Космический мусор — больше не проблема: ученые предложили новую систему защиты спутников

Егор

Вот так выглядит крупный космический мусор на орбите Земли. Миллионы более мелких частиц банально не попадают в поле зрения радаров.

Спутник-1 был запущен СССР в космос в далеком 1957 году. Совершив почти полторы тысячи витков, он упал обратно на Землю — и, к сожалению, в современной космонавтике это скорее исключение: отработавшие ступени ракет, мертвые спутники и другой космический мусор остаются на орбите годами, десятилетиями и даже столетиями, образуя целые смертоносные для рабочих космических кораблей пояса.

Космический мусор не кажется опасным, пока не приходит осознание того, что даже на низкой околоземной орбите, порядка тысячи километров над Землей, такой мусор имеет скорости около 36 тысяч километров в час. Их сложно представить себе на нашей планете — лучшие истребители летают на порядок медленнее. И если вспомнить, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, становится понятно, что околоземное пространство пронизано в буквальном смысле пулями: мельчайшая частичка такого мусора может навсегда вывести из строя дорогостоящее оборудование космических аппаратов.

Причем, к сожалению, это уже далеко не теория, а суровая практика. Например, 10 февраля 2009 года действующий спутник связи «Иридиум-33» был уничтожен, столкнувшись с давно не функционирующим российским спутником «Космос 2251», работавшем в 1990-х годах. К счастью, это произошло на высоте порядка 800 км, так что МКС, которая летает на 350 км, ничего не угрожало.

При столкновении космических кораблей их потеря — еще не самое страшное. Такие удары на скоростях в десяток километров в секунду приводят к образованию огромного числа обломков, летящих по непредсказуемым траекториям. К примеру, при столкновении указанных выше спутников образовалось порядка 600 единиц космического мусора, растянувшихся в итоге по двум орбитам.


Так выглядели крупные обломки спутников спустя 50 минут после столкновения.

В теории, в будущем могут происходить новые столкновения их обломков, и какой-либо из них может повредить другой спутник, образовав новые обломки, и так далее, вызвав в итоге лавинообразный выход из строя большого количества космических аппаратов — этот сценарий назвали эффектом Кесслера, в честь ученого Дональда Кесслера, который придумал его в 1978 году.

Бум мега-созвездий

В настоящее время, по оценкам НАСА, около 500 000 кусочков мусора размером с щебень и более 100 миллионов объектов размером в миллиметр или меньше вращаются вокруг Земли. Кроме того, поскольку создание и запуск спутников стал дешевле, чем когда-либо, такие компании, как SpaceX, Amazon, OneWeb и Telesat, планируют запустить целые их «мега-созвездия» на низкой околоземной орбите в ближайшие несколько лет, и каждое из них будет состоять из сотен и тысяч миниатюрных зондов.

Исследование, проведенное в 2017 году, показало, что столкновения, которые можно ожидать с такими мега-созвездиями, могут значительно усугубить риск эффекта Кесслера. Фактически, Европейское космическое агентство было вынуждено 2 сентября переместить свой спутник наблюдения за Землей Aeolus, чтобы избежать потенциального столкновения с одним из спутников SpaceX Starlink, 60 которых были одновременно запущены в мае этого года.

Чтобы максимально снизить риск создания эффекта Кесслера, ученые проанализировали, как спутники могут продолжать выживать и работать в условиях, когда космический мусор доминирует над ними на низкой околоземной орбите.


Фото 60 спутников Starlink, полученное в мае.

«Учитывая, что целая куча компаний сейчас проектируют мега-созвездия на низкой околоземной орбите, в каждое из которых будут втиснуты не одна сотня спутников, вопрос лишь в том, что делать, если они начнут сталкиваться и вызывать лавинообразный рост числа аварий», — сказал Джекан Тхангавелаутхам, инженер аэрокосмической отрасли, работающий в Университете Аризоны. Тхангавелаутхам является автором нового исследования, которое он с коллегами представили на Конференции по оптическим и космическим наблюдениям и технологиям, прошедшей 18 сентября на Гавайях.

Как избежать эффекта Кесслера

Не вызывает вопросов тот факт, что самый распространенный и неуловимый космический мусор — мелкий. Для защиты от него был придуман так называемый щит Уиппла, также названный в честь его создателя, Фреда Уиппла. В отличие от монолитного тяжелого экранирования ранних космических кораблей, этот щит представляет собой легкий многослойный бампер перед корпусом спутника.

