Проблема засорения околоземного космического пространства техногенным орбитальным мусором как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов прошлого века. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г. [24]. В докладе особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны, прямо или косвенно участвующие в его освоении.

Орбитальный техногенный мусор, определяется как не утилизируемые обломки летательных аппаратов ракетно-космической техники, а также вспомогательных приборов или механизмов, их разрушенные детали и фрагменты, находящиеся в ОКП и на входе в плотные слои атмосферы. Он является наряду с орбитальным космическим мусором составной частью обширного класса экскретов «Орбитального мусора» (см. схему раздела 2.).

Говоря о распределении искусственного орбитального мусора в околоземном пространстве, можно отметить его преимущественное нахождение в зонах наиболее заселённых орбит. Такими зонами признаны: геостационарные орбиты на высотах около 40 тысяч км от поверхности Земли и орбиты на высотах 800 ч— 1 ()()() км. Можно ещё отметить зону пилотируемых полётов на высотах около 300 км и солнечно-синхронные орбиты.

Объекты орбитального мусора, в отличие от орбитальных отходов, не могут быть экономически выгодно утилизированы и поэтому должны уничтожаться — самопроизвольно (сгорая в атмосфере) или принудительно с использованием технических средств и устройств.

Количество орбитальных экскретов в виде отходов, отбросов и космического мусора неуклонно растёт. В настоящее время более 22 тысяч крупных фрагментов и множество мелких летает вокруг Земли со скоростями порядка 10 километров в секунду и выше. Когда космическое оборудование на летательных аппаратах завершает свою миссию, оно становится орбитальным мусором или отходом в зависимости от его положения на орбите и от возможности быть утилизированным.

Рис. 4.1. Схема входа тела в плотные слои атмосферы

Мусорные объекты на участке входа в плотные слои атмосферы также могут представлять опасность столкновений для взлетающей ракетной техники. Их траектории спуска и торможения рассчитать чрезвычайно сложно из-за постоянно меняющихся параметров атмосферы, геометрических и динамических характеристик движущихся тел.

Эволюция орбиты спутника или элементов орбитального мусора и время их существования определяется, в основном, естественными возмущениями: гравитационным полем Земли и его несферичностью, гравитационным воздействием Луны и Солнца, давлением солнечной радиации и тормозящим действием атмосферы. Вследствие торможения объект постепенно (по спирали) входит в более плотные нижние слои атмосферы, где в конце концов из-за трения и сгорает.

Рассмотрим особенности спуска в плотную атмосферу тел на примере искусственного спутника Земли (ИСЗ). В процессе спуска сопротивление атмосферы Земли вызывает уменьшение большой полуоси орбиты ИСЗ, в результате чего он по спирали снижается к Земле. При достижении высоты около 160 км спутник сможет сделать всего пару оборотов и сгорит в атмосфере, войдя в резкий и необратимый спуск.

Время жизни спутника определяется физическими характеристиками атмосферы, активностью Солнца, а также эксцентриситетом его орбиты и размером её большой полуоси. Теоретически этот параметр предсказать можно только с большой ошибкой. В таблице ниже представлены времена жизни типичного ИСЗ на завершающем этапе его существования для разных значений его траекторных параметров: перигея и апогея [26].

Таблица № 2.3.1.

Время существования ИСЗ массой 100 кг и диаметром 1 м, сутки

Из таблицы видно, что и высоты апогея и перигея сильно влияют на время существования Т0 орбитального объекта. Например, увеличение высоты перигея в 2 раза приводит к почти пятидесятикратному росту Т0 для траекторий с низким апогеем и более чем к восьмидесятикратному увеличению Т0 для траекторий с высоким апогеем. Указанные в таблице значения параметра Т0 имеют большую погрешность из-за неопределенностей в значениях геометрии спускаемого объекта, его ориентации в полёте и вариациях изменения плотности воздуха с высотой.

От характеристик входа в плотные слои атмосферы зависит не только время существования тела, но и вероятность его сгорания в атмосфере. При больших углах входа в атмосферу время пребывания объекта в ней относительно мало, и тело может не успеть разогреться до высоких температур; при пологих траекториях объекты постепенно разогреваются потоком до температур плавления их материалов, оплавляются и сгорают.

Рис. 4.2. Схема захоронения геостационарных спутников и других объектов орбитального мусора

Увеличение скорости входа однозначно ускоряет нагрев и плавление тела и уменьшает время пребывания объекта в атмосфере. Таким образом, вероятность долететь до поверхности Земли более высока у относительно медленных тел с крутой траекторией полёта. Уменьшая начальный угол входа в плотную атмосферу, можно добиться более полного сгорания орбитального мусора.

Следует иметь в виду, что в некоторых случаях крупные объекты техногенного мусора, а также объекты, содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы, могут представлять прямую ударную или радиационную опасность для обитателей Земли. При их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоёв атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п. случаются жертвы.

Как указывалось выше, низкоскоростные и низкотраекторные (с высотами полёта Н < 200 км) объекты, попавшие в соотносительно плотные слои атмосферы и, как правило, сгорающие в ней, определяются как орбитальный мусор. Очевидно, так же должны квалифицироваться и высокоскоростные объекты, выводимые за пределы геостационарных орбит (Н > 36200 км). Времена «жизни» этих тел превышают тысячелетия, и они могут считаться выброшенными на орбитальную свалку экскретами (см. схему Рис. 4.2.).

