Повышенная опасность орбитального и космического мусора связана с тем, что он перемещается в околоземном пространстве с огромной скоростью — в среднем 10 — ь 15 километров в секунду. Поэтому даже частица, линейные размеры которой составляют лишь 1 сантиметр, может серьёзно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит в 20 раз быстрее пули. Для космического аппарата встретиться с такой частицей — всё равно что столкнуться с легковым автомобилем среднего класса, движущимся со скоростью 80 километров в час. И такие аварии случаются, хоть пока и нечасто. Зато «встречи» с более мелкими частицами происходят уже регулярно.
Обшивка возвратившихся из космоса летательных аппаратов оказывалась усеяна выбоинами и царапинами до сантиметра глубиной. 80 раз на «шаттлах» приходилось менять иллюминаторы. На доставленных на Землю солнечных батареях орбитального телескопа «Хаббл» было обнаружено немало царапин, вмятин и пробоин.
Особенно остро проблема безопасности стоит перед пилотируемыми космонавтами космическими станциями, поскольку сквозное повреждение КА может привести к гибели экипажа. Опыт эксплуатации международных космических станций (МКС) показал необходимость не реже раза в год совершать маневрирование, чтобы избежать опасного сближения с крупными объектами. Повышение безопасности станции можно при её компоновке, размещая жизненноважные агрегаты за второстепенными.
Наиболее эффективным средством защиты космонавтов считаются [20] защитные экранные конструкции. Один из таких экранов, изготовленный во Фрайбурге по заказу Европейского космического агентства для научно-исследовательского лабораторного модуля «Колумбус», показал свою эффективность.
Экраны разрабатываются, чтобы обеспечить безопасность космонавтов в ОКП, задерживая или отбрасывая частицы с линейными размерами до 2-х сантиметров и скоростями до 7 километров в секунду [36]. Они мыслятся состоящими из нескольких слоёв: снаружи — листовой алюминий, под ним — керамические и полиамидные волокна. Конечно, более массивный экран смог бы задерживать более крупные частицы и даже фрагменты мусора, но он должен удовлетворять довольно жёстким финансовым и геометрическим требованиям. Стоимость его доставки в космос не должна выходить за разумные пределы.
Рассматриваются и другие методы защиты от орбитального мусора: например, передвижной экран, который реагирует на сигнал, подаваемый системой автоматического обнаружения, и тотчас занимает «оборонительную» позицию.
Наиболее приемлемым с экономической и технической точек зрения, по нашему мнению, является разработка вариантов защитных экранов из «орбитального утиля». Речь идёт об использовании узлов и агрегатов орбитальных отходов — в первую очередь солнечных батарей спутников и орбитальных космических станций. Более подробно это предложение обсуждается в разделе 3. нашей книги.
Понятно, что использование экранов — это лишь частичное решение проблемы безопасности космических полётов. Однако, по мнению экспертов, технические средства радикальной очистки ОКП от хлама в обозримой перспективе созданы не будут. Более того, даже если с сегодняшнего дня вообще прекратить запуски в Космос каких бы то ни было новых аппаратов, всё равно мусора там год от года будет прибывать. Главный источник загрязнения — это случайные взрывы ракет-носителей и космических аппаратов: они дают до 80 % всех объектов орбитального мусора размером более 5-ти сантиметров [36]. Каждый год происходит в среднем 4 таких взрыва. Они объясняются наличием на борту источников и накопителей энергии — таких как компоненты топлива, аккумуляторные батареи, газовые баллоны и прочее. Между тем, каждый такой взрыв приводит к более значительному увеличению числа только наблюдаемых элементов космического мусора (а сколько ненаблюдаемых!), чем все запуски космических аппаратов за год.
Приведём по литературным данным наиболее перспективные методы очищения околоземного космического пространства от мусорных экскретов.
Аэрогелиевая тормозящая сфера
Сфера NERF диаметром 1,6 км, состоящая из сверхлегкого пористого материала (аэрогеля), по замыслу её создателей, должна принимать на себя удары частиц орбитального мусора и замедлять их. Таким образом происходит постепенное снижение скорости движения мусора, снижение его и очистка орбиты.
Достоинством этого проекта является возможность борьбы даже с самыми мелкими (менее 1 мм) частицами мусора. К тому же, аэрогель настолько лёгок, что отколовшиеся куски самого шара не способны повредить космические аппараты. Стоимость такого "мусоросборщика" относительно невелика — кусок аэрогеля, помещающийся на ладонь, стоит около 100 долл. Вся сфера NERF будет стоить всего около 1 млн долл.
