Генеральная уборка орбиты
Орбитальное пространство вокруг Земли буквально завалено космическим мусором. Помимо таких крупноразмерных объектов, как ступени ракет-носителей, оставшиеся после выведения полезных нагрузок, или отслуживших свой срок спутников, ученые NASA выявили около 11000 частиц, размеры которых превышают 10 см, свыше 100000 размерами от 1 до 10 см, примерно 10 миллионов с поперечником менее 1см. И все они безостановочно движутся, создавая серьезную опасность для космических аппаратов, которые уже выведены или планируются к выведению в космос.
Проблемы очистки околоземного пространства обостряются вместе с увеличением запусков космических аппаратов (КА) и возникновением различных нештатных ситуаций, аварий за сотни километров от поверхности нашей планеты. «Мусорной» тематикой с конца ХХ века занимаются все ведущие космические агентства мира. В Украине в этом направлении активно работают ученые государственного предприятия «Конструкторское бюро «Южное» имени М.К.Янгеля» (КБ «Южное»). С некоторыми особенностями разрабатываемых проектов и проблематики в целом читателей «УТГ» знакомит академик Международной академии астронавтики, ученый секретарь КБ «Южное» Николай Николаевич Слюняев.
— Николай Николаевич, тема космического мусора в последние годы вышла в число лидирующих на симпозиумах и конференциях, посвященных вопросам освоения космоса. В чем причины такого внезапного прорыва?
— В момент запуска первого советского спутника в 1957 году и еще много лет после того никто не мог даже предположить, что в ХХI веке человечество будет всерьез озабочено проблемой технологического мусора, «застрявшего» в космосе. К сожалению, он сосредотачивается в зонах наиболее выгодных траекторий выведения на орбиту ракет-носителей при запусках с космодромов США, России (Байконур), Франции (Куру) и других государств. Очень много такого мусора скопилось и вблизи траекторий выведения на орбиту геостационарных спутников: это спутники, отработавшие свой срок, их отдельные части и небольшие обломки. Вероятность столкновения в этих зонах заметно увеличивается, поскольку конечный участок энергетически выгодных траекторий выведения на геостационарные орбиты (высота 36 тысяч километров!) сводится к сравнительно узкой «трубке», по которой проходят новые спутники.
Кстати, тысячи частиц, которые мы рассматриваем как космический мусор, движутся со скоростью 6—10 километров в секунду. При столкновении с действующим космическим летательным аппаратом любая из этих частиц может повредить его или вообще вывести из строя. Серьезная опасность грозит также МКС и космонавтам, выходящим в открытый космос. Если не принимать необходимых мер, то космические дороги скоро станут похожи на ночные автострады, где не соблюдаются никакие правила движения. Только вместо автомобилей по ним с бешеной скоростью будут мчаться с «погашенными фарами» спутники и их обломки.
— Известно, что все объекты имеют свойство постепенно замедлять свое движение, что неминуемо приводит к снижению и сгоранию в плотных слоях атмосферы Земли. Так стоит ли ломать голову? Пусть себе летают хоть тысячу лет…
— Исследования показывают, что процесс самоочищения околоземного космического пространства за счет торможения объектов различной величины в верхних слоях атмосферы очень длительный (он может растянуться от 2—3 сотен до нескольких тысяч лет) и не уравновешивает темпы современного техногенного засорения. То есть количество мусора растет гораздо быстрее, чем происходит его самоуничтожение. Поэтому стоит задача как можно быстрее найти оптимальные решения и предотвратить рост динамики техногенного засорения космоса. В нашем КБ активно ведутся научно-исследовательские и конструкторские работы по следующим направлениям: в конструкциях ракет-носителей предусматриваются меры минимизации элементов, остающихся на орбите после отделения полезной нагрузки; разрабатываются средства, обеспечивающие возвращение КА и других объектов в приземные слои атмосферы в течение 25 лет с момента прекращения их функционирования. Вместе с учеными и конструкторами других стран оговаривается «зона захоронения» КА на орбитах, удаленных от траекторий движения действующих космических объектов.