Разумеется, он не сможет остановить космический мусор, и даже почти не затормозит его — но идея тут в том, что он раздробит его на мелкие фрагменты, тем самым рассеяв первоначальную энергию по достаточно большой площади. В итоге до самого спутника долетят обломки с куда меньшей повреждательной способностью. Ближайшая аналогия тут со стрелковым оружием: чтобы выдержать пулю из винтовки, нужен серьезный бронежилет. А вот от дроби защититься куда проще, хотя первоначальная энергия выстрела у них может быть одинаковой.

Однако тут есть одна проблема: такой щит спасет от мусора размером не более сантиметра в диаметре. Большие частицы просто оставят дыру и в таком щите, и в корпусе спутника. Но тут на помощь приходят наземные радары и телескопы, которые могут дистанционно отслеживать их движения, строя орбиты. И если они пересекают траекторию движения космического аппарата, то у ученых обычно есть время изменить орбиту последнего для предотвращения столкновения. Собственно, такие коррекции для МКС происходят достаточно часто и не являются чем-то необычным.


Щит Уиппла, использованный НАСА на спутнике Stardust.

Но и тут есть проблема: современные радары не могут обнаружить частицы, меньшие 5 сантиметров в диаметре. В итоге остается большое количество космического мусора 
в диапазоне нескольких сантиметров, который, с одной стороны, легко пробьет щиты и повредит спутники, а с другой — невидим с Земли. И именно на таких частицах и сосредоточились ученые в новом исследовании.

Их идея была достаточно проста: инфракрасные камеры, установленные на спутниках, могут засечь такой мусор на расстоянии в десятки километров, без всякой помощи наземных коммуникаций. Но и тут все не так просто: с учетом скоростей частиц на уровне десятка километров в секунду, у спутника будет всего лишь несколько секунд, чтобы «увернуться от пули».

Исследователи предложили достаточно очевидный выход из ситуации — использование твердотопливных двигателей, так как они имеют высокую тягу, легкие и надежные, и могут активироваться в течение доли секунды: все это отлично подходит для быстрого толчка спутника в сторону от опасности.

Экспериментальный кубсат


Концепт кубсата с жидкостными двигателями и инфракрасными камерами.

Чтобы проверить свои идеи, ученые предложили разработать стандартный спутник-cubesat, выглядящий как три куба со стороной в 10 см. Он будет обладать 16 твердотопливными двигателями и тепловой инфракрасной камерой, а также керамическим экраном Уиппла, прозрачным для инфракрасных лучей. «Мы хотим сохранить дизайн спутника максимально простым и стандартным, чтобы система не стоила как крыло от боинга», — сказал Тхангавелаутхам.

К сожалению, наиболее распространенный тип ускорителей — твердотопливный — может быть использован только один раз. Это одна из причин, по которой предложенная исследователями система избегания столкновения имеет так много двигателей: она может помочь спутнику избежать нескольких потенциальных столкновений, если это необходимо. 

Кроме того, если система окажется рабочей, можно будет перейти на более дорогие жидкостные ракетные двигатели: их можно использовать много раз, что «может позволить спутнику уклоняться от мусора хоть всю его жизнь», говорит Тхангавелаутхам. Все зависит лишь от того, поддержит ли эту идею какое-либо из космических агентств или частных космических компаний.
15
iGuides в Яндекс.Дзен —  zen.yandex.ru/iguides.ru
iGuides в Telegram — t.me/igmedia