Недостатком этого проекта признана малая эффективность сферы. Прежде всего, очистка с помощью аэрогеля займет много времени, поскольку крупные, — более 1 см, частицы будут «прошивать» шар насквозь, лишь незначительно снижая свою скорость. Крупные фрагменты орбитального мусора будут вырывать сквозные «туннели» в нём. Кроме того, сам шар сможет стать препятствием для движения спутников и орбитальных станций. Возникнет проблема его демонтажа и удаления из ОКП по окончании срока эксплуатации.
Лазерная «метла»
Перспективная технология очистки околоземного пространства от мелкой пыли открывается с использованием высокоэнергетических лазеров. Суть такой «уборки» заключается в нагреве частиц мусора лазерным лучом, в результате чего испаряется поверхностный слой вещества частицы и создаётся реактивная сила в направлении противоположном испарению. Современные лазеры производят от 100 импульсов в секунду, что позволяет создать достаточно большую совокупную тягу. Оценки показывают, что таким способом можно снизить высоты орбит частиц мусора до 200 км, после чего он начнёт активно снижаться.
Специалисты ВВС США рассчитали, что лазерная установка стоимостью около 200 млн долларов, размещённая в районе экватора, способна за два года очистить ОКП на высоту до 800 км. Ученые НАСА в настоящее время активно работают над лазерной "метлой", защищающей орбитальные космические станции от частиц космического мусора диаметром от 1 до 10 сантиметров. Как ранее говорилось, сегодня обшивка МКС способна выдержать удар мусора диаметром менее 1 см, а станции наблюдения на поверхности Земли могут предупредить космонавтов об опасности столкновения с мусором крупнее 10 см. Орбитальные объекты с размерами в этом интервале представляет смертельную опасность для обитателей станции. Разрабатываемый лазер должен закрыть эту брешь в защите. Предполагается, что лазерный испаритель будет автоматически наводиться на цель, разогревать частицу мусора и придавать ей импульс схода с орбиты станции.
Достоинством этого проекта является, пока чисто теоретически, возможности создания активной системы защиты космических аппаратов и высокой эффективности работы по очистке ОКП с поверхности Земли. Существуют и серьёзные технические проблемы, связанные со сложностью систем обнаружения, наведения и сопровождения малых объектов, движущихся с огромными скоростями.
Кроме того практическое воплощение этой идеи входит в противоречие с существующими международными договорами о запрещении размещения в космосе какого-либо оружия, включая лазерное. Проект наземного очищающего лазера формально может рассматриваться как противоспутниковое оружие.
Торможение орбитального объекта надувным шаром
Одним из стандартных элементов оборудования спутников в будущем может стать надувной шар GOLD. Это простое устройство представляет собой наполняемую газом оболочку и небольшой баллон с газом. В нерабочем состоянии GOLD занимает мало места, а в случае необходимости газ наполняет оболочку, и рядом со спутником надувается шар диаметром до нескольких сотен метров. Благодаря трению об атмосферу нашей планеты эта конструкция эффективно тормозит спутник, заставляет его снизиться и в конечном итоге сгореть в плотных слоях атмосферы.
Достоинство данной идеи в дешевизне и простоте реализации на любых космических аппаратах. Проект GOLD обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими аналогичными предложениями. Изготовление таких устройств недорого, эти устройства могут сразу встраиваться в верхние ступени ракет, препятствуя появлению новых единиц орбитального мусора. И, даже если оболочка воздушного шара будет повреждена осколками или частицами мусора, то её жесткости, по словам проектантов, должно хватить для успешного завершения основной функции устройства.
Однако есть и серьёзные недостатки в том, что воздушный шар уязвим для микрометеоритов и частиц пыли, не говоря уже об объектах большего размера. Кроме того, шар может представлять препятствия в нормальном функционировании КА.
Солнечный парус как тормозная система
Идея использования механического давления света была реализована НАСА посредством запуска на орбиту небольшого спутника NanoSail-D, оснащенного солнечным парусом. Спутник успешно испытал оборудование для развертывания тончайшего полимерного паруса, который продемонстрировал эффективность аэродинамического торможения в разреженной атмосфере на высоте 650 км. Инженерам НАСА удалось поместить парус площадью более 9 м2 и устройство для его развертывания в коробку размером с батон хлеба. Это достижение позволит в дальнейшем оснащать подобным тормозным «парашютом» практически любые спутники. Преимущества паруса заключаются в малом весе оборудования и возможности замедлять и улавливать микроскопические частицы мусора без особого ущерба для главной задачи — увода старого спутника с орбиты. Недостаток видится в невысокой надежности систем, разворачивающих парус; история космонавтики знает слишком много неудач в этой области.
