Лауреат премии Правительства Москвы молодым ученым 2021 года в номинации «Математика, механика и информатика» кандидат физико-математических наук Дмитрий Гришко из МГТУ имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) рассказал о своих исследованиях в области прикладной небесной механики, обеспечивающих эффективное улучшение экологии ближнего космоса, занятиях в свободное время и многом другом.
- Почему именно экология космоса? Как пришла идея таких научных исследований?
- Когда я был еще студентом МГТУ имени Н.Э. Баумана, мой научный руководитель Андрей Анатольевич Баранов - ныне главный научный сотрудник Института прикладной математики имени М.В. Келдыша Российской академии наук - предложил в качестве темы будущего диплома выбрать направление, связанное с крупным космическим мусором. Под этим термином понимаются ракетные ступени, разгонные блоки и нефункционирующие спутники, которые оставлены на высотах, где практически нет атмосферы. Поэтому эти объекты будут обращаться вокруг Земли не одну сотню и даже не одну тысячу лет. Я стал заниматься этой темой, она переросла в диссертацию, многое было сделано в тесном сотрудничестве с Андреем Анатольевичем уже после защиты, сейчас продолжаем совместно работать.
С крупными объектами космического мусора (ОКМ) связаны две опасности. Во-первых, траектория движения их центра масс является неуправляемой, хотя и известной. Но неточности в измерении параметров орбит могут привести к ситуации, когда расчётные минимальные расстояния между двумя такими объектами в 30 метров и 100 метров приводят к примерно одинаковой вероятности столкновения. Наглядным примером является столкновение старого спутника «Космос» с функционирующим космическим аппаратом «Iridium» в 2009 году - использованные для восстановления картины произошедшего данные NORAD показали, что расчётное расстояние между ними было 584 метра. В результате «встречи» образовалось примерно 1800 наблюдаемых фрагментов (то есть с характерным размером более 10 см). Во-вторых, объекты, оставленные на орбите до середины 2000-х годов, не проходили процедуру так называемой пассивации, которая предусматривает сброс внутреннего давления, открытие клапанов с топливом и другими жидкостями, отключение аккумуляторных батарей. В результате с 1961 года зафиксировано более 200 саморазрушений, сопровождаемых взрывом и появлением новых десятков и сотен фрагментов за раз. К чему всё это ведёт? К около 18 тысяч зарегистрированных ОКМ в околоземном пространстве на сегодняшний день, из которых около 13 тысяч - фрагменты. Международная космическая станция, кстати говоря, несколько раз в год вынуждена выполнять так называемые манёвры уклонения из-за близких сближений с опасными объектами.
Давно известно, что случайные столкновения ОКМ с действующими спутниками и друг с другом могут вызвать каскадный эффект роста численности фрагментов (синдром Кесслера). Поэтому наравне с превентивными мерами недопущения столкновений необходимо уводить крупные пассивные объекты - источники фрагментов - на орбиты захоронения. В случае рабочих высот до 2000 км увод выполняется «вниз» к Земле на такие орбиты, на которых объект за 25 лет опустится в плотные слои атмосферы и перестанет существовать. Если же речь идёт о геостационарных спутниках (высота примерно 36 000 км), то их уводят не менее чем на 235-250 км выше рабочей высоты.
Таким образом, нельзя игнорировать проблему, когда людям «на голову» падают не сгоревшие полностью металлические изделия или когда космический аппарат выводится из строя одним случайно оказавшимся рядом фрагментом с относительной скоростью сближения 8-14 км/с.
- В чем суть ваших исследований?
- Представьте, что есть специальный космический аппарат, который сможет облетать интересующие нас крупные ОКМ (мы рассматривали в первую очередь ступени и разгонные блоки) с целью их увода на орбиту захоронения. На высотах до 2000 км такие объекты удобно группировать по углу наклона плоскости их орбит к экватору, при этом и высоты тоже оказываются близкими. Например, в интервале высот 650-1000 км мы выделили 5 групп таких объектов с общим количеством в 160 ступеней. Однако, несмотря на одинаковое наклонение, плоскости орбит в рамках каждой группы не совпадают - простая аналогия с земными меридианами: все их плоскости расположены под прямым углом к экватору, но разнесены по долготе. Среднее отличие между плоскостями орбит ОКМ в нашем случае составляет 5-15 градусов. Цена поворота плоскости за счёт тяги двигателя на 1 градус в этом регионе пространства - около 130 м/с (примерно столько нужно космическому кораблю «Союз», чтобы с орбиты выведения доставить космонавтов на Международную космическую станцию). То есть, если перелётов несколько, а требуемые коррекции плоскости - хотя бы несколько градусов, миссия невозможна по причине нехватки топлива, причём ни для существующих, ни для перспективных образцов космической техники.
