Вадим Романов - Мусор преграждает путь в космос

Достоинство данной идеи в дешевизне и простоте реализации на любых космических аппаратах. Проект GOLD обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими аналогичными предложениями. Изготовление таких устройств недорого, эти устройства могут сразу встраиваться в верхние ступени ракет, препятствуя появлению новых единиц орбитального мусора. И, даже если оболочка воздушного шара будет повреждена осколками или частицами мусора, то её жесткости, по словам проектантов, должно хватить для успешного завершения основной функции устройства.

Однако есть и серьёзные недостатки в том, что воздушный шар уязвим для микрометеоритов и частиц пыли, не говоря уже об объектах большего размера. Кроме того, шар может представлять препятствия в нормальном функционировании КА.

Идея использования механического давления света была реализована НАСА посредством запуска на орбиту небольшого спутника NanoSail-D, оснащенного солнечным парусом. Спутник успешно испытал оборудование для развертывания тончайшего полимерного паруса, который продемонстрировал эффективность аэродинамического торможения в разреженной атмосфере на высоте 650 км. Инженерам НАСА удалось поместить парус площадью более 9 м2 и устройство для его развертывания в коробку размером с батон хлеба. Это достижение позволит в дальнейшем оснащать подобным тормозным «парашютом» практически любые спутники. Преимущества паруса заключаются в малом весе оборудования и возможности замедлять и улавливать микроскопические частицы мусора без особого ущерба для главной задачи — увода старого спутника с орбиты. Недостаток видится в невысокой надежности систем, разворачивающих парус; история космонавтики знает слишком много неудач в этой области.

Одним из самых перспективных способов увода отработавших спутников с орбиты признана система EDT, разработанная НАСА. Её работа базируется на принципе закона Ампера, утверждающего что на движущийся проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Устройство EDT представляет собой длинный гибкий электропроводящий кабель, на одном конце которого размещается груз, а на другом — спутник. При орбитальном движении система пересекает силовые линии магнитного поля Земли и испытывает воздействие силы, противоположной направлению движения электрического кабеля. Таким образом должно происходить торможение аппарата. С помощью EDT разработчики проекта обещают спустить спутник с высоты 1390 км до плотной атмосферы всего за 37 дней, тогда как без подобного вмешательства он провел бы на орбите Земли 9000 лет.

Полезным "побочным эффектом" использования EDT является генерация электрического тока, который может использоваться бортовой аппаратурой спутника, в том числе для сматывания и разматывания кабеля. Если космический аппарат с помощью собственного генератора (например солнечной панели) преодолеет наведенные токи в кабеле, то орбиту можно наоборот поднять. Таким образом, EDT может успешно заменить ракетный двигатель, в том числе на зондах, работающих на орбитах других планет. По расчётам специалистов НАСА, 20-км кабель сможет вырабатывать до 40 кВт электроэнергии, что достаточно даже для пилотируемых полётов.

Следует заметить, что широкое применение EDT осложняется отсутствием достаточной экспериментальной базы и некоторыми проблемами, связанными с колебаниями двух масс, которые порождают на электрическом кабеле механические вибрационные силы.

Оборонное агентство DARPA работает над проектом большой электродинамической сети EDDE, способной собирать на низкой околоземной орбите фрагменты мусора тяжелее 2 кг. Осуществлять эту идею призван орбитальный «тральщик», представляющий собой группу небольших аппаратов и солнечных панелей общим весом около 100 кг. Каждый модуль EDDE имеет небольшую сеть весом 50 г. Она с помощью специального устройства способна захватывать небольшие объекты, движущиеся со скоростями 2–3 м/с относительно модуля. Планируется, что сеть EDDE будет запускаться в направлении скопления космического металлолома, разворачиваться и спускаться в направлении Земли.

Разработчики сети EDDE планируют её возможность активно маневрировать, обходя спутники и наводясь на новые цели, а захваченный орбитальный мусор в это время продолжит падение в плотную атмосферу.

Расчёты показали, что для удаления с низкой околоземной орбиты более чем 2400 объектов орбитального мусора или орбитальных отходов весом более 2 кг каждый, понадобится 12 сетей EDDE общим весом около 1 т.

