С тех пор, как человечество запустило первый аппарат на орбиту Земли, прошло немного времени – всего каких-то шестьдесят с небольшим лет, что это в масштабах нашей планеты. Но даже за такое короткое время мы успели оставить в космосе множество объектов, крупных и мелких. Все это – космический мусор, который находится на околоземной орбите и в пределах Солнечной системы. Мусор состоит из отработанных ступеней космических кораблей и зондов, отслуживших спутников и их деталей, а также отходов жизнедеятельности космонавтов, находящихся на МКС.
Казалось бы, что такое эти мелочи в масштабах космоса? Тем не менее все эти объекты в ближнем космосе вызывают нешуточное беспокойство у ученых. Дело в том, что уже сейчас любые космические полеты сопряжены с серьезным риском: каждый нежелательный объект на пути космического аппарата может стать причиной его гибели.
Проблема существует
Представьте себе частицу диаметром всего 1 мм. По сути, это песчинка, на Земле мы ее вряд ли заметим. В космосе с его огромными скоростями такая песчинка может быть серьезной проблемой: если взаимная относительная скорость корабля и частицы составляет несколько километров в секунду, то при столкновении такая маленькая на первый взгляд частичка может пробить корпус корабля на глубину нескольких миллиметров или даже сантиметров. В 1983-м году подобный случай уже имел место: песчинка меньше 1 мм в диаметре оставила опасную трещину в иллюминаторе американского шаттла.
Если размер частицы превышает сантиметр, то это уже смертоносное оружие, которое может и вовсе вывести корабль из строя. По сути, объект размером всего сантиметр может вызвать повреждения, которые на Земле оставил бы взрыв гранаты или снаряда. Причем при столкновении с крупными объектами корабли и спутники разлетаются на осколки, порождая еще большее загрязнение орбиты.
Первый случай масштабной аварии из-за космического мусора датируется июлем 1996-го года. Тогда французский спутник на высоте около 660 км столкнулся с фрагментом третьей ступени ракеты Arian, который по иронии судьбы остался от более раннего французского запуска.
Особенно стоит задуматься Китаю: в 2007-м году страна испытала противоспутниковую ракету, которая на высоте 865 километров успешно уничтожила спутник «Фэнъюнь». В результате этого на орбите оказалось около 2 тыс. новых осколков размером несколько сантиметров.
По последним оценкам, сейчас на земной орбите на высоте до 2000 км находится около 220 – 300 тыс. различных техногенных объектов, общая масса которых превышает 5 тыс. тонн. Более 20 тыс. объектов, размер которых превышает 5 см, постоянно отслеживаются. Еще полмиллиона более мелких частиц летает вокруг нашей планеты, ну а число микроскопических частичек, не представляющих существенной опасности для космических аппаратов, и вовсе не поддается подсчету.
Таким образом, количество мусора на орбите постоянно увеличивается. Уже скоро специалисты прогнозируют существенные трудности в организации полетов из-за большого риска столкновения с небольшими объектами на орбите. Ну, а в случае возможной аварии в космическом пространстве мусора станет еще больше.
Наблюдения
Несмотря на то, что на практике космический мусор еще никто не убирает, учитывать и отслеживать его начали уже достаточно давно. Отслеживать объекты на орбите сейчас могут лишь две страны – Россия и США. Конечно, всем бы хотелось видеть в этом списке еще и Китай – эта страна является самым главным загрязнителем орбиты, поставляя туда около 40% всего мусора. Второе место занимают США с 27,5%, на третьем– Россия с 25,5%. Самая засоренная область орбиты находится ближе всего к планете. Это обусловлено тем, что именно здесь мы проявляем больше всего космической активности.
СССР усилиями Министерства обороны и Академии наук еще в 1985-м году начал интересоваться вопросами космического мусора. Уже к 1990-му году была получена математическая модель загрязненности околоземного пространства, а также некоторые практические данные. В США проблемой занимается Сеть по наблюдению за космическим пространством. Организация отслеживает траектории всех объектов на околоземной орбите больше пары сантиметров в диаметре.
CleanSpace One
Не так давно группа ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) объявила о запуске программы создания уборщиков космического мусора. Название для программы было выбрано довольно амбициозное и с претензией на лидерство – CleanSpace One.
CleanSpace One в погоне за космическим мусором / ©CleanSpace One
Клод Николье, пока что единственный швейцарский астронавт, совершивший уже четыре полета, считает, что настало время странам с космическими программами убраться за собой. Программа CleanSpace One нацелена на создание нескольких моделей недорогих и легких спутников-уборщиков. Планируется, что аппараты CleanSpace One не будут по размерам превышать 300х100х100 мм, а вес их составит лишь несколько сот граммов.
Первыми двумя объектами, которые будут выведены с орбиты, станут два швейцарских малых спутника. Первый – запущенный в 2009-м году и на данный момент уже отслуживший свой срок Swisscube. Он находится на орбите, высота которой колеблется от 630 до 750 км, в зависимости от ее участка. Другой спутник, который будет выведен с орбиты,– любительский TIsat-1, запущенный в 2010-м году, орбита которого находится немного ниже орбиты Swisscube.
После вывода на необходимую высоту CleanSpace One с помощью маневровых двигателей должен приблизиться к одному из выбранных для утилизации объектов. После этого он выдвинет специальные захваты, которые как щупальца осьминога обовьют его. После этого оба объекта будут сведены с орбиты и сгорят в атмосфере.
