С. В. Чекалин
ПРОБЛЕМА «КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА»
Советский Союз, как и США, проводит исследования по вопросам засорения околоземного космоса фрагментами ракетно-космической техники. Эта проблема затрагивает интересы многих стран и приобретает особую актуальность. Оценка существующей ситуации и прогноз ее развития показывают необходимость тесного международного сотрудничества с целью принятия своевременных и действенных мер по снижению темпа роста «космического мусора» и обеспечению безопасности орбитальных полетов.
ОРБИТАЛЬНЫЕ ФРАГМЕНТЫ И ОПАСНОСТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ В КОСМОСЕ
Засорение космического пространства началось сразу же после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ), вместе с которым «а орбиту вышла последняя ступень ракеты-носителя (РН). За годы космической эры на околоземных орбитах было зарегистрировано свыше 20 тысяч космических объектов искусственного происхождения размером более 10 см, за которыми возможно слежение с помощью современных наземных средств. Это отработавшие верхние ступени РН и разгонные блоки, отслужившие свой срок космические аппараты (КА), в том числе отделившиеся от них в космосе элементы конструкции типа переходников, крышек, пружинных толкателей, пироболтов. Сюда же относятся потерянные космонавтами при выходе в открытый космос перчатка, отвертка, кинокамера, а также многочисленные фрагменты, образовавшиеся в результате самопроизвольных взрывов или столкновений объектов.
Часть этих объектов и фрагментов со временем, в зависимости от высоты их орбиты и массы, входит в плотные слои атмосферы и в подавляющем большинстве сгорает, и только небольшая часть достигает поверхности Земли. На данный момент в космосе находится около 7200 наблюдаемых искусственных объектов, причем лишь 5% из них представляют собой действующие КА, а остальные по существу, являются «космическим мусором».
К сожалению, «космический мусор» не ограничивается только зарегистрированными объектами. Экстраполяция на основе существующих моделей показывает, что число фрагментов размером в несколько сантиметров, образующихся при разрушении объектов, составляет уже несколько десятков тысяч, а осколки в пределах 1 см и менее исчисляются сотнями тысяч и миллионами.
Наряду с общим ростом числа орбитальных обломков характерным является и расширение сферы их распространения в околоземном пространстве. Как показывают наблюдения, после случившихся самопроизвольных взрывов объектов осколки собираются в кольцо в достаточно узких полосах орбит, незначительно отличающихся углом наклона (обычно в пределах одного градуса и менее). Однако со временем плоскости орбит начинают расходиться. И в итоге обломки распределяются по всей сфере околоземного пространства: траектории их полетов охватывают Землю тонкой оболочкой, оставляя свободными лишь оба полюса.
Растущее засорение космоса начинает вызывать беспокойство. От падающих остатков космических объектов нас защищает плотный стой атмосферы, в котором они сгорают, Но они становятся опасными для сверхзвуковой транспортной авиации, летающей на больших высотах. Возможны и случаи, когда при падении объектов часть их обломков, не успев сгореть в атмосфере, достигает поверхности Земли. В 1979 г. серьезные опасения с этой точки зрения вызвало непредвиденное быстрое снижение американской орбитальной станции «Скайлэб». К счастью, несгоревшие обломки станции упали в малонаселенных районах Австралии, не причинив вреда. В начале 1991 г. такие же опасения связывали с падением советской орбитальной станции «Салют-7», фрагменты которой вошли в плотные слои атмосферы над территорией Южной Америки.
Возрастает и вероятность столкновения в космосе с обломками «мусора», что в будущем может оказать существенное влияние на безопасность полетов орбитальных станций и пилотируемых транспортных кораблей, а также на продолжительность функционирования автоматических ИСЗ. Основная опасность «космического мусора» связана с огромными, поистине космическими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с КА. Например, встреча с обычным крепежным болтом, потерянным на орбите, при относительной скорости встречи 10 км/с равнозначна для КА столкновению с пушечным ядром, запущенным со скоростью 300 м/с. Летящая в космосе частица диаметром всего 0,5 мм может пробить космический скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала. О том, какую опасность представляют в космосе такие почти неразличимые человеческим глазом микроосколки, как частицы краски, свидетельствуют эрозионные повреждения иллюминаторов на орбитальных станциях «Салют-7», «Мир» и американских многоразовых кораблях типа «Шаттл»
Наиболее высокая концентрация фрагментов наблюдается в диапазоне высот от 300 до 1600 км, где вероятность столкновения КА с мелким осколком стала приближаться к вероятности столкновения с метеоритом тех же размеров. По всей видимости, в перспективе потребуются дополнительные веса конструкции для защиты орбитальных станций и КА от «космического мусора», а также специальные мероприятия по снижению загрязнения этих орбит, поскольку при достигнутом росте засорения космоса вероятность столкновения станции типа «Мир» с опасным осколком размером 1 см и более прогнозируется в 2000 г. как один раз в 17 лет, а в 2010 г. и 2020 г. уже как один раз в 7 лет и в 2 года соответственно.
