Генеральне прибирання орбіти

Орбітальний простір навколо Землі буквально завалений космічним сміттям. Крім таких великих об’єктів, як ступені ракет-носіїв, які залишилися після виведення корисних навантажень, або супутників, що відслужили своє, учені NASA виявили близько 11000 частинок, розміри яких перевищують 10 см, понад 100000 розміром від 1 до 10 см, приблизно 10 мільйонів із поперечником менше 1см. І всі вони неспинно рухаються, становлячи серйозну небезпеку для космічних апаратів, які вже виведені або плануються до виведення в космос.

Проблеми очищення навколоземного простору загострюються разом зі збільшенням запусків космічних апаратів (КА) і виникненням позаштатних ситуацій, аварій за сотні кілометрів від поверхні нашої планети. «Сміттєвою» тематикою з кінця ХХ століття займаються всі провідні космічні агентства світу. В Україні в цьому напрямку активно працюють учені державного підприємства «Кон­­с­трукторське бюро «Південне» імені­ М.К.Янгеля» (КБ «Південне»). Із деякими особливостями розроб­люваних проектів і проблематики в цілому читачів «УТГ» знайомить академік Міжнародної академії астронавтики, учений секретар КБ ­«Південне» ­Микола Миколайович ­ Слюняєв. 

— Миколо Миколайовичу, тема космічного сміття в останні роки лідирує на симпозіумах і конференціях, присвячених питанням освоєння космосу. У чому причина такого несподіваного прориву?

— У момент запуску першого радянського супутника 1957 року й ще багато років після того ніхто не міг навіть припустити, що в ХХ столітті людство буде всерйоз занепокоєне проблемою технологічного сміття, яке «застрягло» в космосі. На жаль, воно нагромаджується в зонах найвигідніших траєкторій виведення на орбіту ракет-носіїв під час запусків із космодромів США, Росії (Байконур), Франції (Куру) та інших держав. Дуже багато такого сміття й поблизу траєкторій виведення на орбіту геостаціонарних супутників: це супутники, які відробили свій термін, їхні окремі частини й невеликі уламки. Імовірність зіткнення в цих зонах помітно збільшується, оскільки кінцева ділянка енергетично вигідних траєкторій виведення на ­геостаціонарні орбіти (висота 36 тисяч кілометрів!) є порівняно вузькою «трубкою», через яку проходять нові супутники.

До речі, тисячі частинок, які ми розглядаємо як космічне сміття, рухаються зі швидкістю 6—10 кілометрів на секунду. Під час зіткнення з діючим космічним літальним апаратом кожна із цих частинок може пошкодити його або взагалі вивести з ладу. Серйозна небезпека загрожує також МКС і космонавтам, які виходять у відкритий космос. Якщо не вживати необхідних заходів, то космічні дороги незабаром стануть схожими на нічні автостради, де не дотримуються ніякі правила руху. Тільки замість автомобілів ними з шаленою швидкістю мчатимуть з «погашеними фарами» супутники та їхні уламки.

— Відомо, що всі об’єкти мають властивість поступово сповільнювати­ свій рух, що неминуче призведе до зниження й згоряння в густих шарах атмосфери Землі. То чи варто перейматися через це? Нехай собі літають хоч тисячу років…

— Дослідження показують, що процес самоочищення навколоземного космічного простору за рахунок гальмування об’єктів різної величини у верхніх шарах атмосфери дуже довгий (він може тривати від 2—3 сотень до декількох тисяч років) і не врівноважує темпи сучасного техногенного засмічування. Тобто сміття нагромаджується набагато швидше, ніж самознищується. Тому постало завдання якнайшвидше знайти оптимальні рішення й запобігти зростанню динаміки техногенного засмічування космосу. У нашому КБ активно ведуться науково-дослідні й конструкторські роботи з таких напрямків: у конструкціях ракет-носіїв передбачаються заходи мінімізації елементів, які залишаються на орбіті після відокремлення корисного навантаження; розробляються засоби, які забезпечують повернення КА та інших об’єктів у приземні шари атмосфери протягом 25 років із моменту припинення їхнього функціонування. Разом із ученими й конструкторами інших країн обговорюється «зона поховання» КА на орбітах, віддалених від траєкторій руху діючих космічних об’єктів.

