В 1957 году космическая эра официально началась с запуска первого искусственного спутника человечества, известного как Спутник-1. Этот спутник, построенный и запущенный на орбиту Советским Союзом, был простым демонстратором технологии, предназначенной для излучения радиоимпульсов..
Однако влияние его развертывания было гораздо более масштабным. Это был не только поворотный момент в истории полетов человека в космос и большой страх для Запада, но и первый из тысяч спутников, запущенных с Земли.
Сегодня, примерно шестьдесят лет спустя, несколько 8, 950 спутников были запущены более чем 40 стран на орбиту. Согласно последним оценкам, около 5 000 из этих спутников остаются на орбите, хотя срок службы большинства из них истек.
Только около 1, 950 из этих спутников остаются в рабочем состоянии, а остальные превратились в космический мусор. К этим ныне несуществующим спутникам присоединяются тысячи обломков, которые все вместе называются «космическим мусором».
Что такое космический мусор?
Космический мусор - это общий термин, относящийся к любому неработающему оборудованию и обломкам, которые в настоящее время плавают по орбите Земли. Сюда входят неработающие спутники, а также отработавшие первую и вторую ступени ракет, а также фрагменты космических аппаратов, спутников и других миссий.
Это создает некоторую проблему для освоения космоса. По сути, любая оперативная миссия на орбите - от работающих спутников и космических станций до космических телескопов и космических кораблей - рискует столкнуться с этим мусором.
И поскольку на ближайшие годы запланировано множество миссий на низкую околоземную орбиту (НОО) и за ее пределы, есть опасения, что проблема космического мусора будет только усугубляться и станет серьезной опасностью для любой миссии, которую мы отправляем в пробел.
Это вызывает некоторые вопросы. Для начала, насколько это большая проблема? Кроме того, намного хуже, что ожидается получить? И, наконец, как с этим бороться?
Мусор повсюду
Согласно последним данным, опубликованным Управлением по космическому мусору Европейского центра космических операций (ESOC), было произведено около 5450 запусков. произошло с момента запуска Спутника-1, за исключением неудачных запусков.
Кроме всего этого, по оценкам, более 500 разрывов, взрывов или столкновений произошло в последние шестьдесят лет. Со временем это привело к нынешней ситуации на низкой околоземной орбите (НОО), которая завалена космическим мусором.
Эти объекты представляют значительную угрозу для работающих спутников, космических кораблей и космических станций. В настоящее время примерно 22, 300 из этих объектов регулярно отслеживаются и каталогизируются Сетью космического наблюдения (SSN) Министерства обороны США.
Однако это только те объекты, которые достаточно велики, чтобы их можно было отслеживать с помощью наземных радаров. В общей сложности на орбите находится примерно 34 000 объектов размером около 10 см (4 дюйма) в диаметре, еще 900, 000 объектов размером от 1 см (0,39 дюйма) и 10 см, а также колоссальные 128 миллионов объектов размером между 1 мм и 1 см
Хотя эти последние объекты могут показаться неутешительными, даже самые крошечные объекты могут представлять серьезную опасность столкновения. Это связано со скоростью объектов на орбите, которая может достигать 7 или 8 км в секунду (от 4,3 до 5 mps), что составляет около 12875 км/ч (8 000 миль/ч)
При таких скоростях даже небольшие частицы материи могут нанести серьезный ущерб спутникам, космическим кораблям или космическим станциям. Однако самая большая опасность наличия такого большого количества мусора на орбите заключается в том, что со временем он может становиться все хуже и хуже сам по себе. Это то, что известно как…
Синдром Кесслера
Это явление, также известное как эффект Кесслера или каскадное столкновение, было первоначально предложено ученым НАСА Дональдом Дж. Кесслером в 1978 году. В этом сценарии плотность объектов на низкой околоземной орбите (НОО) становится равной достаточно высоко, чтобы столкновения между объектами вызвали каскадный эффект.
При столкновении объектов они производят более мелкие объекты, которые сталкиваются с другими, и так далее. С каждым столкновением образуется все больше космического мусора, и вероятность дальнейших столкновений увеличивается в геометрической прогрессии.
Опасность в этом сценарии заключается в том, что самовоспроизводящиеся поля мусора на орбите будут препятствовать исследованию космоса. Поскольку даже небольшие столкновения могут привести к катастрофическим последствиям, запуск полезной нагрузки и экипажей в космос будет просто слишком опасным и дорогим.
Несмотря на то, что разрабатываются несколько стратегий смягчения последствий для удаления (или вывода с орбиты) космического мусора, отслеживание и мониторинг фрагментов, представляющих наибольший риск столкновения, остается наиболее эффективным способом защиты миссий на орбите.
