Проблема загрязнения космоса сущность проблемы

Источники засорения околоземного пространства и как с этим бороться, существующие решения

С момента первого запуска спутника в открытый космос прошло 100 лет. За этот срок человечество успело превратить орбиту вокруг земли в технологическую свалку. Проблема космического мусора нависла над человечеством и игнорировать ее нельзя, иначе будут печальные последствия.

Что из себя представляет космический мусор

Космическим мусором называют отработанные и испорченные куски старых спутников, запускаемых с Земли на орбиту за последние пятьдесят лет. На околоземную орбиту приходится большой процент космического мусора. Объекты, которые попали в космос, не будут находиться в нем вечно. На них оказывают воздействие космические тела, другой космический мусор, а также космическое и солнечное излучение.

Количество мусора на орбите

Самая близкая к поверхности Земли орбита находится на расстоянии 2 тыс. км. от поверхности. По последним данным, фото со спутников на ней больше 220 000 предметов, сделанных людьми. Их общая масса переваливает за отметку в 5 тысяч тонн. Учёные выяснили, что среди всего этого мусора, объекты, имеющие диаметр более 1 см, находятся там в количестве от 60 до 100 тыс. штук. А вот найдено и уничтожено с помощью метода экстраполяции только 10-12 тыс.

Источники загрязнения космического пространства

В 1979 году в США впервые запущена программа по изучению космического мусора, оставляемого после выхода из строя спутников. С тех пор термин «космический мусор» обозначает все объекты рукотворного происхождения, находящиеся в космосе и выведенные из строя. Интересна структура таких объектов, находящихся рядом с поверхностью планеты:

исправно работающие аппараты – 6%;
выведенные из рабочего состояния КА – 22%;
разгонные блоки и ступени РН – 17%;
разные технологичные элементы, отходы, оставленные в результате процесса запуска, фрагменты, обломки разных устройств – 55%.

Космический мусор обладает неприятной особенностью: он может репродуцироваться в космосе, на орбите. Объекты большого размера и диаметра могут разваливаться на сотни и тысячи более мелких.

Специалисты NASA докладывают, что около 33% всего космического мусора — результаты 10 космических миссий, потерпевших провал.

Отработавшие свой срок спутники

Значительная часть космических аппаратов эксплуатируется 5-10 лет, а потом их заменяют на более новые и совершенные модели.

За последние пять лет более 6.5 тыс. спутников запустили с Земли в космос и примерно 55% из них (3.5 тыс.) продолжают свою работу до сих пор.

Сразу несколько компаний строят планы по покрытию спутниковым интернетом всей территории планеты. Компания OneWeb считает необходимым запустить около 700 аппаратов для этой цели, а SpaceX считает, что потребуется не менее 12 тыс.

Система спутников Starlink

Такие проекты могут привести к появлению на орбите гигантского количества мусора, но и создать реальную опасность столкновения космических аппаратов. Известен случай, когда в ноябре 2019 года европейский метеоспутник ADM-Aeolus практически чудом смог разминуться и не столкнуться с аппаратом Starlink от SpaceX.

Еще одну проблему начинают создавать кубсаты – малые и сверхмалые спутники, популярность которых с 2010 года набирает стремительные обороты. Они достаточно дешевы в производстве, занимают мало места, а потому на орбиту доставляются десятками за один раз, при этом они практически неуправляемы.

Спутник формата CubeSat

Процесс утилизации объектов, отработавших свое, происходит за счет их запуска в атмосферу или отправкой на орбиту захоронения космического мусора. Большие объекты обычно опускают на дно Тихого океана, где не пролегает маршрут судов. Для доставки космического мусора на «мусорную» орбиту требуется потратить много топлива, а утилизация мусора обходится в сотни тысяч долларов только за один килограмм, поэтому такие траты стараются сократить.

Космический проект «Вестфолд»

Проект был запущен в 60-х годах прошлого столетия и именно он стал причиной самого большого выброса космического мусора на орбиту планеты. Военные планировали создать искусственную ионосферу, которая позволяла бы поддерживать связь по всей Земле. Для реализации этой цели на орбиту земли вывели миллионы мелких иголок. Последние проработали не более недели, сломались и превратились в космический мусор. Значительная их часть сгорела в атмосфере, но большое количество до сих пор находятся на орбите.

Ракетные блоки

На килограмм массы, которая выводится в космос в рабочих целях, приходится около 5 кг дополнительной массы, которая неизбежно превратится в мусор.

