Космический мусор – угроза безопасности космических полетов

Космический мусор  – угроза безопасности космических  полетов

КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР – УГРОЗА БЕЗОПАСНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ

 

                                 Д.В.Маринин

  Аэрокосмический лицей на  базе Национального аэрокосмического  университета

                          им. Н.Е.Жуковского «ХАИ»

 

К третьему тысячелетию человечество  активно  изучает  и  исследует  космос.

Число космических полетов растет, но  они  постоянно  вталкиваются  с  рядом

проблем. Одной из таких проблем  – проблем экологии космоса, является  вопрос

об его загрязненности объектами так называемого космического мусора.

Космический  мусор  –  все  антропогенные  объекты,  которые  находятся   на

околоземной орбите или  возвращаются  в  атмосферу,  включая  фрагменты  или

части тех объектов, которые закончили  свое активное существование.

Чтобы уменьшить угрозу столкновений космические аппараты  совершают  маневры

отклонения, а это – дополнительный расход топлива и ряд  других  сложностей.

По  расчетным  данным  Международная  космическая  станция  будет  вынуждена

дважды в год  совершать маневры, уклоняясь от опасных объектов.

Степень    влияния    загрязненности    космического     пространства     на

функционирование  космических  систем   определяется   четырьмя   факторами:

временем нахождения на орбите, районами по  предположению,  высотой  орбиты,

наклоном  плоскости  орбиты.  Для  примерного  представления   об   объектах

загрязнения космического пространства, разрабатывают  математические  модели

его  засоренности.  Они  описывают  распределение  загрязняющих  объектов  в

пространстве,  их  движение  и  физические  характеристики  (размер,  массу,

плотность и др.). Разрабатываемые  модели бывают  двух  видов:  краткосрочные

(период до  10  лет)  и   долгосрочные  (до  100  лет).  Модели  засоренности

принимают  во  внимание  рост  числа  орбитальных  объектов   в   результате

запусков,  маневрирование  (засоренность,  связана  с  включением   ракетных

двигателей твердого топлива), разрушение (взрывы и столкновения) т.д.  Кроме

того,  целью  долгосрочных  моделирований   является  составление  прогнозов

количества объектов как функции  времени. Тенденции, установленные  на  основе

долгосрочных моделей, заключаются  в следующем:

Если космические полеты будут  проходить также, как и раньше,  то  в будущем

загрязнение  космического  пространства   ускориться   из-за   столкновений,

связанных с увеличением массы на орбите.

Фрагменты мусора, образовавшиеся после  взрывов, могут стать в ХХI веке  (как

и в данное время) одним из главных  источников загрязнения.

Фрагменты,  образовавшиеся  в  результате  столкновений,   могут   порождать

следующие загрязнения, это приведет к росту загрязненности в  геометрической

прогрессии.

Избежать  этого  можно  путем  уменьшения  нагрузки  на  нижнюю  околоземную

орбиту. Также проблема состоит  в возращении в  атмосферу  Земли  космических

объектов. За последние 40 лет их отмечено более 16000. В течение последних

5-ти лет примерно раз в  неделю  происходит попадание  в атмосферу  объекта  с

площадью поперечного сечения  около 1м2. Вхождение того или иного  объекта  в

атмосферу связано не  только  с  опасностью  механического  удара,  но  и  с

возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.

Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора

В настоящее время около 12%  всего  каталогизированного  комического  мусора

составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры  запуска

спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном  это  крепежные

детали, заглушки и т.д.  Мероприятия  по  уменьшению  загрязненности  такими

объектами  принимать  относительно   нетрудно,   как   технически,   так   и

экономически. В  тоже  время  возможны  ситуации,  когда  отделение  деталей

безвыходно  из-за  технических  причин.  В ходе  полета  может происходить

неспециальное  образование  мелкого  мусора:  выбросы  шлаков   при   работе

двигателей на твердом топливе, отделение частиц  краски  вследствие  эрозии,

вытек  теплоносителя  и  т.п.  Необходимо  принимать  меры  по    уменьшению

процесса образования мелкого  мусора. Осколки,  образовавшиеся  в  результате

разрушения  КА,  составляют  43%  состава   орбитальных   объектов   и   85%

космического  мусора  размером  более  5см.  Основной  причиной   разрушения

космических аппаратов являются взрывы и столкновения. Анализ  разрушения  КА

показал,  что  спуск  с  орбиты  либо  пассивация  (выброс  энергии)   после

реализации  космическим  аппаратом  своей  задачи  позволяет   предотвратить

большую часть таких случаев. К  числу эффективных мер можно  отнести  сжигание

или продувание неиспользованного  топлива, разрядку  аккумуляторных  батарей,

освобождение жидкостей из-под  давления. Вероятность случайного  столкновения

КА на околоземной орбите хотя и  не значительна, но все-таки  есть.  Примером

такого  случая  было  столкновение  осколка,  образовавшегося  в  результате

взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан»,  с  действующим  французским

