Миссия ADRAS-J предпринимает первые шаги к коммерческому удалению космического мусора⁠⁠

Написано Мартином Смитом 19 февраля 2024 г.
Первоисточник

Недавнее увеличение числа запусков для удовлетворения растущих потребностей в спутниках связи и наблюдения приводит к тому, что с каждым годом на орбиту выводится все больше космических аппаратов. Это особенно верно для более перегруженной низкой околоземной орбиты (LEO).

Уделяя особое внимание обеспечению безопасности космического пространства для нынешнего и будущих поколений, такие организации, как Astroscale, реагируют на развивающийся рынок коммерческих орбитальных услуг для действующих и выведенных из строя спутников на орбите. Эти планы выходят за рамки простого технического обслуживания и продления срока службы, включая дозаправку космических аппаратов, а также активное удаление космического мусора.

Компания Astroscale со штаб-квартирой в Японии является одной из нескольких частных компаний, внедряющих инновации в этой области. Исследовательская миссия Active Debris Removal by Astroscale-Япония (ADRAS-J), запущенная на ракете Rocket Lab Electron на прошлой неделе, направлена на отработку необходимых операций и технологий, которые будут лежать в основе предоставления новых услуг на орбите.

Космический мусор, в просторечии называемый «космическим мусором», может принимать несколько форм, начиная от спутников, срок службы которых истек, и заканчивая выброшенными ступенями ракет, которые выполнили свои функции. Некоторые ступени ракет, в том числе из миссий двадцатого века, были переведены на «орбиту захоронения», которая находится по крайней мере в 300 километрах над геостационарной орбитой (GEO) на высоте 35 800 километров. Однако внимание отрасли сосредоточено на более загруженных орбитах LEO.

Снижению орбиты способствуют различные факторы, включая орбитальную высоту, сопротивление атмосферы, баллистический коэффициент объекта и даже «погоду» в космосе. По этой причине космические аппараты поддерживают запас топлива для периодической коррекции орбиты. Период существования увеличивается экспоненциально с увеличением высоты, при этом «время жизни» превышает 10 лет, когда вы удаляетесь выше 500 километров.

Срок службы спутников на LEO обычно составляет пять лет, в то время как спутники на GEO часто работают до 15 лет. В конце 2022 года Федеральная комиссия по связи (FCC) предприняла шаги по уменьшению количества растущего мусора в радиусе 2000 километров от Земли, сократив срок с 25 до пяти лет, в течение которых операторы спутников, лицензированных FCC, должны выводить свои спутники с орбиты после завершения миссии.

В октябре 2023 года FCC оштрафовала спутниковую компанию Dish Network на 150 000 долларов за то, что она не смогла вывести свой EchoStar-7 на более высокую «орбиту захоронения» по истечении срока его службы в GEO. Спутник поднялся менее чем на половину от требуемой высоты в 300 километров из-за недостаточного количества топлива.

Современные операторы ракета-носителей прекрасно осознают важность предотвращения образования космического мусора и будут точно контролировать сведение с орбиты отработавших ступеней. Например, вторые ступени Falcon 9 выполняют торможение двигателями для безопасного сведения с орбиты после развертывания полезной нагрузки. Аналогичным образом, стартовая ступень Rocket Lab Electron в последний раз запускает свой двигатель, чтобы самостоятельно сойти с орбиты, в то время как вторая ступень снижает собственную высоту, так что на орбите не остается ничего, кроме развернутых спутников.

Спутники Starlink будут использовать свои ионные двигатели для снижения своей орбиты по истечении срока службы, и на высотах ниже 600 километров спутники не оставят долговременного мусора, даже если спутник выйдет из строя на орбите. Когда в начале этого года миссия Perigrine-1 столкнулась с аномалией, компания Astrobotic приняла решение оградить окололунное пространство от потенциального мусора и использовала оставшееся топливо посадочного модуля, чтобы наметить путь, по которому аппарат снова войдет в атмосферу Земли и впоследствии сгорит и распадется.

Несмотря на эти ответственные меры по смягчению последствий, орбиты LEO по-прежнему заполнены сотнями тысяч обломков, включая космические аппараты с истекшим сроком службы, у которых закончилось топливо, и они не могут ни работать, ни маневрировать. Эти объекты находятся в центре внимания миссии ADRAS-J.

