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.




iGuides в Telegram — t.me/igmedia
iGuides в Яндекс.Дзен — zen.yandex.ru/iguides.ru
У нас есть подкаст и его видео-версия