спутником CERISE, в результате была нарушена  его  работоспособность.  Можно

сказать, что увеличение  числа  и  размеров  спутников  на  орбите  ведет  к

повышению  вероятности  столкновений.  Что   касается   спутников,   которые

заканчивают  свою  программу,  то   значительному   уменьшению   вероятности

столкновений будет влиять их перевод  на нижнюю орбиту  или  контролированное

возвращение в атмосферу.

С  точки   зрения   на   современный   уровень   засоренности   околоземного

пространства, следует применить  концепции прямой и непрямой  защиты.  Защита

от  частиц  размером  0,1-1  см  может  осуществляться  за  счет  применения

экранных  конструкций.  Защита  от   частиц   размером   более   1см   может

осуществляться за счет  принятия  специальных  мер  при  проектировании  КА,

заключающихся  в  расположении  жизненно  важных  систем  в  так называемых

мертвых зонах относительно направления  удара потоком  мусора.  Что  касается

экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые  одношаровые

выносные  экраны,  размещающиеся  перед   корпусом   аппарата,   и   сложные

многошаровые   конструкции из  металла и   керамики.    Также   ориентируя

определенным образом космический  корабль, космонавты могут использовать  его

в качестве экранной защиты. Такая  практика уже  применялась  на  орбитальной

станции «Мир». Для кораблей «Шаттл»  орбитальная степень ориентируется  таким

образом, чтоб его хвостовая часть  была  повернута  в  направление  движения.

Работы в космосе происходят таким образом,  чтоб  космонавты  были  защищены

корпусом станции.

 

Одной из важнейших мер по уменьшению  засоренности  является  информирования

об опасностях, связанных с загрязненностью  космического  пространства  и   о

многочисленных  источниках  образования космического  мусора.  Экономически

оправданным является применения мер  по  уменьшению  загрязнения  на  ранних

стадиях  конструирования КА.  С использованием  долгосрочных  имитационных

моделей  космической  среды  ведется  работа  для  оправдания  эффективности

разных сценариев  и  затрат  связанных  с  их  использованием.  Исследования

позволяют оценить, какое влияние  оказывает  разного  рода  практика  в  этой

области. Также проблема столкновений и взрывов связана  с  неконтролируемыми

запусками  различных  космических  аппаратов.  Для  решения  этой   проблемы

необходимо установить контроль за материалами, технологиями  производства  и

запуска космических аппаратов. Во избежание столкновений  КА,  что  является

основой   появления   крупных   частей    мусора,    целесообразно    ввести

прогнозируемые  расчеты  для   установления   безопасных   стартовых   окон,

исключающих пересечение траектории  полета  КА  с  пилотируемыми  кораблями,

находящимися на орбите.

В короткосрочной перспективе наибольшую  пользу  может принести  исключение

случайных взрывов КА.  Эффективной  мерой  предотвращения  таких  разрушений

является пассивация аппаратов  в  конце  программы  полета.  В  долгосрочной

перспективе при отсутствии  мероприятий  по  уменьшению  засоренности  из-за

нагромождения объектов на орбите может  значительно  возрасти  опасность  для

проведения космических  операций  в  области,  как  низкой,  так  и  высокой

околоземной орбиты. Мероприятия по снижению загрязненности и защиты  космоса

могут влиять на конструкции КА, их стоимость  и  эксплуатацию.  Экономически

выгоднее  предвидеть   и   внедрить   эти   изменения   на   ранних   этапах

проектирования и производства КА и ракетоносителей.

Хотелось бы добавить, что загрязненность космоса с каждым  годом  продолжает

расти, в связи с этим растет риск столкновений причиняющих  повреждения  КА.

Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить  задачу  улучшения

состояния космической  среды,  разумным  шагом  по  сохранению  космического

пространства для будущих поколений  в настоящее время есть  принятие  мер  по

уменьшению загрязненности.