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Мы в соцсетях

Комментарии

+122
Название статьи -огонь! Бросил все чтобы скорее прочесть, а по факту шлак
19 октября 2019 в 14:21
#
–745
Помойму остаеца только ждать когда прилетят инопланетяне и наваляют землянам за мусор в космосе :) Невыгодный и скорее всево эфективный способ привлеч внимание других цивилизаций :)
19 октября 2019 в 15:25
#
Александр
+108
Егор, по моему ты в этой теме вообще не сечёшь...
19 октября 2019 в 19:53
#
Александр
+108
Ну во первых первое фото -- на самом деле то не так) Этот мусор на картинке в несколько тысяч раз увеличен для наглядности.
Также где летают кубсаты мусора не много (потому что он в конце концов войдет в атмосферу и сгорит).
Да и что нового в РДТТ? Прям уж инновация увернуться от мусора.
Да и после такого применения РДТТ кубсат никогда не стабилизируется.
Вот использовать РДТТ для увода с орбиты спутник и дальнейшее его захоронение (в точности сгорание в атмосфере) это нормальная идея.
Итог: инновация этой статьи как новый айфон: вроде красиво, а по сути ничего нового.
19 октября 2019 в 21:08
#
Егор Морозов
+1765
тот мусор на картинке в несколько тысяч раз увеличен для наглядности.
Эммм да ладно)). Если делать правильный масштаб, то мусор вообще не будет виден.
Также где летают кубсаты мусора не много
Кубсаты летают на высотах до 800 км. Там время жизни — десятилетия. И опять же, такой метод можно использовать для любого другого спутника, кубсаты приведены просто для стандартизации.
Прям уж инновация увернуться от мусора
А это кто-то делал заранее? Нет? Значит инновация. Да и насколько я помню ИК-камеры для этого тоже никто не предлагал юзать.
Вот использовать РДТТ для увода с орбиты спутник и дальнейшее его захоронение (в точности сгорание в атмосфере) это нормальная идея.
Которую уже не раз юзали, доброе утро — ту же станцию МИР вспомни. Только вот проблема в том, что для высота 500+ км для этого нужно очень много топлива, чтобы снизить скорость с 10 до хотя бы 7 км/c (ну чтобы спутник упал в течение суток).
а по сути ничего нового.
Ни разу не юзали — но да, ничего нового. Отличная логика).
19 октября 2019 в 21:21
#
Александр
+108
Конкретно РДТТ не юзали, а ЖРД юзают.
Да и шанс попадания мусора в кубсат маленький, на что инженегры забиваю.
19 октября 2019 в 21:24
#
Егор Морозов
+1765
кубсат маленький, на что инженегры забиваю.
Статью-то по диагонали читать не стоит. Черным по белому: уже организуют мега-созвездия из них. Они уже мешают другим спутникам. Так что защита вот вообще не будет лишней.
19 октября 2019 в 21:30
#
Александр
+108
Я и не читал по диагонали, но вот вы вроде физик, а ни одной ссылки нет...
Вы статьи научные также пишите?)
19 октября 2019 в 21:36
#
Александр
+108
Кстати, про 10км/с вы что то загнули...
Вот расчёт накидал для 400 и 800 км
10 км/с это уже близко ко второй космической:)
P.S. скорость в м/с
19 октября 2019 в 21:34
#
Егор Морозов
+1765
Кстати, про 10км/с вы что то загнули...
Да, тут не спорю, переборщил). Что не меняет сути все-таки: чтобы серьезно снизить скорость для быстрого падения на Землю, нужно реально много топлива, поэтому спутники по сути просто бросают.
19 октября 2019 в 21:41
#
Александр
+108
Поэтому для начала все спутники должны быть оснащены системой, которая уводила бы их на орбиту захоронения либо в Землю, а дальше уже бороться с нынешним мусором (к сожалению дальше НИРов пока ничего не зашло).
19 октября 2019 в 21:44
#
Егор Морозов
+1765
которая уводила бы их на орбиту захоронения либо в Землю
В теории — да. На практике это очень дорого, вам ли не знать).
дальше уже бороться с нынешним мусором
А тут на самом деле проще просто ждать. Ну то есть большая часть мусора летает ниже 1000 км и упадет относительно быстро (все-таки пара десятков лет — не так и много. С орбиты МКС вообще за год падает). А все что выше 1000 км уже достаточно редко летает и почти не мешает.
19 октября 2019 в 21:51
#
Александр
+108
Если вы тоже являетесь одним из космической отрасли, то мы можем в ЛС с вами подискутировать (если хотите :) )
19 октября 2019 в 21:17
#
Егор Морозов
+1765
Нет, я всего лишь простой физик, куда уж мне до светила космической области.