Индукционное торможение магнитным полем Земли
Одним из самых перспективных способов увода отработавших спутников с орбиты признана система EDT, разработанная НАСА. Её работа базируется на принципе закона Ампера, утверждающего что на движущийся проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Устройство EDT представляет собой длинный гибкий электропроводящий кабель, на одном конце которого размещается груз, а на другом — спутник. При орбитальном движении система пересекает силовые линии магнитного поля Земли и испытывает воздействие силы, противоположной направлению движения электрического кабеля. Таким образом должно происходить торможение аппарата. С помощью EDT разработчики проекта обещают спустить спутник с высоты 1390 км до плотной атмосферы всего за 37 дней, тогда как без подобного вмешательства он провел бы на орбите Земли 9000 лет.
Полезным "побочным эффектом" использования EDT является генерация электрического тока, который может использоваться бортовой аппаратурой спутника, в том числе для сматывания и разматывания кабеля. Если космический аппарат с помощью собственного генератора (например солнечной панели) преодолеет наведенные токи в кабеле, то орбиту можно наоборот поднять. Таким образом, EDT может успешно заменить ракетный двигатель, в том числе на зондах, работающих на орбитах других планет. По расчётам специалистов НАСА, 20-км кабель сможет вырабатывать до 40 кВт электроэнергии, что достаточно даже для пилотируемых полётов.
Следует заметить, что широкое применение EDT осложняется отсутствием достаточной экспериментальной базы и некоторыми проблемами, связанными с колебаниями двух масс, которые порождают на электрическом кабеле механические вибрационные силы.
Орбитальная мусорная сеть для крупного мусора
Оборонное агентство DARPA работает над проектом большой электродинамической сети EDDE, способной собирать на низкой околоземной орбите фрагменты мусора тяжелее 2 кг. Осуществлять эту идею призван орбитальный «тральщик», представляющий собой группу небольших аппаратов и солнечных панелей общим весом около 100 кг. Каждый модуль EDDE имеет небольшую сеть весом 50 г. Она с помощью специального устройства способна захватывать небольшие объекты, движущиеся со скоростями 2–3 м/с относительно модуля. Планируется, что сеть EDDE будет запускаться в направлении скопления космического металлолома, разворачиваться и спускаться в направлении Земли.
Разработчики сети EDDE планируют её возможность активно маневрировать, обходя спутники и наводясь на новые цели, а захваченный орбитальный мусор в это время продолжит падение в плотную атмосферу.
Расчёты показали, что для удаления с низкой околоземной орбиты более чем 2400 объектов орбитального мусора или орбитальных отходов весом более 2 кг каждый, понадобится 12 сетей EDDE общим весом около 1 т.
По мнению разработчиков, за 7 лет 12 аппаратов EDDE способны полностью очистить ОКП от крупных кусков орбитального хлама. Первый полёт аппарата EDDE запланирован на 2013 год, а разворачивание всей группы должно начаться в 2017 году.
Безусловно, заявленный агентством DARPA проект поражает масштабом и размахом, однако его реализация в заявленные сроки, по нашему мнению, не реальна. При воплощении этого амбициозного проекта «в металл» и натурных экспериментах разработчиков ждут непреодолимые технические и финансовые трудности…
Более реалистичен и сравнительно дёшев проект запуска на орбиты ОКП пыли, тормозящей движение мусора. Американские учёные из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США предложили оригинальный способ удаления орбитального мусора [37]. Этот метод ориентирован на устранение обломков и частиц небольших размеров (до 10 см). Многочисленные частицы такого диаметра не менее опасны, чем крупные объекты: за маленькими фрагментами невозможно следить, а повреждения, наносимые ими, могут оказаться весьма серьёзными. Расчётное пространственное распределение этих обломков напоминает распределение 19 тысяч занесённых в каталоги массивных объектов, которые находятся на орбите Земли, но смещено на большую высоту.
Время жизни орбитального мусора растёт вместе с так называемым баллистическим коэффициентом В, определяемым как отношение массы объекта М к площади его эффективного сечения S и коэффициенту аэродинамического сопротивления движению Сх [38]:
В = М/ CxS,
где S = (I·d) 2 — среднегеометрическое значение площади неориентированного осколка;
I, d — длина и ширина мусорного фрагмента.