— Чем обоснован 25-летний срок «свободного полета» и кто его определил?
— Обострение проблемы засорения космического пространства привело к созданию Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IADC). В него входят национальные космические агентства США, Великобритании, Франции, Германии, Италии, России, Украины, Китая, Индии, Японии и других стран. Опираясь на информацию, полученную от России и США, которые обладают необходимыми средствами контроля и слежения за объектами в космосе, а также на расчетные данные, ученые, входящие в состав комитета, определили, что после 2055 года концентрация космического мусора может превысить допустимый порог. Это приведет к так называемому каскадному эффекту, когда столкновения начнутся внутри мусорных потоков и вследствие ударов друг о друга станут появляться все новые и новые, более мелкие неконтролируемые частицы. Катастрофический рост орбитального мусора на низких околоземных орбитах сделает невозможным дальнейшее освоение космоса.
В 2005 году IADC принял решение, которым ограничил пребывание отработавших космических аппаратов в космосе 25-летним сроком. Поставлена задача разработать методы и средства, позволяющие убрать с орбит нефункционирующие КА, чтобы не допустить возникновения критической концентрации космического мусора.
— То есть рано или поздно все равно придется принудительно уводить спутники с орбит. Каким образом это сделать?
— Идеи по поводу того, как заставить КА сойти с орбиты выше 400 километров, высказываются с 80-х годов ХХ столетия, но только недавно появились технически обоснованные проекты, позволяющие добиться реальных результатов. Один из них связан с использованием эффектов взаимодействия магнитного поля Земли с индукционными электротоками.
Научные и экспериментальные исследования, проведенные в космосе, позволили выяснить, что вокруг земного шара находится ионизированное облако, которое необходимо для функционирования устройств взаимодействия с магнитным полем Земли.
На основе этой модели разработаны опытные образцы устройств, позволяющих реализовать импульс сил торможения в магнитном поле Земли.
В частности, ученые США Роберт Хайт и Роберт Форвард предложили использовать в качестве основных элементов устройства торможения гибкий электропроводный фал длиной 5—20 километров, коллектор входа ионов из окружающей среды на одном конце и наконечник для «выброса» ионов в окружающую среду на противоположном конце фала. Ученые считают, что при запуске к каждому спутнику целесообразно прикреплять электропроводный «хвост», который мог бы автоматически разворачиваться, как только спутник завершит свой космический путь, и выполнять роль тормозящего устройства.
Принцип действия такого устройства объясняется просто. По законам физики в проводнике, который пересекает магнитное поле Земли со скоростью около 7 километров в секунду, возникает электрический ток. Его достаточно для того, чтобы, образно выражаясь, «включить рубильник» на спутнике, исчерпавшем свой энергетический ресурс, и заставить снизить скорость движения спутника. Соответственно изменится и его орбита. Фактически в роли тормоза выступает электродинамическая сила, образующаяся в проводнике. При этом отпадает необходимость в размещении стационарного источника энергии на борту космического аппарата, подлежащего уничтожению.
Это очень важная деталь, так как масса спутника и любого устройства на его борту всегда строго ограничена. Вес известных средств торможения с двигательной установкой и бортовым запасом топлива составил бы ≈20% от веса полезной нагрузки (поэтому их до сих пор и не устанавливают на КА), а вес новых устройств торможения орбитальных объектов всего ≈2,5%. Столь существенная разница достигается за счет того, что для создания тормозного импульса при взаимодействии с магнитным полем Земли не требуется бортовых запасов энергоносителей. Кстати, данный показатель стал общей чертой как американских, так и украинских проектных разработок.
— К каким результатам может привести применение такого устройства?