Орбиты захоронения — отдельный класс орбит ИСЗ, специально предназначенный для увода на них спутников, вышедших из строя для уменьшения вероятности столкновения с работающими спутниками и для освобождения места новым ИСЗ. Для геостационарных спутников (ГСС) орбитой захоронения считается орбита, на 200 км выше самой орбиты ГСС.

Для каждого геостационарного спутника орбита захоронения рассчитывается отдельно, причём минимальный перигей ДН равен [27]:

ΔН (км) = 235 + 1000 S CR/m,

где

“CR” — коэффициент давления света,

“S” — площадь эффективного сечения ИСЗ, [S]= м2,

“m” — его масса. [m]=кг.

Низкоорбитальные спутники с ядерными реакторами на борту имеют высоты орбит захоронения порядка 1000 км, куда переводится активная зона ядерного реактора после окончания ее работы [28].

Для оценки засорённости околоземного космического пространства техногенным мусором как экскретом можно выделить несколько типов объектов искусственного происхождения. Орбитальный техногенный мусор в них различается по своему происхождению, составу и по функциональному назначению (см. Рис. 2.3.7). Надо иметь в виду, что приведённые на этом рисунке данные имеют приблизительный характер и доля отдельных компонент в общей их массе заметно меняется год от года.

Рис. 4.3. Состав орбитального техногенного мусора

Как следует из рисунка 4.3. орбитальный техногенный мусор неоднороден по своему составу. Как уже отмечалось, в это понятие включены и сравнительно большие конструкции в виде отработавших свой срок и невостребованных КА, и достаточно малые частицы, например осколки от лакокрасочных покрытий с размерами в десятые и сотые доли миллиметра. Почти половину орбитального мусора приходится на фрагментированную его часть.

Размер частиц орбитального мусора является определяющим фактором при их наблюдениях. Современный уровень развития системы слежения за объектами в ОКП позволяет надёжно регистрировать движение только сравнительно крупных фрагментов с размерами поперечника более 10 см. Таких фрагментов в настоящее время сосредоточено на «оживлённых» околоземных орбитах (до высот ~ 2000 км над поверхностью Земли) порядка 7500–8000 шт. Это так называемая наблюдаемая группировка орбитального мусора.

Столкновение КА с фрагментами из наблюдаемой группировки несомненно и практически достоверно приводят к выходу КА из строя из-за громадных, до удвоенной первой космической, то есть до 15 км/с, скоростей соударения и из-за больших размеров фрагментов. Однако столкновение КА с наблюдаемыми фрагментами можно предсказать и предотвратить изменением траектории аппарата. Наблюдаемая группировка частиц, хотя и является многочисленной и опасной, устранима при надёжной работе системы контроля космического пространства.

Самую богатую историю "обстрелов" накопили американские шаттлы. Наиболее известен случай, который произошел в 2006 году с шаттлом Atlantis, когда небольшая частица космического мусора пробила панель радиатора, одну стенку грузового отсека и застряла в противоположной. В следующем году дыру в несколько сантиметров получил и шаттл Endeavour.

В настоящее время космонавтам остаётся только надеяться, что мусорный "снаряд" не выведет из строя жизненно важные системы корабля и не убьёт экипаж. Однако очевидно, что с выходом в космос коммерческих пилотируемых кораблей и предполагаемого увеличения "заселённости" околоземного пространства, одной надежды мало.

Серьезную опасность представляют не только крупные, но и микроскопические частицы мусора. Однажды стекло кабины шаттла было серьезно повреждено кусочком краски размером менее 0,3 мм! Нельзя не учитывать, что на космических скоростях даже такие, вроде бы пренебрежительно малые, частицы становятся настоящими пулями, способными убить космонавта в скафандре или вывести из строя внешнее оборудование космического корабля. К слову, во время осмотра астронавтами солнечных панелей телескопа Хаббл, были найдены тысячи следов ударов микрометеоритов. О количестве мелкого мусора на околоземной орбите красноречиво говорит тот факт, что стекла шаттлов в течение службы телескопа меняли около 80 раз.

Орбитальный техногенный мусор в составе спутников связи, ступеней ракет, даже старые космические станции и мелкие обломки ЛА и вспомогательных механизмов опасны не только на орбитах, но и на пути запускаемых на орбиту ракет. Из-за этого растёт риск космических аварий. Чем больше спутников мы запускаем, тем больше будет орбитальная свалка, причём количество мусора достигло опасного уровня, при котором обломки спутников будут сталкиваться между собой и создавать крайне неприятную ситуацию для выхода в космос. Кроме того, в последнее время участились столкновения зондов с пролетающими самолетами, что порождает множество техногенного мусора.

Орбитальный мусор представляет опасность не только объектам освоения ОКП, но и землянам. Были случаи, когда несгоревший орбитальный мусор ранил и людей. Например, по сообщениям средств массовой информации в 1997 году обломок 2-й ступени ракеты-носителя Delta ранил женщину в плечо.

Количество мусора в околоземном космическом пространстве постоянно увеличивается и в перспективе угрожает самой возможности освоения Космоса человеком. Пока что надёжных работающих технологий избавления от него нет; появятся ли они в будущем — покажет время.