Опубликовано

Человек пришел в Космос и принес туда МУСОР

Рыхлова Л.В., Баканас Е.С.
Институт астрономии РАН

Введение
Первый искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР в 1957 г. Один из пионеров космонавтики Ю.В.Кондратюк написал в 1929 г. в своем теоретическомисследовании «Завоевания межпланетных пространств» о задачах освоения космоса: Это – «возможность получить новые знания, в том числе – что-либо непредвиденное; возможность использовать вещества с других планет; для улучшения жизни на Земле».
В самом деле, сегодня трудно представить себе развитие цивилизации без искусственных аппаратов в космосе. Они открыли человечеству уникальную возможность получения научных знаний о Вселенной: проведены прямые исследования поверхностей некоторых планет, их спутников и комет, исследуется Земля из космоса, изучается космическими аппаратами Солнце, изучаются особенности поведения человеческого организма в космосе (в целом враждебном для человека) ит.д. Космические аппараты приносят человечеству и практическую пользу в качестве метеорологических, телекоммуникационных, навигационных и др. служб.

Возникновение проблемы космического мусора
За 50 лет космической деятельности было осуществлено около 5000 запусков почти 6000 спутников, из которых к настоящему времени управляемыми остается лишь небольшая их часть.
Общая накопленная масса объектов искусственного происхождения в околоземном пространстве близка к 6000 тоннам (рис.1)

Рисунок 1. Накопленная масса объектов искусственного происхождения в околоземном пространстве.

По мере увеличения космической активности (реально в конце 80-х годов) начали осознавать новую и неожиданную проблему появления техногенного космического мусора (КМ), или «space debris» в англоязычной литературе.
Две уже существовавших к тому времени Службы контроля космического пространства вСША и СССР стали обнаруживать множество дополнительных объектов в околоземном космическом пространстве (ОКП). Помимо специализированных служб в наблюдениях участвовало большое количество отдельных измерительных средств, принадлежавших как государственным, так и негосударственным учреждениям (в Великобритании, Германии, Канаде, Франции, Китае, Японии). Служба США в настоящее время сопровождает около 13000 достаточно крупных объектов, которые занесены в постоянно обновляемые каталоги. Служба СССР (а теперь России) регулярно отслеживает около 9000 объектов.
По результатам наблюдений известно, что только 6% этой популяции искусственных объектов составляют управляемые, т.е., активно действующие спутники. Примерно 40% — вышедшие из строя по разным причинам (в том числе исчерпавшие свой энергетический ресурс) спутники, использованные и ставшие бесполезными ступени ракет-носителей, так называемые «операционные фрагменты» (крышки объективов, различные переходники, соединительные устройства и т.д.). Таких «операционных фрагментов» в процессе вывода на орбиту полезных грузов на орбите остается несколько десятков.
Оставшиеся 54% — это фрагменты разнообразного происхождения, которые начали регистрировать только в 60-х годах прошлого века. Основной источник их появления – это взрывы отслуживших свой срок космических аппаратов и верхних ступеней ракет-носителей. В настоящее время известно примерно о 200 взрывах. Следствием каждого из них является образование новой популяции фрагментов. Поскольку отслеживаются только достаточно крупные из них (см. ниже), то определить их общее количество невозможно. Количество тех, размеры которых превышают 1 см, оценивается примерно в 600 000, а количество более мелких частиц по приблизительной оценке близко к нескольким миллионам.
Причины взрывов космической техники.
Понятно, что основная причина появления такого количества мусора техногенного происхождения – это взрывы. Взрываются химические батареи, бортовые двигательные установки в уже неактивных аппаратах, неизрасходованное топливо в топливных баках ракет-носителей, давно и успешно выполнивших свои функции и оставшиеся в околоземном космическом пространстве (cм.рис.2 )

Рисунок 2. Причины взрывов на околоземных орбитах.