— Чим обґрунтований 25-літній термін «вільного польоту» і хто його визначив?

— Загострення проблеми засмічування космічного простору привело до створення Міжагентського координаційного комітету з космічного сміття (IADC). До нього входять національні космічні агентства США, Великої Британії, Франції, Німеччини, Італії, Росії, України, Китаю, Індії, Японії та інших країн. На підставі даних, отриманих від Росії та США, які мають необхідні засоби контролю та спостереження за об’єктами в космосі, а також розрахункових даних, учені, що входять до складу комітету, визначили, що після 2055 року концентрація космічного сміття може перевищити припустимий поріг. Це призведе до так званого каскадного ефекту, коли зіткнення почнуться усереди­ні сміттєвих потоків і внаслідок ударів один об одний з’являтимуться все нові й нові, дрібніші неконтрольовані частинки. Катастрофічне збільшення орбітального сміття на низьких навколоземних орбітах унеможливить подальше освоєння космосу.

2005 року IADC ухвалив рішення, яким обмежив перебування у космосі апаратів, що відробили своє,  25-літнім терміном. Поставлено завдання розробити методи й засоби, які дозволяють прибрати з орбіт нефункціонуючі КА, щоб не допустити виникнення критичної концентрації космічного сміття.

— Тобто рано чи пізно однаково доведеться примусово виводити супутники з орбіт. Як це зробити?

— Ідеї щодо того, як змусити КА зійти з орбіти вище 400 кілометрів, висловлюються з 80-х років ХХ століття, але тільки недавно з’явилися технічно обґрунтовані проекти, що дозволяють домогтися реальних результатів. Один із них пов’язаний із використанням ефектів взаємодії магнітного поля Землі з індукційними електрострумами.

Наукові й експериментальні дослідження, проведені в космосі, дозволили з’ясувати, що навколо земної кулі перебуває іонізована хмара, яка необхідна для функціонування пристроїв взаємодії з магнітним полем Землі.

На основі цієї моделі розроблені дослідні зразки пристроїв, що дозволяють реалізувати імпульс сил гальмування в магнітному полі Землі.

Зокрема, учені США Роберт Хайт і Роберт Форвард запропонували використовувати як основні елементи пристрою гальмування гнучкий електропровідний фал довжиною 5—20 кілометрів, колектор входу іонів із навколишнього середовища на одному кінці й наконечник для «викиду» іонів у навколишнє середовище на протилежному кінці фала. Учені вважають, що під час запуску до кожного супутника доцільно прикріплювати електропровідний «хвіст», який міг би автоматично розвертатися, як тільки супутник завершить свій космічний шлях, і виконувати роль гальмівного пристрою.

Принцип дії такого пристрою пояснюється просто. За законами фізики в провіднику, що перетинає магнітне поле Землі зі швидкістю близько 7 кілометрів на секунду, виникає електричний струм. Його досить для того, щоб, образно кажучи, «увімкнути рубильник» на супутнику, який вичерпав свій енергетичний ресурс, і змусити знизити швидкість його руху. Відповідно зміниться і його орбіта. Фактично роль гальма виконує електродинамічна сила, що виникає в провіднику. При цьому нема потреби розміщувати стаціонарне джерело енергії на борту космічного апарата, що підлягає знищенню.

Це дуже важлива деталь, бо маса супутника й будь-якого пристрою на його борту завжди чітко обмежені. Вага відомих засобів гальмування з рушійною установкою й бортовим запасом палива становила б ≈20% від ваги корисного навантаження (тому їх досі не встановлюють на КА), а вага нових пристроїв гальмування орбітальних об’єктів лише ≈2,5%. Така істотна різниця досягається за рахунок того, що для створення гальмового імпульсу при взаємодії з магнітним полем Землі не треба бортових запасів енергоносіїв. До речі, цей показник став спільною рисою як американських, так і ­українських проектних розробок.

— До яких результатів може привести застосування такого пристрою?

— У процесі довільного зниження без спеціального пристрою КА може сходити із заданої орбіти кілька тисяч років, а 12-кілометровий хвіст, придуманий американцями, дозволяє «стиснути» тисячоліття до 30—40 діб. Визначальну роль тут відіграє гальмівна сила, що залежить від напруженості магнітного поля, сили струму в провіднику й довжини самого провідника. Але це поки розрахункові дані, на практиці такі системи не застосовувалися.

