Вадим Романов - Мусор преграждает путь в космос
Орбитальные отбросы, представляющие собой выброшенные в ОКП продукты жизнедеятельности космонавтов, из-за относительно малой их доли в общем орбитальном хламе можно исключить из опасных экскретных факторов. Однако, орбитальные отходы и орбитальный техногенный мусор создали кризис ракетно-технической деятельности.
Напомним, что представляют собой эти экскреты. Орбитальные отходы — это вышедшие из строя, однако оставшиеся на орбите спутники, космические станции, верхние ступени ракет-носителей, а также крупные неповреждённые фрагменты этих объектов, порождённые авариями в ОКП. На их изготовление и доставку на орбиту истрачены огромные материальные ресурсы, и они даже после потери работоспособности представляют значительную сырьевую ценность.
Орбитальный техногенный мусор включает в себя малоценные или повреждённые в авариях объекты РКТ и их фрагменты, включая разгонные блоки ракет-носителей, сброшенные топливные баки, фрагменты разрушенных космических объектов, а также пружины, болты, гайки, заглушки и тому подобная «мелочь». Например, рабочая перчатка или отвёртка, упущенные астронавтами при ремонте орбитальной космической станции.
После завершения работы КА или после аварии на нём объекты техногенного орбитального мусора самостоятельно «покоряют» космические просторы со скоростью ~28 тысяч километров в час. Эти объекты не имеют никакой потребительской ценности и поэтому считаются мусорными.
По оценкам специалистов, сегодня в околоземном космическом пространстве находится свыше 200-т тысяч объектов размером более одного сантиметра и свыше 330-ти миллионов объектов размером более одного миллиметра. Из-за них любая космическая миссия связана с немалым риском [39]….
Особая опасность орбитальных экскретов связана с тем, что они перемещаются в пространстве с огромными относительными скоростями. В ОКП скорости столкновений объектов ~ 10 — Н5 километров в секунду, это десятки тысяч километров в час. Поэтому даже частица, линейные размеры которой составляют лишь 1 сантиметр, может серьёзно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит со скоростью как минимум в 20 раз быстрее пули.
Обычный спутник (например, спутник связи) используется от пяти до десяти лет, за это время он технологически устаревает, и ему на смену запускают новый. Сегодня абсолютное большинство спутников в ОКП могут быть отнесены к экскретам орбитальных отходов. Этот металлолом способен засорять орбитальное пространство веками, поскольку время его баллистического существования на столь удалённом от Земли расстоянии очень велико. На геостационарной орбите оно теоретически может достигать тысяч или миллионов лет, на низких околоземных орбитах составляет от сотен до нескольких тысяч лет.
По расчётам специалистов, при такой тесноте на геостационарной орбите высока вероятность возникновения так называемого «каскадного эффекта», то есть цепи последовательных столкновений, способных привести не только к разрушению действующих космических аппаратов, но и к образованию огромного количества мелкого мусора. Чтобы предотвратить перенасыщение геостационарной орбиты, ООН объявила её «ограниченным природным ресурсом», и теперь места там «выдаются» строго по заявкам.
Для решения этой проблемы на международном уровне было предложено уводить вышедшие из строя спутники на так называемую «орбиту захоронения», расположенную на 200 — ьЗОО километров выше рабочей орбиты. Конечно, со временем и она окажется заполненной, но на сегодня это единственный выход из создавшегося затруднительного положения.
Проблема очистки орбит от орбитального мусора и отходов в том, что для транспортировки спутника на «орбиту захоронения» нужно дополнительное горючее, а доставка каждого лишнего килограмма груза в ОКП обходится в десятки тысяч долларов. Никто не хочет нести эти дополнительные расходы. Поэтому сегодня лишь треть отслуживших свой срок спутников уводятся на «орбиту захоронения», весь прочий «металлолом» остаётся на геостационарной орбите, угрожая безопасности исправных спутников.