В результате взрыва основной объект и вся его масса разлетается в виде бесчисленных фрагментов широкого спектра масс и сообщенных им скоростей. Эти взрывы и разрушения можно назвать самопроизвольными.
Известно о других, преднамеренных взрывах. Такие взрывы по команде с Земли проводились более 30 лет назад с целью отработки баллистического противоспутникового оружия в СССР и США. Каждый подрыв приводил к образованию облака орбитальных обломков пораженной цели в космосе.
После этих испытаний многие страны, включая Китай, обратились в ООН с протестами и предложили регламентировать подобные опыты в космосе.
Однако от этих первых испытаний было зарегистрировано лишь 736 обломков, из которых к настоящему времени на орбитах осталось лишь 40%. В то время вопрос об опасности техногенного засорения космоса еще не стоял так остро. К тому же, последние из той серии испытаний противоспутникового оружия отстреливали и разрушали цель уже при входе в плотные слои атмосферы, где образовавшиеся осколки тут жесгорали.
Позже Организация Объединенных Наций приняла резолюцию, регламентирующую такого рода деятельность.
Тем не менее, в январе 2007 года в результате испытания баллистического кинетического противоспутникового оружия был разрушен спутник «Фенгюн-1с»(Fengyun-1C). Образовалось облако из 35000 обломков величиной более 1 см, а 900фрагментов оказались достаточно крупными и были занесены в каталоги постоянно отслеживаемых объектов КМ (рис. 3)

Рисунок 3. Текущие орбиты тысяч крупных (более 10 сантиметров в поперечнике) обломков Fengyun-1C и сбившей его противоспутниковой ракеты показаны красным. Белым — орбита МКС (иллюстрация NASA/JSC Orbital Debris Program Office).

Высоты распространения этого мусора заняли орбиты длительного существования со средней высотой около 850 км (от 200 до 4000 км). Это облако сейчас считается самым опасным, образовавшимся с начала космической эры.

Чем опасен космический мусор?
В результате любого взрыва вместо одного объекта образуется облако фрагментов, которые получают дополнительные ускорения в произвольных направлениях. Вначале облако имеет высокую плотность и представляет собой постепенно расширяющийся эллипсоид, обращающийся по той же орбите, по которой двигался аппарат до взрыва. Затем фрагменты постепенно деформируются, расползаясь по орбите и превращаясь в тор с осью вращения, совпадающей с осью вращения Земли. Со временем этот тор охватывает всю Землю. Внутри тора фрагменты движутся по самым разнообразным траекториям, образуя вокруг Земли облако космического мусора в качестве составной части окружающей среды.
Самая значительная часть космического мусора в настоящее время располагается на высотах орбит около 400-1000 км и 1500-2000 км.

Обломки, появившиеся на высотах менее 400 км, живут всего несколько лет, т.к. за счет естественного торможения частиц атмосферой происходит процесс самоочищения: часть фрагментов сгорает в атмосфере, а наиболее крупные из них выпадают на Землю. Нижние ступени ракет-носителей падают зачастую почти целиком. Случались падения самих спутников, не вышедших на заданную орбиту. Незадолго до входа в атмосферу, что обычно случается на высоте порядка 120 км, скорость падающего фрагмента бывает около 30000 км/час. Поверхности Земли достигают компактные и массивные аппараты. Примеры таких падений – Skylab (1979 г., 74 тонны), Салют7/Космос 1686 (1991 г., 40 тонн), Мир (2001 г., 135 тонн). На поверхности Земли оказывается около 40% их массы (рис.5,6 )

Рисунок 5. Первая ступень ракеты-носителя «Союз» в Удорской тайге.

Рис.6. Модуль третьей ступени ракеты Дельта-2, упавший на территорию Саудовской Аравии 21января 2001 г. Вес около 70 кг. (источник: http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/reentry/recovered.html)