Правда, американці створили дослідний зразок — Теrminator Теthеr — і навіть вивели його на орбіту, але фал, на жаль, не розгорнувся. Тому перевірити всю систему в дії не вийшло. Але сумнівів у тому, що ця система працездатна, нема.

Річ у тім, що перед тим як витратити мільйонні кошти на створення унікальної нитки, що відіграє роль багатокілометрового фала, американські й італійські вчені провели такий експеримент. Із борта космічного корабля «Шатл» було  випущено порівняно невеликий фал, до кінця якого прикріпили маленький супутник (TSS), оснащений необхідною вимірювальною апаратурою. Після того як систему знеструмили, апаратура, установлена на супутнику й на «Шатлі», дозволила зафіксувати певні процеси, коли фал проходить через магнітне поле Землі в іонізованій хмарі. Виявилося, що навіть за невеликої довжини фала струм був у 8 разів більше,­ ніж показували попередні розрахунки. Після цього американці, які пропагують свій метод впливу на швидкість «вимкненого» супутника, почали використовувати не тільки розрахункові дані, а й конкретні показники приладів, отримані експериментальним шляхом у реальних умовах.

— Як оцінюють проект у КБ «Південне»?

— Як цілком реальний і перспективний. Ми працюємо в такому ж напрямку близько 10 років, але, на відміну від американців, основним матеріалом фала обрали пружну металеву нитку (її розробили в нашому КБ), а не штучні електропровідні волокна діаметром у десяті частки міліметра. Є різниця й у довжині. Оскільки створений нами матеріал приблизно в 10 разів важче за американський, фал має бути коротше рівно настільки, щоб не перевищувати «квоту з маси» в 2,5% від загальної маси корисного навантаження. Якщо ми укладемося в кілометровий «хвіст», то такої довжини буде достатньо, щоб вся система працювала й змогла загальмувати КА після його вимкнення.

Правда, при цьому буде потрібно набагато більше часу на зниження КА (що довший фал, то швидше відбувається гальмування). Але навіть за таких параметрів ми укладаємося в припустимий сьогодні 25-літній період перебування супутників у навколоземному просторі. На цьому етапі і в українському, і в американському проектах розв’язано одне з основних завдань — визначений електропровідний матеріал для фала.

У КБ «Південне» починаючи з 2005 року до цих досліджень долучають молодих учених. У 2005-му ­команда молодих учених, до складу якої входили Анатолій Гордієнко і Євген Глушич, виступила з доповіддю на конкурсі пам’яті ­Роберта Хайнлайна в Мос­кві. Доповідь викликала великий інтерес і забезпечила команді перемогу ­(1-ше місце) у конкурсі. Зараз А.Гордієнко бере участь у роботах з використання ефектів взаємодії з магнітним полем Землі вже на посаді інженера-конструктора першої категорії.

Пошукові дослідження в КБ «Південне» із застосування ефектів взаємодії з магнітним полем з метою очищення навколоземного космічного простору розпочато в 2002 році. Наукова доповідь за поточними результатами цих досліджень представлена в березні 2003-го на 23-й сесії комітету IADC у Бангалорі­ (Індія) і була визнана однією­ з кращих.

Але, знов-таки, перевірити все на практиці поки неможливо. У цьому випадку — через брак коштів на відпрацьовування системи в реальних космічних умовах. В Україні достатніх матеріальних ресурсів для аналогічної роботи не мають ні Державне космічне агентство, ні окремі підприємства або КБ.

Упевнений, що як тільки новий метод буде цілком відпрацьований, усі країни візьмуть його на озброєння й перейдуть до практичних дій з очищення космічного простору.

Космічний буксир

Звичайно, у доповідях КБ «Південне» на регулярних сесіях комітету IADC представлені й інші ідеї, мета яких позбавити космос від сміття. Наприклад, створити спеціальний транспорт на кшталт буксира. Залежно від поставлених завдань такий буксир міг би, зокрема, займатися очищенням простору, рухаючись спереду за траєкторією польоту МКС, а також збільшити протяжність за часом «вікон» можливого запуску для космічних апаратів, що доставляють на МКС космонавтів і вантажі.