Поэтому космические агентства и другие организации уделяют особое внимание отслеживанию объектов на орбите и заранее предупреждают о возможных столкновениях. Таким образом, оперативные миссии могут корректировать свою орбиту, чтобы уйти с пути объекта.
Мониторинг всего мусора
Сегодня существует множество организаций, занимающихся отслеживанием наиболее опасных обломков на орбите. В США и России наземные радиолокационные и оптические измерения выполняются космическими системами наблюдения.
Это позволяет в режиме реального времени отслеживать объекты крупнее 5-10 см (от 2 до 3,9 дюймов) на высоте 2, 000 км (1 200 миль) или менее - или низкая околоземная орбита (НОО) - и объекты крупнее 0,3-1,0 м (от 1 до 3,3 фута) на высоте 36 000 км (22 370 миль) над экватором - геостационарная Орбита (ГСО).
В 1982 году НАСА организовало первую специализированную конференцию по космическому мусору, после чего Европейское космическое агентство (ЕКА) провело первый семинар по возвращению космического мусора в атмосферу в 1982 году.
Это было вызвано возвращением Скайлэба в атмосферу в 1979 году, в результате которого на Землю упали обломки. Был также распад советского спутника-шпиона «Космос-1402» в 1982 году, в результате которого на Землю едва не упали радиоактивные обломки.
В 1993 году растущая обеспокоенность по поводу космического мусора привела к созданию Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IADC), в который вошли представители НАСА, Европейского космического агентства (ЕКА), Японского аэрокосмического Агентство исследований (JAXA) и Российское космическое агентство (Роскосмос).
IADC был создан как форум для многостороннего обмена техническими знаниями и для того, чтобы члены могли координировать свои действия по вопросам, касающимся космического мусора. Сегодня он считается ведущим международным органом в области мониторинга космического мусора и предотвращения его образования.
С 1993 года к ним присоединились еще несколько агентств, в том числе дополнительные европейские национальные космические агентства, Китайское национальное космическое агентство (CNSA), Канадское космическое агентство (CSA), Корейский институт аэрокосмических исследований (KARI), Индийская организация космических исследований (ISRO) и Государственное космическое агентство Украины (NSAU).
Космический мусор также находится в центре внимания Комитета по использованию космического пространства в мирных целях (КОПУОС), который находится под контролем Управления Организации Объединенных Наций по вопросам космического пространства (UNOOSA).
Каждый год представители государств-членов ООН и различных организаций встречаются с Научно-техническим подкомитетом COPUOS для обмена информацией о своей деятельности по исследованию космического мусора.
В 1995 году НАСА выпустило первый всеобъемлющий набор руководящих принципов по уменьшению опасности образования орбитального мусора. Два года спустя правительство США использовало эти руководящие принципы для разработки Стандартных методов предотвращения образования орбитального мусора.
В 2002 году МККМ опубликовал Руководящие принципы МККМ по предупреждению образования космического мусора и представил их Научно-техническому подкомитету ЮКОПУОС, которые с тех пор служат основой для национального законодательства и стандартов, а также отправной точкой для технические стандарты.
В 2007 году Генеральная Ассамблея ООН одобрила Руководство по предупреждению образования космического мусора, в котором содержится призыв к государствам-членам добровольно принять стандарты и меры по обращению с мусором, возникающим в результате их космических миссий.
С 1962 года UNOOSA также ведет Реестр объектов, запущенных в космическое пространство Организации Объединенных Наций, базу данных, которая позволяет определить, какие государства-члены несут международную ответственность за космические объекты.
В 1976 году ООН приняла Конвенцию о регистрации объектов, запускаемых в космическое пространство. Все те государства-члены и международные организации, которые соглашаются соблюдать Конвенцию, обязаны предоставлять информацию в Реестр ООН, а также создавать свои собственные национальные реестры.
Будущее космического мусора
Сегодня несколько национальных космических агентств отправляют на орбиту спутники, полезные нагрузки и даже миссии с экипажем. В то время как освоение космоса когда-то было прерогативой двух сверхдержав (США и Советского Союза/России), сейчас в этом активно участвуют Китай, Индия и Европейский Союз.
В то же время произошел взрыв в аэрокосмической отрасли (также известной как NewSpace), когда все больше и больше компаний предоставляют коммерческие услуги запуска и такие вещи, как спутниковый широкополосный доступ в Интернет. Текущая ситуация на орбите, скорее всего, будет только ухудшаться.
Этот рост отчасти связан с тем, что затраты, связанные с запуском полезной нагрузки в космос, значительно снизились за последние десятилетия. Между многоразовыми ракетами первой ступени (например, Falcon 9 и Falcon Heavy), одноступенчатыми ракетами для вывода на орбиту, специализированными и совместными ракетами-носителями.