Мы разработали и реализовали другой принцип облётных схем. Скажем так: кто нам мешает (гравитация), тот нам и поможет. Из-за того, что Земля больше напоминает и по форме, и по распределению массы эллипсоид, то плоскость орбиты на низких высотах начинает дрейфовать по долготе, а в случае с геостационарными пассивными объектами - из-за Луны ещё и совершает колебания с размахом 15 градусов по наклонению. Если использовать эти эффекты для решения задачи многовитковой встречи - ввести специально формируемую орбиту ожидания - то на низких высотах требуются в среднем в 10 раз (!) меньшие затраты характеристической скорости на исполнение манёвров. Ясность со схемами облёта объектов позволяет получить дальнейшую определённость в проектировании космической миссии: сколько нужно космических аппаратов-сборщиков, какой вариант увода более выгоден - при помощи отделяемых двигательных модулей, которые устанавливаются на уводимом объекте, или буксировка объекта самим космическим аппаратом? Если вариант с модулями - сколько их рационально расположить на борту аппарата? Сможет ли современная ракета-носитель вывести эту систему? Мы сумели получить ответы на все эти вопросы и доказали, что сегодня такие проекты реализуемы в части необходимой энергетики полёта. Полученные решения охватывают оба высотных региона, отличаются оригинальностью. Например, по сравнению с одной качественной зарубежной работой мы сумели получить для солнечно-синхронных орбит 4 требуемых аппарата на 46 объектов вместо 7 аппаратов для увода 35 объектов, то есть примерно в 2 раза лучшее решение - и только за счёт использования естественных возмущений.
- Аналогичные исследования популярны в мире? Есть ли у них практическая перспектива?
- Ещё как. Мы, можно сказать, начали с опозданием примерно в 5 лет. Эта тематика в теоретическом плане особенно сильна, насколько нам известно, в структурах CNES (космическое агентство Франции). Специалисты оттуда также предлагали использовать дрейф плоскости орбиты. Но соединить этот эффект с решением задачи встречи не так уж и просто, поэтому здесь, конечно, существенную роль сыграл задел, созданный моим научным руководителем. Ну а в практическом смысле - последние три года наблюдается интенсивная апробация технологий увода пассивных объектов - основная техническая сложность там заключается в оценке вектора угловой скорости объекта и в его безопасном захвате. Над этой задачей, в частности, работали специалисты миссии Remove Debris (2018, SSTL). Миссии MEV-1 и MEV-2 продемонстрировали возможность продления ресурса геостационарных спутников, у которых закончилось топливо, на несколько лет. К 2024 году компания NorthRop Grumman (США) планирует запустить уже платформу обслуживания с отделяемыми модулями. Говоря об этой частной компании, следует понимать, что она субсидируется государством. В этом году демонстрационный полёт выполнила японская компания Astroscale (миссия ELSA-d), следующим её шагом обозначен аппарат для увода нескольких объектов на низких орбитах. На днях появилась информация об испытаниях аналогичного спутника-буксира Китаем. Важно отметить, что мы видим результат развития технологий, над которыми за рубежом стали работать ещё 15-20 лет назад.
- Есть ли внимание со стороны коллег к вашим исследованиям?