Уровень засорения, помимо опасности, может негативно влиять на выполнение задач контроля «космического пространства, создавая дополнительный фон для оптических, радиолокационных и других средств обнаружения, идентификации и сопровождения космических объектов, а также на работоспособность аппаратуры самих КА. Кроме того, световые отражения от орбитальных осколков могут мешать работе астрономов.
Особое значение приобретает засорение «космическим мусором» зоны геостационарной орбиты (ГСО) в силу ограниченности ее размеров. С 1963 г. по настоящее время на эту орбиту запущено уже более трехсот КА. При этом отдельные участки ГСО из-за различных требований в космических линиях связи оказываются перегруженными и включают 15 (в перспективе 30) КА на десятиградусной дуге орбиты. Положение работающих спутников на ГСО с применением активной коррекции поддерживается в среднем с точностью ±0,1° по долготе и широте, что соответствует отклонениям ±75 им, а по высоте в пределах ±25 км. Из-за дрейфа отработавших геостационарных спутников на орбите возможны их сближения на расстояние менее 10 км. Это в перспективе может создать помехи работе связных средств и рассматривается как один из факторов, уменьшающих ограниченные ресурсы использования геостационарной орбиты.
Орбиты средней высоты, находящиеся между низкой околоземной орбитой и ГСО, характеризуются относительно невысокой плотностью распределения наблюдаемых объектов.
В таблице, по данным наземной службы слежения США, представлено распределение каталогизированных объектов и фрагментов по их типам и высотам орбит (в %).
| Объекты | Действующие и отработавшие КА |
Последние ступени РН и разгонные блоки |
Обломки и отделяемые элементы |
Общее кол-во фрагментов |
| Орбиты | ||||
| Низкие околоземные | 16 | 9,2 | 58,5 | 83,7 |
| Средней высоты | 3,3 | 4,2 | 2,1 | 9,6 |
| Геосинхронные | 4,7 | 1,8 | 0,2 | 6,7 |
| 24 | 15,2 | 60,8 | 100 |
Не менее серьезную опасность, наряду с механическим засорением низких околоземных орбит, представляют возможные отказы и аварии КА с радиоизотопными и ядерными энергоустановками на борту, которые могут приводить и уже приводили к радиоактивному загрязнению Земли, атмосферы и близлежащего пространства. Так, в 1964 г. американский навигационный спутник «Транзит» с радиоизотопным источником энергии не смог выйти на орбиту. Устройство с плутонием-238 распалось в атмосфере и рассеялось по всему земному шару, втрое увеличив содержание этого изотопа в окружающей среде. В 1978 г. советский спутник «Космос-954» вошел в атмосферу и развалился на части, разбросав радиоактивные осколки в северо-западных районах Канады.
Проблема экологически чистой утилизации отходов остается даже при нормальном функционировании ИСЗ с ядерным топливом на борту. Предусмотренный в некоторых конструкциях отстрел активной зоны с переводом ее на орбиту «высвечивания» является далеко не идеальным решением. Считается, что на околоземных орбитах в настоящее время находится несколько десятков ИСЗ, несущих на борту в общем не менее одной тонны урана-235 и других продуктов распада. Большинство этих ИСЗ вращаются на орбитах в наиболее засоренной зоне и подвергаются опасности разрушения при столкновении с осколками. Все чаще специалисты и ученые высказываются за ограничение использования ядерных энергоустановок (ЯЭУ) в космических аппаратах на околоземных орбитах. Как считают эксперты, ЯЭУ должны использоваться лишь для КА, направляемых в дальний космос к другим планетам, где нет иных источников энергии.
В настоящее время при существующем темпе запусков КА количество фрагментов на орбитах, наблюдаемых наземными средствами слежения, в среднем увеличивается на 5% в год. Темп роста числа мелких, не отслеживаемых осколков предполагается еще более высоким. Если не будут предприниматься усилия по замедлению роста количества орбитальных фрагментов, то со временем может возникнуть сложная обстановка на орбите, способная при достижении критической плотности засорения вызвать каскадное увеличение количества осколков за счет взаимопорождающих друг друга столкновений (каскадный эффект). Чтобы этого не произошло, необходимо уже сегодня разработать и проводить в жизнь комплексную программу работ по проблеме снижения уровня засорения космического пространства.По материалам:
НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ
ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ
КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ
7/1991