Известно, что фрагменты и частицы орбитального мусора со значениями баллистического коэффициента В от 3 кг/м2 до 5 кг/м2 скапливаются на высотах около 1000 км над Землёй и могут находиться там веками. Если эти объекты находятся ниже 900 км, где сопротивление среды заметно возрастает, максимальное время их жизни сокращается до 25 лет [37].
Таким образом, суть задачи освобождения от орбитального мелкофракционного мусора сводится к уменьшению высот его полёта до 900 км и ниже. Дальнейшее его «провисание» будет происходить естественным путём ускоренным темпом. Проблема может быть решена путём увеличения сопротивления движению этих частиц на орбитах.
Авторы предлагают использовать для этого вольфрамовые пылевые частицы диаметром 2(А50 мкм, доставленные на квазикруговую полярную орбиту, которая также будет сокращаться за счёт сопротивления среды. Скорость этого процесса зависит от размеров и плотности частиц. Её можно контролировать, если тщательно спланировать траектории орбитального мусора и траектории воздействующей на него металлической пыли. При использовании вольфрамовых мелкодисперсных частиц, по расчётам авторов предложения, эти объекты будут снижаться синхронно. Синхронизация даст возможность уменьшить толщину пылевого слоя AR (см. ниже приведённую схему), которая необходима для очистки требуемого интервала высот 5R.
По расчётам исследователей, для перевода небольших обломков с орбиты высотой 1100 км на 900-километровую понадобится слой 30-микрометровой вольфрамовой пыли толщиной в 30 км и общей массой "всего" в 20 тонн. Процесс искусственного снижения мусора при этом растянется на 10 лет.
Микроскопические пылевые частицы, как уверяют авторы проекта, не будут угрожать работе спутников. Поскольку микрометеориты космического мусора ежедневно доставляют огромные объёмы пыли к Земле, дополнительные 20 тонн вольфрамовой пыли не нарушат установившегося природного равновесия.
Предложенный способ очищения ОКП от мусорных орбитальных экскретов достоин внимания, однако он совершенно не проработан технически и имеет немало «подводных камней». В качестве замечаний к нему следует указать на неопределённость вопросов доставки и распыления металлической пыли на заданных высотах. Как можно сформировать в условиях невесомости равномерный пылевой слой? Не возникнет ли при распылении частиц облако неопределённой конфигурации и нерегулируемых размеров? Как привнесённая в ОКП пыль может повлиять на прохождение солнечной радиации к Земле и не окажет ли она негативного экранирующего воздействия на теплообмен, а значит и на климат планеты?
Кроме технических проблем и вопросов следует иметь в виду международный характер такой акции, затрагивающей интересы всего человечества. Поэтому необходимо проведение обсуждения этой проблемы научным международным сообществом.
Кстати, такие обсуждения должны предварять и любые другие активные вмешательства в ОКП, которые могут иметь непредсказуемые последствия для биосферы планеты.
Буксировка орбитальных экскретов на «космическое кладбище» и за пределы ОКП
Ни в околоземном космическом пространстве, ни в Космосе нет межгосударственных границ, поэтому долгое время космические державы размещали свои спутники там, где считали нужным. В результате «ёмкость» удобных орбит уже сегодня практически исчерпана. На низких околоземных орбитах, то есть на высотах до двух тысяч километров, сегодня находятся несколько сотен активных и более двух с половиной тысяч уже не действующих спутников, и численность этой летающей орбитальной свалки стремительно растёт. Ещё хуже обстоят дела на геостационарной орбите, расположенной на высоте ~ 36 тысяч километров. Её главное достоинство в том, что находящиеся на ней спутники неподвижны относительно Земли. Это позволяет вести с них наблюдение и обеспечивать надёжную связь на территории, превышающей 90 % земной поверхности.
Обычно спутник — например, спутник связи, — используется от пяти до десяти лет. Потом он технологически и физически устаревает, и ему на смену запускают новый. Сегодня 95 % спутников — попросту металлолом, и этот хлам способен захламлять ОКП веками. Время орбитального существования экскретных объектов Т0 в космическом пространстве очень велико. На геостационарной орбите Т0 может достигать миллионов лет, на низких околоземных орбитах Т0 оценивается от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.