- К большому сожалению, пока нет серьёзных аналогов именно этим исследованиям у нас в стране. В Омске под руководством профессора В.И. Трушлякова разрабатывается проект по захвату ступени при помощи автономного отделяемого модуля на тросе, но там один полёт - одна цель, что очень затратно. Близкими вопросами бесконтактной буксировки объектов с использованием электромагнитного воздействия, тросовыми системами активно занимаются в Самарском университете и в ИКИ РАН. Много делается для каталогизации и сопровождения крупных ОКМ (сеть оптических телескопов ISON и система ММТ-9), имеются качественные модели распределения мелких, ненаблюдаемых фрагментов мусора (например, разработанная А.И. Назаренко). Надо сказать, что мы рассматривали космические аппараты с жидкостным ракетным двигателем, но аппараты с так называемой малой тягой могут оказаться более эффективными. Этот вопрос малоизучен, хотя в МАИ есть сильная школа по оптимизации таких траекторий.
Что касается международного уровня, то Андрей Анатольевич недавно стал действительным членом Международной академии астронавтики, а я - членом двух технических комитетов при этой структуре. В 2020 вышла книга «Space Debris Peril: Pathways to Opportunities», в которой есть и наша глава, а в 2021 году была совместная статья 11 независимых исследовательских групп из ведущих космических центров по вопросу приоритетности увода объектов.
Все ведущие специалисты по теме понимают, что характерной особенностью монотонно растущего техногенного загрязнения околоземного пространства является его глобальный и интернациональный характер. Недостаток внимания к этой проблеме в течение первых 50 «космических» лет привёл к тому, что человечество вынуждено будет применять активные меры, если мы хотим сохранить ресурс ближнего космоса, пользоваться навигацией и спутниковыми снимками.
Радует, что наши результаты подхватили коллеги (в том числе студенты и аспиранты) с кафедры «Аэрокосмические системы» под руководством профессора Г.А.Щеглова, что позволило перейти к проектным работам: прорисовке облика и компоновки активного космического аппарата-сборщика, разработке многозвенного стыковочного манипулятора, отделяемых модулей, оценке стартовой массы всей этой системы. Поэтому наши исследования в прикладной небесной механике получили дальнейшее развитие уже в рамках целого мультидисциплинарного проекта.
Несмотря на успехи в теоретических исследованиях, мы отстаём от ряда стран в создании реального космического аппарата, который мог бы схватить неуправляемый крупный объект и переместить его на другую орбиту. А это не просто задача очистки орбит от космического мусора, это право голоса при обсуждении проблем и при выработке правил космического траффика. Задачи у нас серьезные, работы много, все впереди.
Надо сказать, что контакты с иностранными коллегами не ограничены, так как мы работаем по открытой тематике. Крупнейшим местом встречи для специалистов по космосу является Международный астронавтический конгресс, который проходит каждый год в разных странах и собирает в последние годы 5-6 тысяч человек: руководителей космических агентств, космонавтов, ученых, инженеров, аспирантов, студентов. Кстати, «Роскосмос» сейчас впервые подал заявку на его проведение в России в 2025 году. Будет здорово, если они победят в конкурсном отборе претендентов.
Ценность этих контактов очень велика: обмен опытом, идеями, совместные исследования и публикации, ну и практика языка, конечно. Со временем мы начинаем приглашать коллег для участия в наших конференциях, что способствует распространению знаний. Например, кафедра «Теоретическая механика» имени профессора Н.Е. Жуковского, где я работаю по основной должности, ежегодно проводит конференцию «Фундаментальные и прикладные задачи механики (FAPM)», на которой с 2017 года обязательно есть приглашённые доклады, в том числе по указанной проблеме.
- Расскажите какие-нибудь запомнившиеся случаи, связанные с научной работой.
- При работе с первыми тремя группами ОКМ на низких орбитах вместо времени в качестве аргумента функций было взято количество витков вокруг Земли. Для одного объекта эти понятия в целом эквивалентны, но одно и то же количество витков для разных высот будет означать разную продолжительность полёта. В первых трёх группах высоты орбит почти одинаковые, а вот при работе с солнечно-синхронными орбитами эти нестыковки проявились: аналитическое приближение не сходилось с численным прогнозом. Пришлось всё остановить и пересчитывать первые три группы. К счастью из-за близких высот результаты практически не поменялись. Но вывод очевидный: внимательность, аккуратность, и вообще не нужно торопиться.
- Чем занимаетесь в свободное от науки время?