До сих пор ущерб, причиненный падениями техногенных объектов на поверхность Земли, можно считать локальным. Для контролируемого схода (случай станции Мир) идеально выбирать океан. Для неконтролируемых сходов с орбит в принципе можно спрогнозировать время и место падения, но для этого надо иметь достаточное количество наблюдений, модели прогнозирования орбиты, включающие аэродинамические и структурные особенности взрыва спутника и ступеней ракет-носителей, на основе модели составить прогноз орбиты каждого крупного фрагмента. Необходимо также иметь возможность идентификации падающего объекта и оценки потенциальной опасности для населения.
Удары метеороидов и частиц космического мусора о космический аппарат могут оставлять на его поверхности отверстия микронного и миллиметрового размера и больше. Критический размер – 1 см, а удар 10-см объекта может стать причиной катастрофического разрушения цели. Разрушительная энергия появляется следствие высоких скоростей – для частиц техногенного мусора это скорости, достигающие порядка 15 км/сек, для метеороидов – порядка 70 км/сек.
Эффект от высокоскоростных соударений зависит от материала цели, скорости, угла наклона, массы и формы ударника.
В 1984 году была запущена на высоту 498 км специальная платформа LDEF (Long Duration Exposure Facility) с целью регистрации на ее поверхности следов соударений с фрагментами космического мусора и метеороидов. Это был уникальный источник данных о мелкоразмерной фракции мусора естественного и техногенного происхождения. За более чем шестилетний срок пребывания на орбите на поверхности платформы было обнаружено более 8000кратеров и точечных следов. Исследование кратеров сразу же после возвращения платформы из космоса показало, что в околоземном пространстве удары метеороидного, т.е. естественного происхождения, доминируют над ударами техногенных объектов в области субмикронных размеров (0.1–1 мм), особенно во время сезонных интенсивных метеорных потоков. Все удары частиц более крупного размера принадлежат популяции космического мусора.
В 1996 году специальный детектор GORID (Geostationary Orbit Impact Detector), созданный специалистами Европейского космического агентства для изучения мелких фрагментов, был запущен на геостационарную орбиту на российском геостационарном спутнике связи»Экспресс-2″. В течение 5 лет работы регулярно фиксировались 2-3удара в сутки, но случалось зафиксировать и до 50 ударов в сутки.
Удары частиц регулярно отмечаются на солнечных батареях некоторых спутников, служащих в качестве детекторов. Один из внешних модулей США на МКС также служит этой задаче.
В настоящее время специалисты начали обсуждать проблему опасности столкновения действующих аппаратов с мусором. Некоторые события в космосе указывают на столкновения, как на возможные причины нарушения работы активных спутников.
Фрагмент размером около 1см, двигающийся по орбите вокруг Земли со скоростью около 10 км/сек, несет огромный запас кинетической энергии. Известно, что Международная космическая станция, имеющая специальные защитные бамперы, уже несколько раз была вынуждена совершать маневры уклонения от нежелательных столкновений. Известен также маневр американского спутника «Клауд-Сат» в июле 2007 г. с целью уклонения от столкновения с иранским спутником «СИНАХ-1».
24 июля 1996 года произошло первое зарегистрированное столкновение французского спутника «Церес» с обломками французской же ракеты-носителя «Ариан», которая уже несколько лет находилась в космосе.
10 февраля 2009 года в16-50 по Всемирному времени (UT) на высоте 790 км над Сибирью (72.51ºN/97.88ºE) столкнулись два спутника: неработающий «Космос-2251» (весом 892 кг) и действующий американский«Иридиум-33» (весом 661 кг). Скорость столкновения составила 11.6 км/сек. Поскольку высота 790 км лежит в районе высот наиболее популярных эксплуатируемых орбит, возникло много вопросов: как это могло случиться, какова опасность возникших фрагментов для других космических аппаратов, как избегать таких случаев, чтобы не возникало осложнений между государствами.
В результате этого столкновения образовалось порядка 500 фрагментов, отслеживаемых Службами контроля космоса.
С увеличением количества спутников вероятность таких событий будет неуклонно возрастать.
Еще одна неконтролируемая проблема засорения космического пространства, появившаяся в последние годы –увеличение микро- и наноспутников. На основе миниатюрных спутников строятся не только образовательные и коммерческие проекты. Появилась тенденция к созданию на их основе глобальных спутниковых систем различного назначения, в том числе и военного. Мини спутники имеют размеры от 10-20 см до 1 м, а вес – от сотен граммов до нескольких килограммов. Составными частями космического мусора эти спутники станут довольно быстро. А вот какая служба контроля космического пространства способна отследить каждый техногенный объект такого размера или предотвратить возможность столкновения с ним – пока неясно. Появление миниатюрных активных спутников значительно усложняет задачи контроля космоса. Избежать столкновения с фрагментами мусора такого размера можно лишь в том случае, если известны орбиты опасных объектов и самого космического аппарата с достаточной точностью.