Миссия ADRAS-J

Миссия Rocket Lab «При ближайшем рассмотрении» стартовала на ракете Electron со стартового комплекса 1 в Махии, Новая Зеландия, 19 февраля в 3: 52 утра по Новозеландскому времени (14: 52 UTC 18 февраля) с ADRAS-J, масса которого составляет 180 килограммов.

Цель миссии - безопасно приблизиться, оценить и облететь по наблюдательной орбите большой кусок космического мусора в LEO — верхнюю ступень японской ракеты H-IIA.

Другие демонстрационные миссии, подобные ADRAS-J, ранее либо обнаруживали целевой объект в рамках демонстрации, либо могли установить с ним контакт. Разница между предыдущими демонстрационными миссиями и ADRAS-J заключается в некоммуникабельности, отсутствии электропитания и топлива и неуправляемости ступени ракеты.

Поскольку с объекта не передается GPS или другие данные, первоначальная идентификация и сближение будут основываться на ограниченных наземных данных. После этого бортовые визуальные и другие датчики определят местонахождение ступени и определят относительное расстояние и ориентацию ступени, прежде чем выполнить безопасный подход к объекту.

ADRAS -J приблизится к цели на орбите высотой около 600 километров, используя серию маневров в стиле штопора «безопасный эллипс». Оказавшись рядом со ступенью, она выполнит серию «Операций сближения», которые демонстрируют технологию, необходимую для точного сближения с крупным целевым объектом.

Затем на следующем этапе облета будет определена скорость вращения цели и ее ось вращения, прежде чем ADRAS-J выполнит свои задачи, заняв устойчивое положение на небольшом расстоянии от ступени, согласованное с ориентацией ступени.

Для постепенного приближения к целевому объекту используются различные навигационные методы и датчики; VISCam (интеллектуальная обработка изображений, позволяющая определять местоположение объекта), IRCam (с использованием инфракрасного излучения) и LIDAR (с использованием света в виде импульсного лазера для измерения расстояний). Последний используется для окончательного захода на контакт, чтобы выровняться с объектом и продемонстрировать, что аппарат можно удерживаться на близком расстоянии.

Этап проверки позволяет делать снимки каждые 30 секунд, а данные, собираемые ADRAS-J, будут напрямую использоваться в других текущих программах Astroscale, которые сосредоточены на очистке орбиты от мусора и техническом обслуживании спутников.

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) выбрало эту миссию в качестве начального этапа своего демонстрационного проекта по коммерческому удалению космического мусора. Вторая фаза будет переходить к фактическому захвату и удалению обломков объекта, но контракт на нее еще не заключен.

Миссия призвана стимулировать глобальные дискуссии с правительствами и компаниями космической отрасли по внедрению активного удаления космического мусора (ADR) и будет соответствовать мерам и процессам, изложенным в «Руководстве по выдаче лицензии на эксплуатацию космического аппарата, выполняющего обслуживание на орбите», которое было выдано правительством Японии в ноябре 2021 года. Это были первые рекомендации такого рода и результат консультаций с различными космическими агентствами, министерствами и отраслевыми экспертами, включая ведущие частные космические компании.

Компания Astroscale с момента своего создания в 2013 году была однозначно ориентирована на безопасное удаление космического мусора и отвечает за весь жизненный цикл этого проекта — от проектирования и постройки до тестирования, запуска и последующих операций в космосе.

ADRAS-J станет первой миссией по удалению космического мусора, нацеленной на объект такого размера, со ступенью H-IIA размером 11 х четыре метра. На этом этапе в 2009 году был запущен спутник для наблюдения за парниковыми газами, который является частью одноразовой системы запуска, которая запускает полезные грузы с 2001 года, включая космический телескоп XRISM и посадочный модуль SLIM lunar lander.

Другие миссии по удалению космического мусора с орбиты

Технология ADRAS-J основана на использовании услуг Astroscale по завершению срока службы в рамках демонстрационной миссии Astroscale (ELSA-D), которая завершила операции сближения между двумя космическими аппаратами в мае 2022 года, когда один космический аппарат был оснащен магнитной стыковочной пластиной.