На борту космічного буксира можна буде тримати запас фалів із вузлами кріп лення до тих об’єктів, які треба швидко спустити вниз тут і тепер. Тобто буде змога не тільки оснастити нові супутники системами американського або українського зразка, а й за потреби прикріпляти гальмівні «хвости» до тих об’єктів, які давно відслужили своє і безцільно крутяться на орбітах.

Для забезпечення роботи буксира на його борту має бути своє джерело енергії. Із публікацій президента Російської академії космонавтики імені К.Ціолковського академіка Анатолія Сазоновича Коротєєва відомо, що в РФ розробляється бортовий ядерний реактор для космічних пілотованих і безпілотних апаратів. Це буде довговічне, потужне і безпечне для довкілля джерело енергії.

Схожі ідеї опрацьовуються сьогодні не тільки в РФ, а й у США, Європі. В Америці розробляється проект ядерного електричного ракетного двигуна (ЯЕРД), у Європі з’явився аналогічний проект «242».

Куля-пастка

Ще одна ідея КБ «Південне» спрямована на розв’язання проблем, що виникають унаслідок випадкових вибухів у космосі. Як пастку для утворених унаслідок вибухів і зіткнень осколків дніпропетровські вчені пропонують використовувати незвичайну кулю діаметром 32 метри, зібрану з декількох сотень шарів тонкої, але надзвичайно міцної матерії. Каркасом для таких шарів є саморозгортальна сітка пружинних ниток — таких самих, які пропонується використовувати для виготовлення фала. Осколки, потрапляючи в кулю, загрузатимуть у ній, наче комарі в павутині.

Завдяки сучасним засобам спостереження за космічними об’єктами можна буде дуже швидко зреагувати на НП і в лічені хвилини відправити в космос ракету-носій (наприклад, «Дніпро»). Приблизно через 2 години куля-пастка потрапить у район аварії й збере значну частину небезпечних осколків. На борту кулі-пастки буде встановлений двигун, система орієнтації й блок керування за радіокомандами із Землі, завдяки яким об’єкт-рятувальник «наводитиметься» у зону збору осколків і «баражуватиме» у цій зоні, охоплюючи робочу сферу, набагато більшу, ніж діаметр кулі-пастки. «Укомплектована» осколками куля потім зможе перейти на більш низьку орбіту й увійти в густі шари атмосфери.

Про цю розробку вчені КБ «Південне» також доповіли на 23-й сесії комітету IADC у Бангалорі.

Із перших уст

Жан-Мішель Контант
Генеральний секретар Міжнародної академії астронавтики (МАА)

— Наша організація першою у світі звернула увагу на цю проблему й почала дослідження в різних напрямках. Один із них пов’язаний із керуванням руху об’єктів у космосі. Ці дослідження привели до того, що ООН вирішила створити міжвідомчу комісію, групу, яка займається проблемами кос­ мічного сміття. Сьогодні Науково-технічний підкомітет Комітету ООН із використання космічного простору для мирних потреб (STCS UN COPUOS) працює над технічним розв’язанням цієї проблеми.

Припинити запуск нових супутників ми не можемо, але, з іншого боку, добре розуміємо, що кожен такий запуск призводить до утворення нових порцій космічного сміття. Навіть якщо ми виберемо якусь орбіту для поховання супутників, що вийшли з ладу, то надалі очищення цієї орбіти теж стане великою проблемою.

Тому ми звернулися до всіх космічних агентств і компаній із пропозицією розробити ідеї й знайти рішення з видалення космічного сміття. Кожні три роки в Дармштадті (Німеччина) проходить конференція, у якій беруть участь найбільші космічні держави світу (США, Китай та інші). ­ Як ви розумієте, у проблеми з відпрацьованими супутниками два аспекти — цивільний і військовий. Але, у принципі, однаково, якого призначення був той або інший супутник, бо після виконання програми кожен із них перетворюється на сміття.

Недавно МАА опублікувала звіт про проведені дослідження й вийшла із пропозицією ухвалити спеціальне міжнародне законодавство, яке регулювало б питання утворення технічного сміття на орбіті. Сподіваюся, пропозицію ­підтримають усі учасники процесу.

