CC BY
179
ЭКОЛОГИЯ КОСМОСА
Станислав ВЕНИАМИНОВ,
Научно-исследовательский испытательный центр ( г. Москва) Центрального научно-исследовательского института Войск воздушно-космической обороны, действительный член Meждyнapoднoй академии астронавтики и аэронавтики, член экспертной рабочей группы по космическим угрозам, член Meждyнapoднoгo комитета пo проблемам засорения космического пространства и Комитета пo проблемам загрязнения космоса Haциoнaльнoгo исследовательского совета CШA, доктор технических наук, профессор
По материалам доклада «Техногенное засорение космоса и некоторые его военные аспекты»
С^ хЛ/^
.■О
«С
Л
ЭКОЛОГИЯ КОСМОСА
«мусорная» статистика
После запуска первого спутника Земли космические державы осуществили более 5000 запусков. За весь период освоения космоса в околоземное космическое пространство выведено свыше 30 тысяч крупных (размером более 10-20 см) космических объектов (КО). Зарегистрированных гораздо больше (порядка 35 тысяч) — ввиду произошедшей фрагментации некоторых крупных космических объектов. Более двух третей из них все еще остаются на орбитах и контролируются наземными и космическими средствами наблюдения. На сегодня официально каталогизировано свыше 17 тысяч КО. Однако системы контроля космического пространства (СККП) США и РФ отслеживают свыше 23 тысяч космических объектов размером более 10 см. При этом 95 % каталога космических объектов составляет космический мусор (КМ). Подчеркиваю: приведенные количественные характеристики касаются только крупных космических объектов, а с учетом гигантских космических скоростей их движения и с точки зрения представляемой ими угрозы (которая пропорциональна квадрату скорости) их следует расценивать как очень крупные. Понятно, что столкновение с любым из них реального космического аппарата будет катастрофическим. Но не только с ними.
На сегодняшний день космических объектов размером более 5 см — порядка 100 тысяч. Кроме них, на орбитах находится огромное количество мелкого КМ: по разным оценкам, более 500-600 тысяч размером от 1 до 10 см, до сотен миллионов — размером от 1 мм до 1 см. Количество более мелкого КМ исчисляется миллиардами и триллионами (см. рис. 1) [1, 2, 3]. И почти все они представляют опасность при столкновении, хотя и в разной степени.
Почему-то принято считать (даже в кругах некоторых специалистов), что катастрофическую угрозу для космического аппарата представляют столкновения с космическим объектом размером более 1 см. Но решающими факторами здесь являются относительная скорость атакующей частицы, место космического аппарата, в которое она ударит, и направление ее вектора скорости относительно поверхности космического аппарата в точке соприкосновения. Так что смертельно опасными могут оказаться и пылинки космического мусора. И это не гипербола. Ярким примером служит случай с российским метрологическим спутником «Блиц». Он, имея диаметр всего 17 см, 22 января 2013 года столкнулся с частицей массой менее 0,08 г и раскололся по крайней мере на два фрагмента, которые были обнаружены и каталогизированы.
Однако существующими средствами можно относительно надежно зафиксировать лишь космический объект размером 10-20 см, то есть большинство (> 99,97 %) потенциально опасного космического мусора не контролируется. Из каждых 10 000 потенциально опасных космических объектов наблюдаются только три. И в этом состоит главная проблема контроля космического мусора, масштабы которой наглядно иллюстрирует рисунок 1.
Любой космический мусор в разной степени опасен для космической деятельности и не только для нее. Самый крупный космический мусор при входе в плотную атмосферу несет угрозу для наземных объектов и людей. Что касается самого мелкого космического мусора, то астрономы давно уже заметили, что за последние десятилетия прозрачность среды околоземного космического пространства ощутимо снизилась, что мешает вести астрономические наблюдения. Кроме того, он сильно повреждает чувствительные поверхности бортовых приборов, например оптику. Так что важно контролировать любой космический мусор.
Прогрессирующий рост засоренности ОКП наглядно характеризуют следующие два графика (см. рис. 2 и 3), причем каждый по-своему. Рисунок 3 показывает неуклонный рост средней плотности техногенного засорения ОКП, а скачки на рисунке 2, на котором отражена история количественного изменения состава каталога космических объектов по годам, иллюстрируют скачкообразный рост опасности столкновений с космическим мусором. (На рисунке 3 их нет, так как скачкообразно изменяется только количество космических объектов после катастрофических разрушений, а не их суммарная масса.)
Из осуществленных человеком более 5000 запусков ИСЗ на интервале около 60 лет только 10 из них породили одну треть сегодняшнего каталога космических объектов. Причем из этой десятки шесть приходятся на последние 10 лет!
С усилением засорения ОКП растет и количество столкновений космических аппаратов с космическим мусором и космического мусора между собой. На рисунке 4 показан полученный с помощью модели НАСА LEGEND прогноз роста количества столкновений крупных космических объектов на ближайшие 100 лет для нескольких сценариев освоения космоса.