ELSA-D была разработана в партнерстве между Европейским и британским космическими агентствами и спутниковым оператором OneWeb, и на смену ей должен прийти вариант с несколькими космическими аппаратами (ELSA-M). ELSA-M намерена продемонстрировать повторный захват и удаление в рамках той же миссии, а также усовершенствованный захват объектов, находящихся в неконтролируемом вращении или кувырке.

Планируется, что миссия Astroscale по очистке космического пространства с помощью инновационного захвата (COSMIC) станет развитием варианта ELSA-M и обеспечит функциональность по выводу с орбиты неработающих спутников в качестве коммерческой услуги для спутниковых операторов. Ожидается, что COSMIC запустят в 2025 году в рамках инициативы ADR Великобритании. В конце 2023 года она прошла проверку системных требований и в настоящее время проходит предварительную проверку функциональности конструкции, такой как предлагаемая роботизированная рука и методы разборки.

ClearSpace - еще одна инновационная британская организация, которая возглавляет консорциум при поддержке Космического агентства Великобритании по разработке и выполнению миссии по очистке орбиты от мусора.

Их миссия, известная как Очистка окружающей среды LEO активным удалением (CLEAR), вступила в стадию проверки проекта в октябре прошлого года и намерена удалить с LEO два зарегистрированных в Великобритании неработающих объекта, которые были неактивны более десяти лет. Космический аппарат CLEAR будет оснащен раскладывающимися роботизированными манипуляторами, которые будут использоваться для захвата и у держания целевых объектов. В настоящее время запуск CLEAR запланирован на вторую половину 2026 года на ракете Vega C из Французской Гвианы.

Среди других изученных недорогих методов - широкая тормозная лента Millennium Space, масса которой составляет менее одного килограмма. Лента может быть выпущена космическим аппаратом для дешевого и быстрого самостоятельного удаления с орбиты. Из двух спутников, развернутых в ходе миссии DRAGRACER в 2020 году, спутник с 70-метровой тормозной лентой сошел с орбиты в течение восьми месяцев, в то время как другому спутнику, по оценкам, потребуется не менее семи лет, прежде чем он сойдет с орбиты.

Орбиты Земли становятся слишком переполненными?

В период с 1957 по 2012 год количество запускаемых спутников в год оставалось достаточно стабильным, как отметила Организация Объединенных Наций в своем обзоре «Для всего человечества», и составляло примерно 150. Этот период включает в себя годы первых полетов человека в космос и разработку Международной космической станции (МКС) и спутников глобальной связи. Однако за последнее десятилетие количество запусков спутников в год увеличилось в геометрической прогрессии, превысив 2000 к 2022 году.

Космос огромен, но некоторые обеспокоены тем, что количество объектов с истекшим сроком годности на орбите увеличивает их потенциальную опасность для других космических аппаратов и риск того, что их орбиты меняются менее предсказуемым образом. Созвездия спутников связи, такие как Starlink и Kuiper, внесут основной вклад, и оба созвездия в конечном итоге надеются иметь тысячи спутников в своих созвездиях.

Мусор, конечно, не ограничивается вышедшими из эксплуатации аппаратами и ступенями. По оценкам НАСА, существует около 100 миллионов частиц космического мусора размером более одного миллиметра, из которых около 25 000 больше 10 сантиметров - размером с софтбольный мяч.

По данным НАСА, МКС корректирует свой курс, если вероятность столкновения с обломками превышает один к 10 000, и с 1999 года корректировала курс более тридцати раз.

Наибольшая концентрация мусора находится на высоте от 750 до 1000 километров, при этом большая часть мусора вращается в пределах 2000 километров от поверхности. Время, в течение которого этот мусор может оставаться в космосе, составит от нескольких лет до более чем столетия, в зависимости от высоты полета. Каждый год где-то от 200 до 400 объектов с более крупными объектами повторно входят в атмосферу Земли, хотя менее 100 из этих объектов достаточно велики, чтобы пережить этот процесс и достичь поверхности в той или иной форме.

Основные опасения ученых - это «Синдром Кесслера», названный в честь ученого НАСА Дональда Кесслера, который в 1978 году написал статью, в которой предупредил, что столкновения в перенаселенном космосе могут вызвать эффект домино в виде дополнительных воздействий, которые каскадом доходят до того, что LEO может стать необратимым полем обломков на многие годы.