По мнению разработчиков, за 7 лет 12 аппаратов EDDE способны полностью очистить ОКП от крупных кусков орбитального хлама. Первый полёт аппарата EDDE запланирован на 2013 год, а разворачивание всей группы должно начаться в 2017 году.

Безусловно, заявленный агентством DARPA проект поражает масштабом и размахом, однако его реализация в заявленные сроки, по нашему мнению, не реальна. При воплощении этого амбициозного проекта «в металл» и натурных экспериментах разработчиков ждут непреодолимые технические и финансовые трудности…

Более реалистичен и сравнительно дёшев проект запуска на орбиты ОКП пыли, тормозящей движение мусора. Американские учёные из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США предложили оригинальный способ удаления орбитального мусора [37]. Этот метод ориентирован на устранение обломков и частиц небольших размеров (до 10 см). Многочисленные частицы такого диаметра не менее опасны, чем крупные объекты: за маленькими фрагментами невозможно следить, а повреждения, наносимые ими, могут оказаться весьма серьёзными. Расчётное пространственное распределение этих обломков напоминает распределение 19 тысяч занесённых в каталоги массивных объектов, которые находятся на орбите Земли, но смещено на большую высоту.

Время жизни орбитального мусора растёт вместе с так называемым баллистическим коэффициентом В, определяемым как отношение массы объекта М к площади его эффективного сечения S и коэффициенту аэродинамического сопротивления движению Сх [38]:

В = М/ CxS,

где S = (I·d) 2 — среднегеометрическое значение площади неориентированного осколка;

I, d — длина и ширина мусорного фрагмента.

Известно, что фрагменты и частицы орбитального мусора со значениями баллистического коэффициента В от 3 кг/м2 до 5 кг/м2 скапливаются на высотах около 1000 км над Землёй и могут находиться там веками. Если эти объекты находятся ниже 900 км, где сопротивление среды заметно возрастает, максимальное время их жизни сокращается до 25 лет [37].

Таким образом, суть задачи освобождения от орбитального мелкофракционного мусора сводится к уменьшению высот его полёта до 900 км и ниже. Дальнейшее его «провисание» будет происходить естественным путём ускоренным темпом. Проблема может быть решена путём увеличения сопротивления движению этих частиц на орбитах.

Авторы предлагают использовать для этого вольфрамовые пылевые частицы диаметром 2(А50 мкм, доставленные на квазикруговую полярную орбиту, которая также будет сокращаться за счёт сопротивления среды. Скорость этого процесса зависит от размеров и плотности частиц. Её можно контролировать, если тщательно спланировать траектории орбитального мусора и траектории воздействующей на него металлической пыли. При использовании вольфрамовых мелкодисперсных частиц, по расчётам авторов предложения, эти объекты будут снижаться синхронно. Синхронизация даст возможность уменьшить толщину пылевого слоя AR (см. ниже приведённую схему), которая необходима для очистки требуемого интервала высот 5R.

По расчётам исследователей, для перевода небольших обломков с орбиты высотой 1100 км на 900-километровую понадобится слой 30-микрометровой вольфрамовой пыли толщиной в 30 км и общей массой "всего" в 20 тонн. Процесс искусственного снижения мусора при этом растянется на 10 лет.

Микроскопические пылевые частицы, как уверяют авторы проекта, не будут угрожать работе спутников. Поскольку микрометеориты космического мусора ежедневно доставляют огромные объёмы пыли к Земле, дополнительные 20 тонн вольфрамовой пыли не нарушат установившегося природного равновесия.

Предложенный способ очищения ОКП от мусорных орбитальных экскретов достоин внимания, однако он совершенно не проработан технически и имеет немало «подводных камней». В качестве замечаний к нему следует указать на неопределённость вопросов доставки и распыления металлической пыли на заданных высотах. Как можно сформировать в условиях невесомости равномерный пылевой слой? Не возникнет ли при распылении частиц облако неопределённой конфигурации и нерегулируемых размеров? Как привнесённая в ОКП пыль может повлиять на прохождение солнечной радиации к Земле и не окажет ли она негативного экранирующего воздействия на теплообмен, а значит и на климат планеты?