В связи с этим частные корпорации, научно-исследовательские институты и другие организации отправляют в космос больше спутников и предлагают больше спутниковых услуг. Хорошим примером является растущий рынок спутникового интернета.
Начиная с 2015 года Илон Маск (основатель SpaceX) объявил о новом предприятии под названием Starlink. Целью этой новой компании является создание группировки спутников на орбите, которая обеспечит широкополосный доступ в Интернет для всего мира.
В мае 2019 года первая партия из 60 спутников была отправлена на очень низкую орбиту над Землей - на высоты 328 км до 580 км (от 200 до 360 миль)Это решение было мотивировано отчасти тем, чтобы свести к минимуму риск, связанный с «космическим мусором», но также и тем, что оно позволит SpaceX отправлять в космос больше спутников (и предоставлять интернет-услуги) раньше.
Уже SpaceX получила одобрение Федеральной комиссии по связи США (FCC) на созвездие из 12 000 спутников. Однако недавно компания подала заявки в Международный союз электросвязи (МСЭ) на дополнительные 30 000 спутников..
Запрос состоял из 20 заявок, каждая на дополнительные 1, 500спутников. Один только этот план, если он будет полностью реализован, увеличит количество спутников на орбите в пять раз.
Однако SpaceX не одинока в стремлении проникнуть на рынок спутникового интернета. Например, основатель Amazon Джефф Безос также хочет развернуть созвездие интернет-спутников в так называемом Project Kuiper.
Согласно заявке, поданной Amazon в FCC, они надеются отправить на орбиту 3 236 широкополосных спутников в ближайшие годы.. А еще есть OneWeb, глобальная интернет-компания, которая также планирует запустить более 1000 спутников для предоставления услуг всему миру.
Марк Цукерберг (основатель Facebook) в последние годы также объявил о намерении создать интернет-созвездие. Такие авиакомпании, как Delta и American, также надеются создать свои собственные интернет-созвездия для обеспечения доступа в Интернет в полете.
Другим способствующим фактором является разработка малых спутников, известных также как CubeSats или наноспутники. Это особый класс спутников, отвечающих за проведение исследований, научных исследований, демонстрацию технологий или предоставление коммерческих услуг.
Обычно размер одного спутника составляет всего 100 см² (15 дюймов²), что позволяет соединять их друг с другом для формирования более крупных научных пакетов - для максимум 24 единиц, расположенных в конфигурациях размером 40 см (15.75 дюймов) на 30 см (12 дюймов)
Короче говоря, эти наноспутники позволяют большему количеству организаций (таких как научно-исследовательские институты и университеты) отправлять спутники в космос. Другими словами, не только космические агентства, финансируемые из федерального бюджета, могут позволить себе проводить спутниковые исследования.
Хотя это открывает большие возможности для научных исследований, это также означает, что в ближайшие годы и десятилетия на орбиту будут отправлены тысячи дополнительных спутников. Это тоже может усугубить серьезную проблему.
В целом, по оценкам UNOOSA, космические корабли отправляются на орбиту со скоростью от 70 до 90 запусков в год. В то же время все большее число этих запусков выводит 30 или более малых спутников на орбиту одновременно.
Учитывая частоту столкновений и разрушений, которая составляет в среднем от четырех до пяти в год, количество мусора в космосе, по прогнозам, резко возрастет в ближайшие несколько лет.
Учитывая ситуацию, есть те, кто выступает за политику «Нет новых запусков». Однако исследование, проведенное в 2005 году Управлением программы НАСА по орбитальному мусору (ODPO), показало, что даже если запусков в будущем не будет, столкновения между существующими объектами все равно будут увеличивать количество мусора быстрее, чем атмосферное сопротивление удаляет объекты.
Этот сценарий подчеркивает необходимость программы активного удаления мусора (ADR). Это должно состоять из стратегий смягчения последствий, принимаемых на самых ранних этапах планирования миссии, и стратегий восстановления, которые предусматривают удаление мусора с орбиты.
Стратегии сокращения космического мусора
Было предложено несколько стратегий для смягчения и решения проблемы космического мусора. К ним относятся сокращение образования нового мусора, разработка спутников, способных выдерживать удары, принятие процедур по снижению риска столкновений и разрушений.
Один метод, который иногда используется, известен как пассивация верхней ступени, когда дельта-ускорители выпускают остаточное топливо для снижения риска взрывов, вызванных столкновениями. Эта практика еще не применяется повсеместно.
Другой метод - вывести спутники на орбиты, где они войдут в атмосферу Земли и сгорят раньше. И OneWeb, и SpaceX приняли эту политику в 2017 году при подаче заявок в FCC на создание группировок спутников.