Аппарат CleanSpace One раскрыл «щупальца» для захвата объекта / ©CleanSpace One
По предварительным оценкам, программа разработки и создания первых экземпляров космических уборщиков обойдется относительно недорого, чуть более 10 млн. долларов. Но не стоит обольщаться, каждый аппарат CleanSpace One способен убрать с орбиты лишь сопоставимый с собой по размерам объект. Так что очистка космоса по версии швейцарцев остается довольно дорогим предприятием. Впрочем, ученые настроены довольно оптимистично и планируют в будущем продавать свои разработки другим странам.
ЕКА
Европейская космическая ассоциация (European Space Association – ESA) существует уже почти четыре десятка лет, а организациям-предшественникам и вовсе около полувека. Изначально ассоциацию учредили 10 европейских стран, но сейчас ее постоянными членами являются 20 государств. Кроме того, в работе ЕКА регулярно принимает участие Канада.
На базе ассоциации создано много различных департаментов, каждый из которых занимается той или иной проблемой, связанной с космосом. Существует среди них и департамент космического мусора, которым руководит Хайнер Клинкрад. На недавней конференции, посвященной этой проблеме, он выступил с докладом, согласно которому убирать космический мусор должны те страны, которые его и оставили на орбите.
«Каждая страна должна следить за крупными объектами, которые она выводит в космос, и нести ответственность за них после того, как они отработают свой ресурс»,– считает Хайнер Клинкрад. «На сегодняшний день у ЕКА есть два таких проблемных объекта, и мы ищем возможности их ликвидации».
Под проблемными объектами Клинкрад подразумевал два крупных европейских спутника – Envisat и ERS-1. Первый из них был запущен в 2002-м году и является самым тяжелым из спутников ЕКА за всю историю – 8211 кг. По сравнению с ним потенциальные цели программы CleanSpace One выглядят немного несерьезно. В течение десяти лет спутник успешно выполнял поставленные перед ним задачи, пока 8 апреля 2012-го года с ним не была потеряна связь. После безуспешных попыток ее восстановить 9 мая того же года руководство ЕКА объявило о прекращении миссии. С тех пор спутник находится на своей прежней солнечно-синхронной орбите средней высотой 790 км.
Спутник Envisat запущен 1 марта 2002 года ракетой-носителем «Ариан-5» на солнечно-синхронную полярную орбиту высотой 790±10 километров. Один оборот делает за 101 минуту / ©ESA
ERS-1 – исследовательский спутник, который был запущен еще в 1991-м году. Его масса составляет 2400 кг, а основной задачей на солнечно-синхронной орбите высотой 758 км являлась съемка Земли. За время своей эксплуатации спутник отправил более 1,5 млн. фотографий и помог сделать несколько важных научных открытий. В частности, именно он помог обнаружить подледное озеро Восток в Антарктиде. 10 марта 2000-го года отказала бортовая система ориентации, после чего ERS-1 продолжает свое движение на орбите Земли.
Сейчас сложно даже приблизительно оценить, во сколько обойдется сведение с орбиты столь крупных объектов. Тем не менее в ЕКА считают, что время для активных действий уже настало. Если в ближайшем будущем страны с космическими программами не начнут убирать за собой, то через пару лет летать в космос станет просто невозможно.
TAMU Space Sweeper
Джонатан Миссель, дизайнер и ученый из Университета Техаса, вместе с коллегами предложил свой способ уборки околоземного пространства. Проект получил название TAMU Space Sweeper, а разрабатываемый спутник-уборщик– Sling-Sat. По словам Мисселя, проект призван как можно менее затратно убирать с орбиты космический мусор.
Уникальность проекта в том, что спутник будет многоразовым. Ему не придется, как швейцарскому CleanSpace One, вместе с мусором отправляться в атмосферу и сгорать там. Специальная рука-манипулятор позволит ловить объекты и изменять их траекторию таким образом, чтобы они отправлялись гореть в атмосферу, в то время как сам спутник Sling-Sat будет продолжать охоту за новым мусором. Еще одна уникальная особенность– спутник будет получать большую часть энергии именно от мусора, что позволит обойтись без громоздких источников питания, а, следовательно, и существенно удешевить запуск Sling-Sat с Земли.
Проект выглядит очень привлекательно. Но пока нет никаких точных сведений насчет его стоимости и сроков практической реализации.
Спутник-уборщик Sling-Sat / ©TAMU Space Sweeper
Российский взгляд на проблему
Российская ракетно-космическая корпорация «Энергия» разрабатывает собственное решение для очистки ближнего космоса. При этом создаваемый проект позволит не только чистить орбиту от хлама, но и ремонтировать неисправные космические аппараты. Да и подход, предлагаемый российскими специалистами, совсем не похож на все, представленные ранее.
Для проекта космического уборщика «Энергия» разрабатывает специальный пилотируемый корабль. Экипаж корабля будет состоять из двух космонавтов, а максимальная длительность полета составит около двух недель. Во время полета корабль-ремонтник сможет приближаться к проблемным метеорологическим спутникам и аппаратам дистанционного зондирования Земли, осматривать их, а также проводить ремонт. Ожидается, что оборудование позволит заменять блоки спутников, дозаправлять их, ремонтировать солнечные батареи и даже перемещать спутники на другие орбиты.
Для ремонта будут использоваться специальные роботизированные манипуляторы, точность позиционирования которых не будет уступать человеческим рукам. В сложных ситуациях для ремонта будут проводиться выходы космонавтов в открытый космос. Ну, а в случае, когда ремонт нецелесообразен, корабль позволит отправить спутник на Землю, где он сгорит в атмосфере.
По словам главы «Энергии» Виталия Лопоты, услуги по сведению с орбиты неработающих спутников в будущем можно будет оказывать на коммерческой основе, причем это должно быть весьма выгодно. Изначально тестирование будет проходить в беспилотном режиме. Первый пилотируемый полет намечен на 2018-й год.