Возможности наблюдения КМ
Наблюдаемость фрагментов космического мусора обусловлена разрешающей способностью специализированных средств и систем.
На низких орбитах (400-1000 км) оптические телескопы не могут полностью контролировать пространство из-за некоторых неблагоприятных обстоятельств: наблюдения возможны только ночью, но при этом спутник еще должен быть освещен Солнцем, Луна должна быть ущербной, а еще лучше отсутствовать на небе в ночи наблюдений и др.Поэтому задачи обнаружения и каталогизации спутников и крупных фрагментов мусора на низких орбитах ложится в основном на радиолокационные средства. Эти средства отслеживают фрагменты размером от 10 см. Но радиолокация малоразмерных спутников на более высоких орбитах требует определенных усилий.
Наблюдения объектов на высоких орбитах выполняется преимущественно оптическими средствами: объект дольше освещен Солнцем, виден над горизонтом с большей территории и погодные условия становятся менее критичными. Возможности радиолокационных средств, напротив, уменьшаются, т.к. для обзора пространства на дальности в десятки километров многократно увеличиваются требования к энергетическим параметрам радиолокационных станций (требования к проницающей способности оптики растут пропорционально второй степени дальности, а для радиолокационных средств – четвертой).
Для контроля высокоорбитальных объектов в России создан специализированный оптико-электронный комплекс «Окно» (рис. 6) работают обсерватории институтов РАН и других организаций (рис.7 )

Рисунок 7. ОКНО. Источник: http://bratishka.ru/archiv/2006/4/2006_4_4.php

Рисунок 8. Камера ВАУ, Звенигородская обсерватория ИНАСАН. Разработана и используется для целей исследования и контроля космического пространства.

Сеть оптических средств обеспечивает в районе геостационарной орбиты наблюдения объектов размером 30-50 см и крупнее. Однако для контроля малоразмерных объектов (10-20 см) потребуется увеличение проницающей способности телескопов на 2-3 звездные величины.
Радиолокационные средства тоже могут использоваться при изучении геостационарной орбиты. Они позволяют измерять дальности, но лишь для тех объектов, которые обнаружены оптическими средствами и, следовательно, есть возможность использовать целеуказания.
Наиболее совершенные радиолокационные станции используются для проведения статистических измерений количества техногенных космических фрагментов. Фиксируются все частицы КМ больше некоторого размера, определяемого чувствительностью данной РЛС, попавшие в облучаемую область пространства. На этой основе строятся математические модели распределения частиц КМ.
В целом, всеми существующими в мире средствами, на начало 2009 года обнаружено и каталогизировано около 33500 объектов размером более 10 см, около 600 000объектов размером 1-10 см. При этом ежегодно обнаруживается 600-700 новых объектов.
Количество микронных пылинок или миллиметровых частиц из шлака или окиси алюминия и пр. оценивается в десятки и сотни миллионов. Знания о метеорных и техногенных частицах, размерами менее чем в каталогах, обычно имеют статистическое происхождение. Все частицы любых размеров, находящиеся на высотах выше 500-600км, где пропадает эффект торможения атмосферы, существуют в космическом пространстве практически вечно. Наблюдения на орбитах с большими эксцентриситетами, проходящих через геостационарную орбиту, привели к открытию класса слабых по яркости объектов с большим отношением площади к массе. Возможно, что это куски термической обшивки спутников.
Нет никаких других механизмов естественной очистки космического пространства от космического мусора, кроме торможения и последующего сгорания в атмосфере.
Максимальная концентрация мусора наблюдается на высотах 800-1000 км и около 1400 км. Возможность столкновений в этой области давно предсказывалась экспертами. Пространственная плотность объектов на Геостационарной орбите (36 000 км) и вблизи орбит созвездий навигационных спутников (19500-20000 км) пока значительно ниже. Однако на ГСО тоже есть проблемы. Постоянно работает более 300 управляемых спутников, а общее число наблюдаемых объектов в этой области превышает 1000.Количество объектов, недосягаемых для современных наблюдательных средств в этой области оценивается в сотни тысяч.