— При произвольном снижении без специального устройства КА может сходить с первоначально заданной орбиты несколько тысяч лет, а 12-километровый хвост, придуманный американцами, позволяет «сжать» тысячелетия до 30—40 суток. Определяющую роль здесь играет тормозящая сила, зависящая от напряженности магнитного поля, силы тока в проводнике и длины самого проводника. Но это пока расчетные данные, на практике подобные системы не применялись.
Правда, американцы создали опытный образец — Теrminator Теthеr — и даже вывели его на орбиту, но фал, к сожалению, не развернулся. Поэтому проверить всю систему в действии не получилось. Но сомнений в том, что эта система работоспособна, не возникает.
Дело в том, что перед тем как потратить миллионные средства на создание уникальной нити, играющей роль многокилометрового фала, американские и итальянские ученые провели следующий эксперимент. С борта космического корабля «Шаттл» был выпущен сравнительно небольшой фал, к концу которого прикрепили маленький спутник (TSS), оснащенный необходимой измерительной аппаратурой. После того как систему обесточили, аппаратура, установленная на спутнике и на «Шаттле», позволила зафиксировать ряд процессов, происходящих при прохождении фала через магнитное поле Земли в ионизирующем облаке. Оказалось, что даже при небольшой длине фала возникший ток был в 8 раз больше, чем показывали предварительные расчеты. После этого американцы, пропагандирующие свой метод воздействия на скорость «выключенного» спутника, стали опираться не только на расчетные данные, но и на конкретные показатели приборов, полученные экспериментальным путем в реальных условиях.
— Как расценивают этот проект в КБ «Южное»?
— Как вполне реальный и перспективный. Мы работаем в таком же направлении около 10 лет, но, в отличие от американцев, в качестве основного материала фала выбрали упругую металлическую нить (ее разработали в нашем КБ), а не искусственные электропроводные волокна диаметром в десятые доли миллиметра. Есть разница и в длине. Поскольку созданный нами материал примерно в 10 раз тяжелее американского, фал должен быть короче ровно настолько, чтобы не превышать «квоту по массе» в 2,5% от общей массы полезной нагрузки. Если мы уложимся в километровый «хвост», то такой длины будет достаточно, чтобы вся система заработала и смогла затормозить КА после его выключения.
Правда, при этом понадобится гораздо больше времени на снижение КА (чем длиннее фал, тем быстрее происходит торможение). Но даже при таких параметрах мы укладываемся в допускаемый сегодня 25-летний период нахождения спутников в околоземном пространстве. На данном этапе и в украинском, и в американском проектах решена одна из основных задач — определен электропроводный материал для фала.
В КБ «Южное» начиная с 2005 года к этим исследованиям подключают молодых ученых. В 2005-м команда молодых ученых, в состав которой входили Анатолий Гордиенко и Еегений Глушич, выступила с соответствующим докладом на конкурсе памяти Роберта Хайнлайна в Москве. Доклад вызвал большой интерес и обеспечил команде победу (1-е место) в конкурсе. Сейчас А.Гордиенко участвует в работах по использованию эффектов взаимодействия с магнитным полем Земли уже в должности инженера-конструктора первой категории.
Поисковые исследования в КБ «Южное» по применению эффектов взаимодействия с магнитным полем для задач очистки околоземного космического пространства начаты в 2002 году. Научный доклад по текущим результатам этих исследований представлен в марте 2003-го на 23-й сессии комитета IADC в Бангалоре (Индия) и был признан одним из лучших.
Но, опять-таки, проверить все на практике пока не представляется возможным. В данном случае — из-за острой нехватки средств на отработку системы в реальных космических условиях. В Украине достаточных материальных ресурсов для аналогичной работы не имеют ни Государственное космическое агентство, ни отдельные предприятия или КБ.
Уверен, что как только новый метод будет отработан до конца, все страны примут его на вооружение и перейдут к практическим действиям по очистке космического пространства.