Важная проблема состоит в возможном нарушении физико-химического баланса верхней атмосферы, этой тонко сбалансированной среды. Она характеризуется резким падением плотности с высотой, сложным изменением температуры и химического состава, различными вариациями всех параметров в зависимости от времени суток, широты, уровня солнечной активности. После каждого запуска в результате работы двигателей в верхнюю атмосферу выбрасывается огромное количество химически активных веществ. Водорода и его соединений, например, может быть выброшено столько же, сколько его содержится во всей верхней атмосфере. С активных спутников в атмосферу и в ОКП постоянно инжектируются различные газы. Молекулы истекающих газов из-за большой скорости аппаратов имеют значительную кинетическую энергию, что резко увеличивает их химическую активность.
Атмосфера нашей планеты способствует очищению низких орбит, вызывая медленное торможение объектов и постепенное возвращение их в атмосферу, где они сгорают. Однако из-за техногенных вмешательств в ОКП очищающие свойства атмосферы могут претерпеть заметные изменения и экологическая безопасность ракетно-космической деятельности не будет обеспечена.
Приведём выдержку из Национального стандарта РФ по экологической безопасности ракетно-космической техники [40]: «Экологическая безопасность изделий РКТ должна обеспечиваться их конструкцией, технологией их изготовления и эксплуатацией, использованием наиболее экологически чистых конструкционных и расходных материалов, ракетных топлив, а также применением необходимых организационно-технических мероприятий, направленных на выполнение требований по экологической безопасности изделий РКТ». Заметим, что этот стандарт в настоящее время носит декларативный характер и по разным причинам не может выполняться в полном объёме. Поэтому ракетно-техническая деятельность наносит заметный урон биосфере планеты.
Возможные вредные воздействия факторов изделий РКТ на окружающую среду (ОС) приведены в Таблице 1 [40].
Таблица 1
Матрица связи различных компонентов ОС, основных видов вредных воздействующих факторов изделий РКТ на ОС и основных видов изделий РКТ
Как отмечалось ранее, одной из главных проблем мировой космонавтики становится загрязнение околоземного пространства фрагментами космических аппаратов. За полвека космической эры на околоземных орбитах скопилось немало мусора — несколько тысяч тонн. Это — «отходы» совокупной космической деятельности человечества.
Количество частиц космического мусора размером от 1 до 10 см, отслеживаемых специалистами составляет свыше двухсот тысяч, а число частиц меньше 1 см превышает десятки миллионов [37]. Каждая мусорника представляет опасность для работы космических аппаратов. Средняя скорость взаимных сближений на низких орбитах Земли — десятки километров в секунду, так что маленькая "граммулька" мусора ударяет с энергией хорошей гранаты. Не однажды летящие с огромной скоростью орбитальные «мусорные кучи» вносили коррективы в график работ космонавтов и запуск космических кораблей.
Сегодня можно выделить основных загрязнителей космоса.
На первом месте — Россия (совместно со странами СНГ), которой принадлежит свыше 5 тысяч аппаратов и различных обломков. США заняли второе место (более 4,5 тысяч объектов). Тройку лидеров замыкает Китай. Прирост космического хлама является самым серьёзным за последние годы. По мнению специалистов, его причиной стали столкновения спутников с фрагментами мусора, после которых остаётся множество обломков. Графики роста разных компонентов орбитальных мусорных экскретов по литературным данным приведены на рисунке 8.1.
Как видно из этого рисунка, начиная с 2005 года наблюдается резкий рост орбитальных мусорных экскретов за счёт увеличения количества обломков КА.
Техногенный мусор сконцентрирован в основном на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его и на высотах полёта космических кораблей и Международных космических станций (МКС). Этим объектам из-за опасности столкновения приходится периодически совершать орбитальные маневры уклонения от столкновения с фрагментами орбитального и космического мусора.
Если орбитальный мусор, расположенный на высотах ниже 600 км, в течение нескольких лет входит в атмосферу и сгорает в ней, то мусору, расположенному на высотах 800 км, на это требуются десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше — сотни лет. И всё это время орбитальный мусор и отходы будут нести в себе потенциальную угрозу столкновений.
Опыт эксплуатации космической техники показал, что из-за мусорной угрозы орбиты кораблей "Спейс Шаттл" и МКС приходится корректировать несколько раз в год. А солнечные батареи спутников и станций подвергаются бомбардировке микрочастицами ежечасно, что приводит к снижению эффективности их работы. Причём регулярная замена солнечных батарей в ОКП весьма накладна, а чаще всего — невозможна.