На рисунке 5 приведен аналогичный прогноз на 200 лет с помощью российской модели А. И. Назаренко.
Павел ВИНОГРАДОВ,
космонавт, совершивший семь выходов в открытый космос, Герой РФ. Общая продолжительность его работы в открытом космосе на 2014 год — 38 часов 25 минут
Количество космических объектов на орбите Земли столь велико, что все угрозы из космоса абсолютно реальны. Если на Землю прилетит объект диаметром 2 или 2,5 километра, то все живое на Земле может погибнуть.
С=1
каскадный эффект
В обоих предсказаниях, полученных на независимых моделях, экспоненциальный характер роста числа столкновений крупных космических объектов и общего количества мелкого космического мусора при умеренном росте количества крупных космических объектов — это уже знак каскадного эффекта. Аналогичные не' шительные перспективы предсказывают и другие модели.
Наиболее мрачная перспектива нашего космического будущего — это возникновение и развитие каскадного эффекта (синдрома Кесслера) в ОКП, то есть стремительно расширяющегося цепного процесса образования вторичных осколков. В этой самой трагической фазе процесса засорения ОКП космический мусор приобретает уже некий агрессивный характер, которому уже мало что можно противопоставить. Общий характер каскадного эффекта такой же, как и у ядерной цепной реакции. Разница лишь во временном масштабе развития процесса.
ТЕХНОГЕННОЕ ЗАСОРЕНИЕ КОСМОСА И НЕКОТОРЫЕ
о
600000 -
13000022500 -9000 -
Достигнутая прочность КА
Статистическое моделирование и снабжение КА средствами защиты от столкновений
Зависимость количества КО (КМ) от их размеров [2]
о
1 см
Перспективная прочность конструкции КА
История засорения ОКП объектами разных категорий с 1957 года
170001600015000 14000 13000 12000 11000-1 10000 900080007000600050004000 3000-1 2000 1000-1
О о/О' Общее количество КО
Ъ'д
Фрагменты разрушений
Космические аппараты
Сопутствующий миссии КМ Ракеты-носители
о*— ЮиОГ^Ох— Г-01-ОГ^О*— 1-ой-)
о^о^^^о^о^^^о^о^сь^о^о^о^с^о^о^о^с^с^оооооооо
Т— Т— Т— Ч—
32
ЕГО ВОЕННЫЕ АСПЕКТЫ
История распределения массы в ОКП по категориям орбит
все ко
0.Е+00
. I I I I I...................
ЧЭсООСЧОСООСЧ^-ОООСЧ^-^-СООГЧ^-ОСООО^^-ОСОО
ооооооооооооооооооооооооооооо
НОКО (<2000 км)
2000-35586 км ГСО (35586 - 35986 км)
Выше ГСО
Прогноз роста количества столкновений крупных НОКО (> ю см)
25-
; 20-
^ 15-о
а ю-
о
ас
ш
оооооооооооооооо
■О N (О О О г- Сч|г0^ги1>01^с000*— ОООООООООООООО*-*-О^СМСМО^СЧ|СМСЧО^СМСМСЧСМ
— Сценарий 1
— Сценарий 2
— Сценарийз
Рост числа КО и количества их столкновений
-1-2,5 ММ
---1-2,5 СМ
---10-20 СМ
>20 СМ
- N СТОЛКН., с1>ю см
— N СТОЛКН., с1>20 см
Интервал прогноза годы
5 5-10 8-
и о
X I-
0 с; с к пз
1
5-10
и X
пз о. н и о о.
Критическая плотность КО в области низких орбит [ю]
„Расчетная критическая плотность КМ
Каталогизированные КО
500
1000 Высота, км
1500
Динамика количества маневров МКС по годам
1 1 1
■1111^1111
19981999200020012002200320042005200620072008200920102011- 2012201320142015-
ЭКОЛОГИЯ КОСМОСА
Вероятность столкновений зависит в первую очередь от количества космических объектов в данной орбитальной области, а не от их суммарной массы. Но именно общая масса космического мусора (точнее, суммарная кинетическая энергия космического мусора) определяет в перспективе скорость и интенсивность развития каскадного эффекта.
Многие ученые считают, что каскадный эффект уже начался в некоторых орбитальных областях и для некоторых классов космического мусора (например, на высотах 900-1000 км и 1500 км) (см. рис. 6) [5, 6, 7, 10].
угрозы столкновения
Рост вероятности столкновения космического аппарата с космическим мусором наглядно демонстрирует история учета угрозы космического мусора работе Международной космической станции (МКС). На рисунке 7 представлена диаграмма изменения количества маневров уклонения МКС от столкновения с космическим мусором по годам (по данным ЦУПа).
В области геостационарной орбиты (ГСО) столкновение с космическим мусором не так опасно, как на низких орбитах, поскольку там скорость
о
Cуществующая популяция космического мусора (КМ), с точки зрения воздушно-космической обороны, представляет собой мощную неуправляемую орбитальную группировку, создающую угрозу как военным, так и гражданским космическим аппаратам (КА), а также наземным объектам (в частности, оборонного назначения и государственным стратегическим объектам) независимо от их государственной принадлежности. Этот факт означает появление нового своеобразного игрока на космическом театре военных действий в отличие от наземного, морского и воздушного театров.