- Пытаюсь вырастить обычные цитрусовые из косточки. Всходят, а дальше через год-два погибают. Сейчас третье поколение (пока самое успешное) держу на работе - там подоконник шире, от радиатора отопления далеко и света больше. Наверное, терпение и настойчивость и тут важны. А еще с дошкольных лет читаю историческую литературу, когда-то была даже мысль на исторический факультет поступать. Очень интересно смотреть кадры кинохроники. Помню, с большим интересом на работе в перерыве смотрели «раскрашенные» кадры 1910 года с Тверской улицы. Больше всего поразило, как спокойно, даже можно сказать с достоинством, ходят люди. Люблю путешествовать по разным городам и странам. Наблюдать, сравнивать, как люди живут в разных местах планеты, очень полезно.
- Раннее увлечение наукой – это отсутствие беззаботного детства или это хорошее взросление?
- Всему своё время. У ребёнка должно быть детство, но это не значит, что не нужно его заинтересовывать искусством, техникой или спортом. Главное, чтобы эти занятия не отвлекали от основной учёбы. Я, например, в театре школьном играл - мне это очень нравилось. В университете всем студентам говорю, что первые два года надо поучиться, привыкнуть, а потом можно и дополнительно чем-то заняться. Что касается именно научной деятельности, то всё-таки нужна база, и знание иностранных языков не помешает. Когда я впервые познакомился с А.А. Барановым осенью 2010 года, он мне дал почитать свою монографию, но на 3 курсе она «не пошла» - слишком много нового. В любую деятельность нужно входить постепенно. Это касается и школьников: в старших классах полезным является индивидуальный проект. В нём вряд ли будет какая-то новизна, но школьник учится собирать, анализировать, структурировать и оформлять материал, учится применять полученные знания для конкретных расчётов, которые не пропишешь в учебнике. Такой опыт безусловно полезен.
- Со школьниками занимаетесь, например, с учащимися проекта «Инженерный класс в московской школе»?
- Да, со школьниками работаю достаточно много и давно. Еще в ранние студенческие годы я пришёл в Молодёжный космический центр к Вере Ивановне Майоровой и вот до сих пор там работаю. В центре помимо научных исследований и разработок регулярно проводятся тематические экскурсии и лекции, лабораторные работы и практикумы, в том числе для ребят, которые учатся в инженерных классах. У нас, например, есть тематические расчётные лабораторные работы, через которые с весны 2016 года прошло более 70 групп школьников 8-11 класса со средней численностью 14 человек в каждой группе. Отличительная особенность этих работ заключается в том, что или используются чисто школьные знания, но на новой тематической «подложке», или мы слегка уходим от школьной программы (например, геометрия на сфере), но всё излагается доступно с практическим приложением. В университете много лабораторий натурного и математического моделирования, широкий спектр направлений подготовки, поэтому ребятам здесь интересно. Важно только, чтобы доносимая информация была адаптированной под школьника, иначе будет отторжение.
- Премия правительства Москвы серьёзное признание научной деятельности. Насколько значимой для вас стала такая победа?
- Это действительно очень мощный стимул к дальнейшей работе. Просто представляю, сколько было достойных претендентов по такому «классическому» направлению, как «Математика, механика, информатика», каким большим был конкурс. Кроме того, это ведь мотивация не только для меня, но и для моих более молодых коллег из МГТУ имени Н.Э. Баумана и всех студентов, с которыми я ранее общался и у которых веду занятия сейчас.
- Посоветуйте книги начинающим исследователям космоса и скажите несколько слов как напутствие.
- Как выпускник кафедры баллистики советую всем юным исследователям прочитать книги Жюля Верна, конечно. Как без этого на Луну попасть или географию освоить? Хотя и другую художественную литературу тоже не нужно обходить вниманием. Классику нужно знать.
В качестве напутствия ребятам лучше всего подойдёт строчка из гимна Бауманского университета: «Мужество, воля, упорство и труд!».
Премии Правительства Москвы вручаются ежегодно за достижение выдающихся результатов фундаментальных и прикладных научных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук и за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ. Участие в конкурсе на ее соискание могут принимать исследователи как индивидуально, так и в составе научного коллектива.
Фото из личного архива Дмитрия Гришко
Беседовала Елена Устинова