Из-за «перенаселённости» некоторых орбит возникают аварийные ситуации. По расчётам специалистов, при такой тесноте на геостационарной орбите высока вероятность возникновения так называемого «каскадного эффекта», то есть цепи последовательных столкновений, способных привести не только к разрушению действующих космических аппаратов, но и к образованию огромного количества мелкого мусора. Чтобы предотвратить перенасыщение геостационарной орбиты орбитальными экскретами, ООН объявила её «ограниченным природным ресурсом». Теперь места там «выдаются» строго по заявкам претендующих на это стран.
Чтобы решить проблему дефицита места на геостационарной орбите, на международном уровне было предложено уводить вышедшие из строя спутники на так называемую «орбиту захоронения», расположенную на высотах в 200–300 километров выше рабочей орбиты.
Проблема такого очищения загруженной орбиты в необходимости дополнительного топлива для транспортировки спутника на «орбиту захоронения».
Это дорогое «удовольствие» — доставка каждого килограмма груза в ОКП обходится в десятки тысяч долларов. Никакое государство не хочет нести эти дополнительные расходы. Поэтому сегодня лишь треть отслуживших свой срок спутников уводятся на «орбиту захоронения», весь прочий металлолом остаётся на геостационарной орбите, угрожая безопасности исправных спутников.
Что же касается более низких орбит, то очистить их от вышедших из строя космических аппаратов в принципе возможно путём использования остатков неизрасходованного топлива для перевода спутников на траекторию снижения. Можно применить другие устройства и методы для торможения космических аппаратов и их скорейшего вхождения в плотные слои атмосферы. Вот только сгорают они там, к сожалению, не всегда.
Опыт последних лет показал, что крупные объекты вроде орбитальных станций сгорали при входе в атмосферу лишь на 60–90 процентов. Остальная часть их конструкций развалилось на множество фрагментов, которые рассеивались на площадях в несколько тысяч квадратных километров. Несколько раз дело чуть было не дошло до радиоактивного заражения местности. Случаи падения космических аппаратов с ядерными источниками энергии — двух советских и одного американского — имели место в период выполнения соответствующих программ и были связаны с аварийными ситуациями.
Наиболее радикальным средством освобождения ОКП от орбитальных отходов и мусора, безусловно, было бы удаление этих экскретов за пределы околоземного пространства. Такие способы активно обсуждаются мировым научным сообществом, но практическое их воплощение, по-видимому, дело далёкого будущего. Более подробно о возможности удаления орбитальных экскретов, в том числе и содержащих радиоактивные отходы, за пределы ОКП, обсуждается в разделе 3. нашей книги.
В заключение этого раздела книги отметим, что дорогостоящая уборка орбитального мусора потеряет смысл, если Человечество продолжит бездумно загрязнять ОКП. Осознание этого факта постепенно овладевает умами. В частности, поэтому космические державы подписали соглашения, согласно которым они обязуются принять меры по уводу отработавших свой срок КА с околоземных орбит. Однако сход с орбиты требует большого количества топлива, которое могло бы использоваться для продления срока службы спутников. В связи с этим учёные активно ищут доступные способы освобождения ОКП от отработавших спутников и космических станций.
Анализ существующих на сегодняшний день проектов показал, что эффективное и малозатратное очищение околоземного космического пространства в настоящее время не представляется возможным ни технически, ни экономически. Все совместные усилия стран— разработчиков РКТ должны быть направлены на то, чтобы меньше мусорить. Для этого необходимо:
— предотвращать самопроизвольные взрывы в космосе, то есть избавляться от остатков топлива при завершении работы космического аппарата;
— сократить срок пребывания в ОКП отработавших орбитальных объектов до 25 лет;
— запретить преднамеренные разрушения космических объектов, находящихся на орбите (такие работы производятся иногда для предотвращения падений крупных несгоревших частей космического объекта на населённые районы планеты);
— в обязательном порядке уводить отработавшие свой срок спутники с широко используемых заселённых орбит на более высокие или мало используемые орбиты (на «кладбища орбитальных отходов»).
Процесс цивилизованного становления космической отрасли весьма проблематичен и связан с огромными материальными затратами, но ему не существует альтернативы. Благодаря совместным усилиям ведущих космических держав проблема орбитального мусора будет успешно решаться, а безопасность космических полетов — неуклонно повышаться.
Что же касается проблемы космического мусора в целом, то бороться с ним надо так же, как и с мусором на Земле: не допускать его возникновения. И так же, как на Земле, это связано со значительными расходами. Но другого пути нет — в этом все участники ракетно-космической деятельности единодушны.