19 октября 2019 в 21:31
#
+761
Ну вы блин даете.
19 октября 2019 в 22:07
#
+145
А слабо просчитать время выхода из строя силиконовой прокладки в кранбуксе, или как это адская хрень зовётся??? Мне кажется , только китайские производители постигли это знание, отдавшись Сатане в пособники.
19 октября 2019 в 23:47
#
estet
+1657
Надо просто завязывать гадить
20 октября 2019 в 01:26
#
–10
Опять эти картинки с инета. КТО видел этот мусор???
А как спутниковые тарелки сигнал спутника держат,как "спутники" годааами висят в одном месте,без какой-либо коррекции и не затронутые мусором?
Опять засираете эфир своим "космосом".
20 октября 2019 в 11:52
#
Егор Морозов
+1765
Кстати, мне тут даже интересно стали. Спутниковые тарелки видели? Знаете, что если их отклонить буквально на пяток градусов в сторону, то сигнал теряется? И при этом они направлены в небо. Так откуда же сигнал берется, раз спутников нет?
20 октября 2019 в 14:47
#
–10
Погуглите хорошо,и вы узнаете,что ещё за 20 лет до полётов в "космос",очень хорошо военные пользовались этой навигацией на море. Тогда это называли радиосигналы,отраженные от атмоСФЕРЫ.
Да и вообще представляете,сколько нужно энергии,чтоб транслировать (перенаправлять) сигнал? Где спутники заряжаются??
20 октября 2019 в 15:09
#
Александр
+108
Лол,
От солнца они заряжаются. Никогда не слышали?)
20 октября 2019 в 15:30
#
–10
Вы знаете,сколько энергии тратит обычная передающая антенна, и на сколько всего километров?
Лично моё мнение- это сказки.
20 октября 2019 в 15:48
#
Егор Морозов
+1765
Тогда это называли радиосигналы,отраженные от атмоСФЕРЫ.
Увы и ах — ионосфера отражает волны лишь с частотой до 50 МГц. Это даст вам скорости на уровне пары сотен килобит в секунду — но упс, спутниковый интернет на несколько порядков быстрее, ибо работает на частотах в десяток ГГц. Собтсвенно, даже обычное радио на 100 МГц не отражается от ионосферы.
Да и вообще представляете,сколько нужно энергии,чтоб транслировать (перенаправлять) сигнал?
Вообще мизер. В вашем телефоне стоит передачик, которому хватает 0.1 Вт.
Где спутники заряжаются?
Как уже написали выше — солнечная энергия. На орбите нет погоды, так что как минимум на половине орбиты он может подзаряжать аккумуляторы.
20 октября 2019 в 16:08
#
Александр
+108
Вообще-то спутники давольно часто корректируют на орбите. Если вы не шарите, то для начала бы почитали литературу.
20 октября 2019 в 15:31
#
–10
И я уверен вы видели это,хотя бы на видео?
20 октября 2019 в 15:49
#
–10
Ну вы,нет слов. Я такое(почти) видео сам могу снять.
Вы верите НЕ ФАКТАМ.
20 октября 2019 в 17:16
#
Егор Морозов
+1765
А вы привели хотя бы один факт того, что спутников нет?) Про отражение от ионосферы написал. Еще будут "гипотезы"?))
20 октября 2019 в 17:59
#
–10
😂😂 А зачем? Тема космоса-как вера в Бога: верьте и всё тут. Только в Бога нужно ВЕРИТЬ,а наука должна быть с доказательствами.
Повторяю: ни НИ ОДНОГО док-ва,что земля это шар. 😅😅
20 октября 2019 в 18:16
#
Александр
+108
Лол,, вот в Бога это вера, а космос это данность.
Нет ни одного доказательства что Земля это не шар?
20 октября 2019 в 18:22
#
–10
Так этож вы мне рассказываете про космос,а я вам и говорю-докажите 😀
Нельзя же верить всему,что говорят,вот и докажите 🤣
20 октября 2019 в 20:37
#
Александр
+108
Я вам ничего доказывать не собираюсь. Откройте литературу и почитайте.
21 октября 2019 в 11:13
#
–10
Да уж поверьте,не первый год рою инфу. Их просто нет 🤷🏻‍♂️.
21 октября 2019 в 12:58
#
Александр
+108
Конечно же не видел, но рассчитывал сколько топлива необходимо для этого спутнику.
20 октября 2019 в 16:10
#
Александр
+108
У спутников на ГСО даже есть такой термин: «поддерживание точки стояния на орбите».
20 октября 2019 в 15:34
#
–10
И вы,думаю тоже такое видели 😅
20 октября 2019 в 15:51
#
Сергей Дементьев
+7
У нас всегда "мусор не проблема", но нынче мы не знаем, что делать — так, как загадили всю планету пластиком... С космосом то же самое!
20 октября 2019 в 23:21
#
Вася Вотафаков
+5336
Я так понимаю что проблема с мусором на Земле решена и в самое время взяться за космос ;) На Марсе тоже пусть почистят.
21 октября 2019 в 13:41
#
borilos
–10
4 июля 2020 в 06:04
#