К настоящему времени установлено (по изменению элементов орбит) наличие 14 взрывов геостационарных объектов, из них 2 –носителя типа Экран, 12 – американских типа Транстейдж. Непосредственно наблюдались только два взрыва, остальные взрывы установлены по изучению данных наблюдений о резких изменениях элементов орбит. Каждый взрыв выбрасывает в окрестность ГСО около тонны КМ.
В двадцатом веке количество ежегодных запусков достигало 100-120. В настоящее время число запусков сократилось до 60-70 в год. Ежегодно фиксируется 4-5 взрывов в космосе. В результате непрерывного увеличения количества объектов в околоземном пространстве прогрессивно возрастает вероятность катастрофических событий, дробления фрагментов и их саморазмножения. По оценкам специалистов, если ситуация не изменится (не станет меньше запусков, не увеличится срок активной жизни спутников и др.), то в ближайшие 50-100 лет нас ожидает критическая ситуация.

Международная активность по проблеме КМ
Проблема космического мусора – это проблема всех стран, занимающихся космической деятельностью. И работают над ней специалисты космических агентств многих стран – США, Евросоюза, России, Японии, Китая и др. Необходимым условием для поддержания активной деятельности человечества в космосе является консолидация знаний обо всех известных объектах в космосе. В Европейском космическом агентстве создана база данных, содержащая информацию о характеристиках объектов в космическом пространстве (DISCOS-Database and Information System Characterizing Objects in Space). DISCOS содержит информацию о деталях запусков ИСЗ, эволюции их орбит, физических свойствах и целях запуска. В базе данных 33500 объектов, наблюдаемых со времени запуска Первого ИСЗ, и около 7 миллионов занесенных в базу орбит.
Американская система контроля космоса (US Space Surveillance Network- SSN) обеспечивает непрерывный поток орбитальных данных обо всех наблюдаемых неклассифицированных объектах.
Европейское космическое агентство создает и распространяет модели, характеризующие популяцию космического мусора и ее эволюцию. При моделировании учитывается метеорная обстановка в околоземном космическом пространстве. Серия постоянно обновляемых моделей носит название MASTER (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference). Модели MASTER включают мусор техногенного происхождения размером более микрона.
Естественно, что поддержание и регулярное обновление такой модели требует огромного количества измерительных данных в определенных областях космического пространства в определенное время от самых разных средств наблюдения – оптических и радиолокационных, наземных и с космических аппаратов. Статистические данные о происходящих взрывах, локальных плотных образованиях частиц, возможных столкновениях и т.д. позволяют прогнозировать и предупреждать о взрывах, сходах с орбит в результате торможения в верхних слоях атмосферы, уводах с орбит (с помощью необходимых маневров или с использованием аэродинамического торможения), падениях, оценивать вклады запусков (ступени, полезные грузы, операционные фрагменты, выбросы частиц шлака ракетных двигателей с твердым топливом) , взрывов, случаев утечки топлива и прочих событийна орбите в распределение фрагментов мусора и статистически моделировать это распределение. Риск столкновения в принципе может быть определен из текущего статуса данной области окружающей космической среды на каждую эпоху и на любой высотный режим.
Как комплексная задача, требующая системного подхода, проблема космического мусора была впервые поставлена в 1981 году, когда NASA приняло десятилетнюю программу по изучению засоренности околоземных орбит и оценке исходящей от КМ опасности. Этой же проблемой чуть позже озаботилось и МО США.
В 1987 году Европейское космическое агентство (ESA) организовало рабочую группу по КМ и в том же году состоялась первая встреча по проблеме КМ между NASA и ESA.
В декабре 1989 года состоялась первая встреча советских и американских специалистов по вопросу изучения космического мусора.
В декабре 1990 года Генеральная Ассамблея ООН в резолюции 45/72 по пункту повестки дня«Международное сотрудничество в использовании космического пространства в мирных целях» констатировала наличие обеспокоенности у всех государств по вопросу о космическом мусоре.
В 1993 году в Дармштадте (Германия)состоялась встреча представителей ЕКА, НАСА, НАСДА (Япония) и РКА (Россия), на которой был образован Межагентский Комитет по космическому мусору (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) (рис.8). Время показало, что самый действенный обмен мнениями происходит в рамках ежегодных заседаний именно этого комитета. В его состав на сегодняшний день входят уже представители 11 стран.

Рисунок 8.Страны-участницы Межагентского координационного комитета по космическому мусору(IADC).