Ш
движения космических объектов обычно не превышает 3 км/с, кроме того, космические объекты в геостационарном поясе движутся в основном в одну сторону (в отличие от области низких орбит). Поэтому средняя относительная скорость при столкновении и того меньше — 0,5 км/с [1].
Если удары мелкого космического мусора не вызывают серьезных структурных повреждений, создаваемые ими сколы, кратеры, пробоины, царапины, эрозии, мелкие трещины приводят к постепенной деградации поверхности космического аппарата, ослабляя ее и делая более уязвимой для воздействия внешней среды и последующих столкновений с космическим мусором.
В течение последних десятилетий многократно наблюдались внезапные выходы из строя космических аппаратов военного назначения, причины которых так и не удалось официально установить ни с помощью наблюдений, ни посредством телеметрии. Остаются два возможных объяснения — незарегистрированное столкновение с космическим мусором или «происки» вероятного космического противника. А это уже политически опасная дилемма.
Таким образом, на сегодняшний день существующая популяция космического мусора (КМ),
с точки зрения воздушно-космической обороны, представляет собой мощную неуправляемую орбитальную группировку, создающую угрозу как военным, так и гражданским космическим аппаратам (КА), а также наземным объектам (в частности, оборонного назначения и государственным стратегическим объектам) независимо от их государственной принадлежности. Этот факт означает появление нового своеобразного игрока на космическом театре военных действий в отличие от наземного, морского и воздушного театров.
Особенностью этого игрока является его абсолютная независимость. Степень опасности нового игрока определяется прежде всего следующими тремя факторами: длительное время орбитального существования космического мусора, высокая скорость движения, трудность его утилизации. Следствием этих факторов (особенно второго) является то, что даже самый мелкий космический мусор (размерами менее 1 см) может представлять серьезную опасность для космического аппарата.
Особенно опасен мелкий космический мусор в низкоорбитальной области (основной тактической и оперативной зоне космического театра военных действий), где относительные скорости космических аппаратов и космического мусора могут превышать 15 км/с, а в перигейной области высокоэллиптических орбит — 17 км/с. А при таких скоростях столкновение космического аппарата даже с мельчайшим мусором может не только повредить солнечные панели, иллюминаторы и оптические поверхности бортовых наблюдательных инструментов, но и уничтожить космический аппарат, как это было в случае с КА «Блиц».
Особая политическая опасность, которую несет появление такой независимой группировки в ОКП, состоит в том, что непредсказуемое воздействие этой группировки на космический аппарат (особенно военного назначения) может спровоцировать политический или даже вооруженный конфликт между космическими дер-
Геннадий ПАДАЛКА,
российский космонавт, полковник ВВС, Герой РФ. Занимает первое место по суммарной продолжительности нахождения в космосе — 878 дней
В каждом из пяти моих полетов маневры по уклонению от столк новения с космическим мусором выполнялись по нескольку раз.
жавами. Не всегда страна-собственник космического аппарата, подвергнутого воздействию космического мусора, может оперативно определить действительную причину его выхода из строя (или потери эффективности его функционирования).
ЛИТЕРАТУРА: -
1. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству. 2-е издание, исправ. и доп. М.: ИКИ РАН, 2013. (Сер. Механика, управление, информатика).
2. Аксенов О., Олейников И. и др. Анализ заселенности ОКП объектами техногенного происхождения // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2014. № 9. С. 8-14.
3. Orbital Debris Quarterly News. NASA, USA, Jan. 2015. V. 19. Iss. 1.
4. Liou J.-C. An Updated Assessment of the Orbital Debris Environment in Leo // Orbital Debris Quarterly News. January 2010. V. 14. Iss. 1.
5. Potter A. Early detection of Collisional cascading // Proceedings of the 1st European Conference on Space Debris, ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, 1993.
6. Назаренко А. Прогноз засоренности ОКП на 200 лет и синдром Кесслера [Электрон. текст]. Метод доступа: <http://www.satmotion.ru>
7. Nazarenko A. Space Debris Status for 200 years ahead & Kessler effect // 29th IADC Meeting, Berlin, Germany, 2011.
8. Kessler D. et al. The Kessler syndrome: Implications to Future Space Operations // 33rd Annual American Astronautical Society, Rocky Mountain Section, Guidance and Control Conference, Breckinridge, Colorado, USA, 2010.
9. Small Satellite Possibly Hit by Even Smaller Object // Orbital Debris Quarterly News. NASA, USA, April 2013. V. 17. Iss. 2.
10. Orbital Debris Quarterly News. NASA, USA, January 2014. V. 18. Iss. 1. Р. 10.
11. Orbital Debris. A Technical Assessment // NRC. National Academy Press, Washington, D.C. 1995.