Космический буксир
Естественно, в докладах КБ «Южное» на регулярных сессиях комитета IADC представлены и другие идеи, преследующие цель избавить космос от мусора. Например, создать специальный транспорт по типу буксира. В зависимости от поставленных задач такой буксир мог бы, в частности, заниматься очисткой пространства, двигаясь впереди по траектории полета МКС, а также увеличить протяженность по времени «окон» возможного запуска для космических аппаратов, доставляющих на МКС космонавтов и различные грузы.
На борту космического буксира можно будет держать запас фалов с узлами крепления к тем объектам, которые понадобится быстро спустить вниз в данном месте и в данное время. То есть появится возможность не только снабжать новые спутники системами американского или украинского образца, но и по мере необходимости прикреплять тормозящие «хвосты» к тем объектам, которые давно отслужили свой срок и бесцельно крутятся на орбитах.
Для обеспечения работы буксира на его борту должен быть свой источник энергии. Из публикаций президента Российской академии космонавтики имени К.Э.Циолковского академика Анатолия Сазоновича Коротеева известно, что в РФ разрабатывается бортовой ядерный реактор для космических пилотируемых и беспилотных аппаратов. Это будет долговечный, мощный и безопасный для окружающей среды источник энергии.
Похожие идеи прорабатываются сегодня не только в РФ, но и в США, в Европе. В Америке разрабатывается проект ядерного электрического ракетного двигателя (ЯЭРД), в Европе появился аналогичный проект «242».
Шар-ловушка
Еще одна идея КБ «Южное» направлена на решение проблем, возникающих в результате случайных взрывов в космосе. В качестве ловушки для образовавшихся вследствие взрывов и столкновений осколков днепропетровские ученые предлагают использовать необычный шар диаметром 32 метра, собранный из нескольких сотен слоев тонкой, но необычайно прочной материи. Каркасом для таких слоев является саморазворачивающаяся сеть пружинных нитей — таких же, какие предлагается использовать для изготовления фала. Осколки, попадая в шар, будут вязнуть в нем, как комары в паутине.
Благодаря современным средствам слежения за космическими объектами можно будет очень быстро среагировать на ЧП и в считанные минуты отправить в космос ракету-носитель (например «Днепр»). Примерно через 2 часа шар-ловушка попадет в район аварии и соберет значительную часть наиболее опасных осколков. На борту шара-ловушки установлены двигатель, система ориентации и блок управления по радиокомандам с Земли, благодаря которым объект-спасатель будет «наводиться» в зону сбора осколков и «барражировать» в этой зоне, охватывая рабочую сферу существенно большую, чем диаметр шара-ловушки. «Укомплектованный» осколками шар затем сможет перейти на более низкую орбиту и войти в плотные слои атмосферы.
Об этой разработке ученые КБ «Южное» также доложили на 23-й сессии комитета IADC в Бангалоре (Индия).
Из первых уст
Жан-Мишель Контант
Генеральный секретарь Международной академии астронавтики (МАА)
— Наша организация первой в мире обратила внимание на эту проблему и занялась исследованиями в различных направлениях. Одно из них связано с управлением движения объектов в космосе. Эти исследования привели к тому, что ООН приняла решение создать межведомственную комиссию, группу, занимающуюся проблемами космического мусора. Сегодня Научно-технический подкомитет Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях (STCS UN COPUOS) работает над техническими решениями данной проблемы.
Прекратить запуск новых спутников мы не можем, но, с другой стороны, прекрасно понимаем, что каждый такой запуск приводит к образованию новых порций космического мусора. Даже если мы выберем какую-то орбиту для захоронения отработавших и вышедших из строя спутников, то в дальнейшем очистка этой орбиты тоже станет большой проблемой.
Поэтому мы обратились ко всем космическим агентствам и компаниям с предложением разработать идеи и найти решения по удалению космического мусора. Каждые три года в Дармштадте (Германия) проходит конференция, в которой принимают участие самые крупные космические державы мира (США, Китай и другие). Как вы понимаете, у проблемы с отработанными спутниками две стороны — гражданская и военная. Но, в принципе, неважно, какого назначения был тот или иной спутник, потому что после выполнения программы каждый из них превращается в мусор.
