эти изменения на ранних этапах проектирования и производства КА и ракетоносителей.

Хотелось бы добавить, что загрязненность космоса с каждым годом продолжает расти, в связи с этим растет риск столкновений причиняющих повреждения КА. Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить задачу улучшения состояния космической среды, разумным шагом по сохранению космического пространства для будущих поколений в настоящее время есть принятие мер по уменьшению загрязненности.