Микола Слюняєв

Народився 1940 року в м. Маріуполі Донецької області. Закінчив Харківський авіаційний інститут за фахом «інженер-механік літальних апаратів».­

Кандидат технічних наук, член-кореспондент, академік Міжнародної академії астронавтики, заслужений діяч науки і техніки України.­

Зробив істотний внесок у розробку засобів подолання протиракетної оборони — міжконтинентальних балістичних ракет Р-36, Р-36М, Р-36МУТТХ і бойових блоків ракети Р-36М2. Один з авторів перетворення міжконтинентальної балістичної­ ракети Р-36 на мирну ракету-носій «Дніпро».

Автор концепції створення протиастероїдного ракетного комплексу­ і ракетного комплексу для видалення радіоактивних відходів у далекий космос. 1995 року запропонував новий напрямок досліджень із боротьби з техногенним забрудненням навколоземного космічного простору.

Автор 92 винаходів, з яких 14 упроваджені в ракетно-космічній тех­ніці.­

Довідка «УТГ»

За деякими даними, близько 6% об’єктів, які відслідковуються в космосі — діючі, близько 22% припинили функціонування, 17% є ступенями і розгонними блоками ракет-носіїв, близько 55% — відходи, технологічні елементи, що супроводжують запуски, уламки, утворені внаслідок вибухів.

Більшість цих об’єктів перебуває на орбітах із високим нахилом, площини яких перетинаються, тому середня відносна швидкість їхнього взаємного прольоту становить близько 10 км/с.

Найбільш засмічені ті ділянки орбіт навколо Землі, які найчастіше використовуються для роботи космічних апаратів. Це низькі навколоземні орбіти (ННО), геостаціонарна орбіта (ГСО) і сонячно-синхронні орбіти (ССО).

За величиною «внеску» в утворення космічного сміття сьогодні лідирують Китай (40%), США (27,5%) і Росія (25,5%).

До речі

Японське космічне агентство JAXA має намір очищати орбіту Землі від космічного сміття за допомогою спеціальних металевих рибальських сіток, повідомила японська газета Asahi. Агентство вже уклало контракт із компанією Nitto Seimo, яка протягом останніх 6 років працювала над технологією плетіння космічних сіток із посріблених металевих ниток. Відповідно до проекту, сітка з лінійними розмірами в кілька кілометрів виводитиметься на орбіту в складеному стані на борту спеціального супутника й розгортатиметься за допомогою встановленого на апараті маніпулятора. Після того, як сітка набере достатньо сміття, вона від’єднуватиметься й самознижуватиметься, поки не ввійде в густі шари атмо­сфери, де згорить разом зі сміттям.

 

28 червня 2011 року в небезпечній близькості — лише в 250 метрах від Міжнародної космічної станції — пролітав уламок, який змусив екіпаж залишити станцію й на якийсь час перейти в кораблі «Союз». Фрагмент сміття було виявлено занадто пізно для виконання маневру відхилення. Космонавти Роскосмосу Олександр Самокутяєв і Андрій ­Борисенко, а також астронавт NASA ­Рональд Гаран укрилися в кораб­лі «Союз ТМА-21», а росіянин Сергій Волков, японець Сатосі Фурукава й американець Майкл Фоссум — у кораблі ­ «Союз ТМА-02М». Космічне сміття не вперше стало причиною евакуації екіпажу станції або ­оголошення тривоги, коли уламки потрапляють у так звану червону зону на відстані менше кілометра від станції. За даними Інституту­ астрономії, за останні роки МКС була змушена ухилятися від безпритульних космічних об’єктів більше 200 разів.

 

У липні 2011 року в Російській академії наук була сформована рада з космічних загроз. До складу її експертної робочої групи ввійшли понад 50 учених і фахівців міноборони, «Росатому», Роскосмосу й двох десятків НДІ. Вони вивчатимуть проблеми орбітального сміття, астероїдної і кометної небезпеки. Як заявив керівник експертної робочої групи,­ член-кореспондент РАН і керівник Інституту астрономії Борис Шустов,­  зібрати вузьких фахів­­ців разом вирішили для того, щоб домогтися більшої ефективності у розв’язанні нагальних проблем. Завдання ради — раннє виявлення потенційної небезпеки з космосу і розробка технологій  її запобігання.