Обсуждаются и дискутируются проблемы наблюдений, моделирования, предупреждения опасных ситуаций, возможности очищения космического пространства. Официальные заседания сопровождаются научными конференциями, публикуются научные доклады и официальные документы.
С 1994 года вопрос о КМ включен отдельным пунктом в повестку дня Научно-технического подкомитета Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях.
С этого времени проблема КМ вошла в тематику научных симпозиумов КОСПАР, чуть позже Международный союз телекоммуникаций (ITU)выпустил документ о защите окружающей среды для геосинхронных орбит, в котором отражены требования по уводу отработавших спутников из рабочей области.
В июне 2007 г. на заседании Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях были приняты Руководящие принципы предупреждения образования космического мусора (документ А/62/20). В ноябре того же года эти Принципы были одобрены на самом высоком международном уровне (документ А/RES/62/62/217 от 01.02.08). Документ носит рекомендательный характер, но он впервые определяет «кодекс поведения в космосе».
Таким образом, проблема КМ в настоящее время осознана как глобальная, которую не может решить ни одна отдельно взятая страна. Как политики, так и конструкторы космических систем едины в одном: контроль за КМ необходим для обеспечения космической деятельности в будущем.
Первая задача в этой работе – уменьшение космического мусора с помощью предупреждения орбитальных взрывов, очищение (удаление) масс из областей с высокой плотностью фрагментов. Без принятия необходимых мер на высотах 800-1400 км возможен уже в скором будущем неконтролируемый каскадный процесс саморазмножения фрагментов КМ.
Область орбит (800-1400км) и Геостационарная орбита объявлены охраняемыми из-за их интенсивной эксплуатации коммерческого и научного назначения В целях очищения области орбит 800-1400 км рекомендуется снижать космические аппараты и ступени ракет после 25 лет их эксплуатации до пределов действия эффекта атмосферного торможения или уводить на высоты выше2000 км.
Для исчерпавших свои энергетические ресурсы объекты геостационарной орбиты рекомендована «орбита захоронения» на 300 км выше геостационарной .Очень важная часть «конца жизни»космических систем – пассивация: все резервуары топлива должны быть очищены во избежание взрывов, которые случаются по окончании активной жизни полезной нагрузки, и по выполнении своей работы ступенями ракет-носителей.

Рисунок 9. Проблема космического мусора должна быть решена.

«Каждая проблема имеет решение. Единственная трудность заключается в том, чтобы его найти».
Эвви Неф

Разумеется, это только часть предлагаемых мер по обеспечению безопасности космической деятельности. И главное, что осознали космические державы и международные организации — это то, что процесс засорения космоса имеет глобальный международный характер. Не может быть засорения национального околоземного пространства, есть засорение окружающей Землю космической среды.

Человек пришел в Космос и принес туда МУСОР: 3 комментария

  1. Человек и Мусор — это синонимы или закралась какая-то ОШИБКА ОБРАЗНОГО ПЕРИОДА?

  2. Кому принадлежит космический мусор

    Из 13 тысяч искусственных объектов 4528 фрагментов космического мусора (1375 спутников и 3153 ступени ракет и другого космического мусора) принадлежит России и другим странам СНГ.

    За США числится 4259 объектов (1096 спутников и 3163 ступени ракет и других элементов космической техники).

    Китайский вклад в засорение космоса почти в два раза меньше. Общее количество числящихся за КНР объектов — 2774 (70 спутников и 2704 обломков космической техники и ступеней ракет-носителей).

    Франции принадлежит 376 искусственных объектов на земной орбите, Японии — 175, Индии — 144, Европейскому космическому агентству — 74. Другим странам — 521 объект искусственного происхождения.

  3. О!! ДА!..
    Это — проблема из проблем Нового 21 века!..
    И — как же её РЕШИТЬ???
    Нужны- «Спутники — Уборщики КОСМОмусора!»..
    Типа — ИСЗ, оснащенные Мощными Электромагнитными установками ( для избирательного сбора мелких и средних остатков разных космообъетов… —
    и сконтейнерами со САМОвзрывателами, котрые периодически бы выбрасывались в атмосферу —
    ДЛЯ: самоуничтожения и сгорания в слоях атмосферы!!??

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *