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.