Недавно МАА опубликовала отчет о проведенных исследованиях и вышла с предложением о принятии специального международного законодательства, которое регулировало бы вопросы создания технического мусора на орбите. Надеюсь, это предложение получит поддержку у всех участников процесса.
Николай Слюняев
Родился в 1940 году в г. Мариуполе Донецкой области. Окончил Харьковский авиационный институт по специальности «инженер-механик летательных аппаратов».
Кандидат технических наук, член-корреспондент, академик Международной академии астронавтики, заслуженный деятель науки и техники Украины.
Внес существенный вклад в разработку средств преодоления противоракетной обороны — межконтинентальных баллистических ракет Р-36, Р-36М, Р-36МУТТХ и боевых блоков ракеты Р-36М2. Один из авторов преобразования межконтинентальной баллистической ракеты Р-36 в мирную ракету-носитель «Днепр».
Автор концепции создания противоастероидного ракетного комплекса и ракетного комплекса для удаления радиоактивных отходов в дальний космос. В 1995 году предложил новое направление исследований по борьбе с техногенным загрязнением околоземного космического пространства.
Автор 92 изобретений, из которых 14 внедрены в ракетно-космической технике.
Справка «УТГ»
По некоторым данным, около 6% отслеживаемых в космосе объектов — действующие, около 22% прекратили функционирование, 17% представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, около 55% — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, обломки, появившиеся вследствие взрывов.
Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это низкие околоземные орбиты (НОО), геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).
По величине вклада в создание космического мусора сегодня лидируют Китай (40%), США (27,5%) и Россия (25,5%).
Кстати
Японское космическое агентство JAXA намерено очищать орбиту Земли от космического мусора с помощью специальных металлических рыболовных сетей, сообщила японская газета Asahi. Агентство уже заключило контракт с компанией Nitto Seimo, которая в течение последних 6 лет работала над технологией плетения космических сетей из посеребренных металлических нитей. По проекту, сеть с линейными размерами в несколько километров будет выводиться на орбиту в сложенном состоянии на борту специального спутника и разворачиваться с помощью установленного на аппарате манипулятора. После того, как сеть наберет достаточно мусора, она будет отсоединяться и самоснижаться, пока не войдет в плотные слои атмосферы, где сгорит вместе с мусором.
28 июня 2011 года в опасной близости — всего в 250 метрах от Международной космической станции — пролетал обломок, что заставило экипаж покинуть станцию и на некоторое время перейти в корабли «Союз». Фрагмент мусора был обнаружен слишком поздно для выполнения маневра уклонения. Космонавты «Роскосмоса» Александр Самокутяев и Андрей Борисенко, а также астронавт NASA Рональд Гаран укрылись в корабле «Союз ТМА-21», а россиянин Сергей Волков, японец Сатоси Фурукава и американец Майкл Фоссум — в корабле «Союз ТМА-02М». Космический мусор не впервые стал причиной эвакуации экипажа станции или объявления тревоги, когда обломки попадают в так называемую красную зону на расстоянии менее километра от станции. По данным Института астрономии, за последние годы МКС была вынуждена уклоняться от беспризорных космических объектов более 200 раз.
В июле 2011 года в Российской академии наук был сформирован совет по космическим угрозам. В состав его экспертной рабочей группы вошли более 50 ученых и специалистов минобороны, «Росатома», «Роскосмоса» и двух десятков НИИ. Они займутся проблемами орбитального мусора, астероидной и кометной опасности. Как заявил руководитель экспертной рабочей группы, член-корреспондент РАН и руководитель Института астрономии Борис Шустов, собрать узких специалистов вместе решили для того, чтобы добиться большей эффективности в решении обострившихся проблем. Задачи совета — раннее обнаружение потенциальной опасности, исходящей из космоса, и разработка технологий по ее предотвращению.