По оценкам, треть всего занесенного в каталог космического мусора может быть отнесена всего к двум таким «событиям фрагментации» в космосе. Самый серьезный инцидент произошел в 2009 году, когда спутник Iridium 33 столкнулся с российским военным спутником Космос-2251, срок службы которого превысил пятилетний срок и он больше не работал. Впоследствии военные США разработали процесс, который включает ежедневные проверки всех активных спутников на орбите, чтобы предвидеть риск столкновения объектов и реагировать на него.

В результате столкновения образовалось почти 2000 обломков размером более 10 сантиметров, некоторые из которых с тех пор исчезли с орбиты, в то время как половина обломков Iridium и большая часть космического мусора останутся на орбите еще 10-20 лет.

Вторым инцидентом стал преднамеренный взрыв метеорологического спутника Fengyun-1C в 2007 году во время испытания китайской противоспутниковой ракеты. При скорости около 32 400 километров в час силы удара было достаточно, чтобы уничтожить спутник без взрывчатки.

Впоследствии в результате взрыва образовалось 3000 крупных обломков (которые до сих пор регулярно отслеживаются как представляющие потенциальную опасность для МКС) и около 150 000 частиц, из которых более половины могут оставаться на орбите на высоте около 850 километров в течение десятилетий; большинство, вероятно, останется в следующем столетии.

Другие типы космического мусора и астероидов

Последний тип космического мусора - это неожиданные и утерянные предметы, такие как потерянные предметы во время внекорабельной деятельности (EVA), такие как молотки и инструменты.

Астронавты случайно теряли предметы, в том числе сумки с инструментами, болты и лопаточки, с тех пор как Эд Уайт потерял свою запасную тепловую перчатку в 1965 году во время первого в истории американского выхода в открытый космос вне капсулы Gemini 4. Недавно во время выхода в открытый космос для замены частей солнечной батареи МКС в ноябре 2023 года была потеряна еще одна сумка с инструментами, которая, как ожидается, сгорит в атмосфере в марте этого года.

Астероид 99942 Апофис пролетит ближе к Земле, чем спутники на геостационарной орбите, в апреле 2029 года и еще один - в 2036 году. При диаметре 340 метров это самое близкое сближение астероида такого размера, о котором мы получили предварительное уведомление. Поскольку траектория полета будет отклоняться от экватора, эксперты исключили какое-либо воздействие на объекты на GEO (и не окажет влияния на Землю, по крайней мере, в ближайшие 100 лет). Переоборудованный космический аппарат OSIRIS-REx, теперь получивший название OSIRIS-APEX, который ранее доставил образец астероида Бенну, будет изучать этот астероид в течение 18 месяцев, пока он проходит мимо.

Космические буксиры и грузовики

Космические буксиры часто доставляют спутники к их конечному пункту назначения, например, дальше на GEO, что позволяет им сохранить топливо на борту.

Это будет усовершенствование по сравнению с аппаратами расширения миссии Northrop Grumman (MEV), разработанными Vivisat почти десять лет назад. При 15-летнем сроке службы конструкция аппарата включает стыковку, обслуживание или сход с орбиты, расстыковку и перемещение к новому объекту.

MEV-1 прикрепился к Intelsat 901 в 2020 году, взяв на себя управление ориентацией и двигательной установкой, чтобы переместить спутник на GEO, вернув его в эксплуатацию на пять лет. MEV-2 просто выполнял роль дополнительного топливного бака и двигателя для спутника Intelsat 10-02. С тех пор компания переключила внимание на роботизированный аппарат для миссий, который будет оснащен серией дополнительных модулей для миссий и может быть запущен уже в этом году.

Поскольку наибольшую угрозу представляют более крупные объекты, которые все еще находятся на LEO, космические буксиры следующего поколения, такие как готовящийся к выпуску буксир Helios от Impulse Space, потенциально могут сыграть свою роль на этом новом рынке и на меньших высотах.

Том Мюллер, генеральный директор Impulse Space, недавно сказал NSF: «Я бы хотел, чтобы этот аппарат заправился на LEO, извлек объект, а затем остался там, снова заправился и продолжил удаление. One Helios, наряду со складами топлива, мог бы действительно повысить эффективность удаления этих больших объектов».