Обломки прошлых миссий: угроза космического мусора

64 года назад, 12 апреля 1961 г. в космос отправился первый человек ― Ю.А. Гагарин. До его полета на орбиту Земли запускали первые искусственные спутники и животных. Так с освоением космоса началась и эпоха его засорения: менее угрожающая на первых порах, но создающая риски сегодня.  

За 60 с лишним лет развития космонавтики в околоземном пространстве на низких (до 2 тыс. км) и на более высоких орбитах, например геостационарной (около 36 тыс. км), скопилось огромное количество фрагментов мусора: около 40 тыс. достаточно крупных, размером от 10 см, порядка 1 млн сантиметровых фрагментов и 130 млн совсем крошечных, миллиметровых. Но и такие мелкие осколки способны испортить оптику спутников или повредить солнечные панели ― уж очень высокая у них скорость. Десять лет назад семимиллиметровый кусочек краски оставил трещину на иллюминаторе модуля Cupolа на Международной космической станции.

Проблема в том, что отслеживается только малая доля орбитального мусора ― это лишь самые крупные фрагменты и мертвые (уже не действующие) аппараты. Отслеживать ― значит постоянно наблюдать космическое тело, уточнять его орбиту, прогнозировать его движение и возможные столкновения, чтобы скорректировать орбиты действующих аппаратов. Около 6,5 тыс. спутников Starlink, например, совершают в год десятки тысяч маневров уклонения, а МКС, как говорил в ноябре 2024 г. бывший глава «Роскосмоса» Юрий Иванович Борисов, меняет орбиту несколько раз в год, снижая риск столкновения.

Для МКС считается неприемлемой вероятность столкновения с опасным объектом, равная одной десятитысячной процента, ― станция слишком дорога, чтобы рисковать, рассказал корреспонденту портала «Научная Россия» научный руководитель Института астрономии РАН член-корреспондент РАН Борис Михайлович Шустов.

«Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях включает “сигнал тревоги”, если возникает опасность столкновения или близкого к МКС прохождения объекта размером от 1 см, — объясняет ученый. — Казалось бы, что может сделать такой небольшой фрагмент?.. Но осколки в космосе имеют колоссальную энергию. Например, энергия двухмиллиметрового титанового обломка сравнима с энергией пули, выпущенной из винтовки Дегтярева, которая, как говорят, “пробивает шейку железнодорожного рельса". Стенки МКС толщиной в несколько миллиметров он прошьет точно, поэтому МКС стараются защитить, устанавливая щиты, принимающие на себя удары мелких фрагментов».

Самоубийство космонавтики

С одной стороны, к настоящему моменту ситуация под контролем: за крупными фрагментами космического мусора следят и при необходимости вовремя уклоняются, мелкие же или улавливаются щитами станции, или если и наносят вред, то не критичный для спутников и станций. Но космических аппаратов становится все больше: и мелких спутников, выполняющих самые разные задачи, и крупных космических станций, опасность для которых необходимо постоянно оценивать. Так, с 2021 г. на орбите начала работать китайская станция «Тяньгун», к концу десятилетия ожидается запуск Российской орбитальной станции (РОС) и американской коммерческой орбитальной станции Orbital Reef («Орбитальный риф»).

Раз космических аппаратов становится все больше и больше, риск их столкновения между собой, с обломками других аппаратов или с метеороидами (в отличие от техногенных объектов это твердые тела естественного происхождения - осколки астероидов и ядер комет размером примерно от 30 мкм до 1 м) тоже увеличивается. А после каждого столкновения формируются новые мусорные облака, летающие на орбитах с огромной скоростью и представляющие новую, не всегда учтенную и зарегистрированную угрозу. Каждый осколок может столкнуться с другим фрагментом и создать новые обломки: крупные объекты разобьются на средние по размеру, те, в свою очередь, на более мелкие, но все еще опасные. В результате постоянных бесконтрольных столкновений в околоземном пространстве может сформироваться по сценарию цепной реакции настолько много обломков, что новые запуски аппаратов станут невозможными, а орбиты — непригодными для полетов. Это ситуация, в которой космонавтика фактически погубит сама себя. Такой пессимистичный сценарий назван синдромом Кесслера в честь сотрудника NASA Дональда Кесслера, впервые описавшего возможные риски такого типа в 1978 г.