На основании документов обе компании намерены разместить свои широкополосные интернет-спутники на очень низкой околоземной орбите, что приведет к их повторному входу в атмосферу Земли через год после того, как они выйдут из строя.
Существует также политика, известная как "один вверх, один вниз", когда космические агентства и компании, отправляющие ракеты в космос, также несут ответственность за сближение с объектами на орбите и их принудительный уход с орбиты.
Другой метод уменьшения засорения включает в себя саму архитектуру миссии. Например, ракеты-носители второй ступени могут быть запущены, чтобы гарантировать, что они достигнут эллиптической геоцентрической орбиты, которая обеспечит быстрый спад орбиты.
Однако в настоящее время не существует международного договора, подписавшие которого обязаны принимать эти меры. Руководство, опубликованное COPOU. S. в 2007 году являются добровольными, а правила, регулирующие запуски и ответственность за орбитальные миссии, являются вопросом национального законодательства.
Кроме того, правительства могут стимулировать очистку от космического мусора, налагая штрафы на коммерческих загрязнителей. По сути, такие компании, как SpaceX, Blue Origin, Arianespace и другие, должны будут заплатить штраф, если в результате их миссий возникнет какой-либо мусор.
Уборка на околоземной орбите
Существует также множество технологий, которые были предложены для удаления или уничтожения космического мусора. К сожалению, большинство из них все еще находятся в стадии исследований и разработок, тогда как другие остаются теоретическими.
Популярная идея заключается в том, чтобы отправить на орбиту дистанционно управляемый (или автономный) космический корабль, который сможет встретиться с обломками и заставить их уйти с орбиты и сгореть в нашей атмосфере. На сегодняшний день НАСА, ЕКА и другие космические агентства исследовали несколько концепций.
Недавно НАСА в партнерстве с Vestigo Aerospace провело шестимесячное исследование для оценки возможности атаки тормозных парусов на космический мусор. После прикрепления эти паруса будут увеличивать атмосферное сопротивление, заставляя объект возвращаться в атмосферу Земли раньше, чем ожидалось.
Существует также программа Horizon 2020 Future and Emergent Technology (FET), возглавляемая Европейской комиссией, которая выдвинула идеи по борьбе с космическим мусором. В рамках этой программы группа ученых из Университета Карлоса III в Мадриде (UC3M) разработала тросовую систему, позволяющую спутникам уходить с орбиты самостоятельно.
Это известно как технология электродинамического троса для пассивной системы спуска с орбиты без расходных материалов (E. T. PACK). Он состоит из полоски алюминиевой ленты, покрытой специальным материалом, который заставляет трос притягиваться к магнитному полю Земли, тем самым снижая его высоту до тех пор, пока он не сгорит в земной атмосфере после того, как перестанет функционировать.
В Европе Surrey Satellite Technology Ltd, Космический центр Суррея и Airbus Defence and Space объединились для создания космического корабля RemoveDebris. Этот небольшой спутник использует гарпун, трос и тормозной парус, чтобы захватывать и принудительно уводить с орбиты космический мусор.
Более амбициозные концепции включают использование магнитных космических буксиров - идея, предложенная ЕКА на основе исследования Высшего института аэронавтики и космоса во Франции. Этот космический буксир будет генерировать магнитные поля, чтобы притягивать или отталкивать спутники и вынуждать их выходить на затухающие орбиты.
Есть также амбициозный план по запуску спутников, которые будут уничтожать или выталкивать орбитальный мусор в атмосферу с помощью направленной энергии (лазеров). В последние годы Китай присоединился к таким агентствам, как НАСА, в проведении технико-экономических обоснований этой идеи.
-
Паруса, сети, гарпуны, лазеры и международная нормативно-правовая база. Похоже, это наиболее широко изученные средства борьбы с тем, что в ближайшие годы обязательно станет очень серьезной проблемой.
За исключением административных или законодательных решений, методы очистки земной орбиты пока носят весьма теоретический характер и будут очень дороги в реализации.
Но, учитывая расширяющееся присутствие человечества в космосе и все планы по коммерциализации LEO в ближайшем будущем, цена бездействия наверняка будет намного выше!
- UNOOSA - Космический мусор
- CSA - Что такое Cubesat?
- НАСА - Что такое орбитальный мусор?
- USCUSA - спутниковая база данных UCS
- ESA - космический мусор в цифрах
- НАСА - Офис программы орбитального мусора ARES
- NASA - космический мусор и пилотируемые космические корабли
- Управление программы NASA по орбитальному мусору (ODPO) - часто задаваемые вопросы
- USSTRATCOM - космический контроль и космическое наблюдение
- UNOOSA - Реестр объектов Организации Объединенных Наций, запущенных в космическое пространство
- UNOOSA - Руководство по предупреждению образования космического мусора Комитета по использованию космического пространства в мирных целях