«В отдельных работах ученые задаются вопросом, не начался ли синдром Кесслера уже сейчас, — отмечает Б.М. Шустов. — Эта озабоченность, особенно для области низких орбит, связана с тем, что в последнее время в космос запускаются мегасозвездия спутников. Аппараты запускают Starlink, OneWeb, китайские компании и т.д. В АО “НПО Лавочкина” создают серию из нескольких сотен спутников, которые сформируют отечественное созвездие спутников (проект “Сфера”). До конца текущего десятилетия количество спутников на низких орбитах вырастет во много раз и может превысить 100 тыс. Естественно, это увеличивает риски появления нового мусора, неконтролируемое столкновение которого способно привести к реализации синдрома Кесслера.

Кроме низких орбит, плотно населенных космическими аппаратами, областью повышенного риска остаются геосинхронные орбиты и особенно геостационарная орбита. Аппараты на этой орбите остаются над одной и той же точкой Земли, что делает орбиту привлекательной для размещения телетрансляционных и коммуникационных спутников. В октябре 2024 г. на геостационарной орбите взорвался спутник Intelsat 33e. Причиной разрушения с высокой долей вероятности назвали взрыв топливных компонентов, но не исключено и разрушение в результате столкновения с объектом космического мусора. С помощью двухметрового телескопа Института астрономии РАН на Кавказе российские астрономы зафиксировали многие сотни новых обломков в этой одной из самых популярных областей околоземного космоса и оценили вероятность их столкновения с другими аппаратами. По предварительным оценкам, эти обломки не угрожают серьезной опасностью действующим аппаратам, но риск дальнейшего распространения мусора остается».

Синдром Кесслера излечим?

Как и любое заболевание, синдром Кесслера проще не допустить, чем позже лечить и бороться с осложнениями. Тем более что эффективных и экономически разумных методов очистки орбит пока не существует.

И решать проблему надо уже сейчас, говорит Б.М. Шустов. Уборка или хотя бы сохранение количества мусора в космосе на существующем уровне ― это не абстрактные размышления о чистоте ради чистоты. Обломки уже мешают космонавтике: столкновения действующих космических аппаратов происходят как минимум раз в год и с весьма негативными последствиями.

«После того как аппарат исчерпал свой ресурс, он становится мусором, даже если остался целым. Это может произойти и через пять, и через 15 лет, — рассказывает научный руководитель Института астрономии РАН. — При запуске сегодня обязательно закладывается ресурс топлива для возможности увода аппарата на нерабочую орбиту. Геостационарные спутники, например, должны подниматься выше как минимум на 200 км ― там расположены орбиты захоронения, на которых спутники останутся на очень долгое время и не будут никому мешать. Если спутник завершил работу на низких орбитах, его лучше увести в плотные слои атмосферы, где он в результате сгорит.

Один из перспективных методов спуска малых космических аппаратов, на которых не всегда есть собственные двигатели, ― это установка надувных тормозных устройств, которые разрабатывают в том числе в России. В нужный момент в тонкую оболочку подается газ, надувающий ее. Площадь спутника увеличивается во много раз, а из-за сопротивления атмосферы растет и сила торможения, что в результате приводит к снижению орбиты. Отрабатываются и методы захвата и насильственного спуска в атмосферу с применением других аппаратов, но этот способ больше подходит для спуска крупных обломков и мертвых спутников ― гоняться за мелкими осколками сложно и дорого».

Изображение на главной странице: paulfleet / ru.123rf.com