Передовые ступени ракет-носителей сегодня способны возвращаться обратно на землю, что нельзя сказать о разгонных блоках, которые остаются за пределами атмосферы. Часто в них остается некоторое количество топлива (5-10%), которое иногда детонирует, превращая разгонный блок в тысячи мелких осколков.

Другие источники космического мусора

Происхождение космического мусора разнообразно. Некоторую его часть составляют вещи, использованные космонавтами и оставленные в космическом пространстве. Большую часть небольших частиц составляют несгораемые остатки ракетного топлива в твердом виде или капли жидкого металла, оставшиеся из ядерных установок. Дополнительный мусор создают испытания специального противоспутникового оружия. Так, в 2007 году проводились испытания китайского оружия, которым эта страна сбила свой аппарат «Фэнъюнь-1C».

Опасность космического мусора

В течение долгого времени проблема загрязнения пространства космическим мусором казалась глубоко теоретической, но уже в середине 1980-х годов ученые серьезно обеспокоились этой проблемой.

Угроза для исправно работающих спутников

Самую большую опасность космический мусор представляет для работающих космических аппаратов. Как известно, на тела в космосе не воздействует сила трения, что заставляет объекты в нем передвигаться со значительной скоростью и постоянно. Даже осколок маленького диаметра в состоянии сбить большой аппарат, повредить технику или убить космонавта.

Самый печальный сценарий развития события был описан американским инженером Дональдом Кесслером. В своей работе он высказал, что если космический мусор продолжит увеличиваться в таких бесконтрольных объемах, это рано или поздно приведет к каскадному эффекту. Взрыв или банальный развал одного объекта, приведет к тому, что его обломки заденут другие, которые также развалятся, в свою очередь.

На текущий момент столкновение с космическим мусором все еще не представляет большой угрозы, однако, история уже знает подобные случаи:

в 1996 году ИСЗ CERISE столкнулся с частью бака РН «Ариан-5»;
в 2006 в результате столкновения с космическим мусором был поврежден и выведен из строя отечественный аппарат «Экспресс-АМ11»;
в 2009 году спутник Iridium был поврежден столкновением с нерабочим ИСЗ «Космос-2251».

От столкновения с космическим мусором страдали не только космические аппараты, но и пилотируемые корабли. В 1983 году после возвращения шаттла Challenger на его иллюминаторе был замечен глубокий след от удара микрочастицы краски. В 1999 году была угроза столкновения МКС с частью ракетного блока, от которого она успешно уклонилась.

Угроза космического мусора для Земли

Космический мусор является опасным и для населения планеты, однако, такая опасность не является значительной. Большая часть угрозы исходит от объектов, на борту которых содержатся радиоактивные элементы.

В 1964 году вышел из строя и взорвался американский аппарат, на борту которого находилась ядерная установка.

В 1976 году советский военный аппарат, содержащий на борту ядерный реактор, упал в Канаде, создав опасность для местного населения. Как сообщает НАСА, в течение каждого года сразу несколько крупных обломков КА достигают поверхностей Земли.

Более реальной угрозой становится то, что большое количество мусора на околоземной орбите может привести к тому, что для человечества будет закрыт доступ в космос.

Если ничего не предпринимать, космического мусора станет так много, что возможность совершать полеты будет полностью исключена. Помимо исследования космоса, закроется возможность для запуска спутников на орбиту.

Способы разрешения проблемы космического мусора

В 2017 году была созвана специальная Европейская конференция, целью которой было обсуждение проблемы большого количества мусора на орбите. На конференции собралось более 300 ученых, представляющих позиции разных стран. Они установили наиболее эффективные способы устранения космического мусора. По итогу проведенного заседания было обнаружено 750 000 обломков с диаметром больше 1 см. и 166 млн. объектов более мелкого размера.

Все уже существующие и пока только разрабатываемые способы устранения мусора можно разделить на две разных категории: профилактика и уборка.

К профилактическим мерам относят:

снижение веса выводимых в космос аппаратов;
усиление их защитных свойств;
увеличение длительности срока эксплуатации;
обязательная утилизация КА;
повышение показателей управляемости и маневренности.

Эти способы могут замедлить загрязнение космоса, но не избавят от уже находящихся там объектов. На сегодня не существует способов эффективного уничтожения мусора на орбите. Но есть некоторые проекты, над которыми трудятся учёные.

Защитные лазеры

Конструкторы рассчитывают, что подобные технологии позволят в прямом смысле испарять космический мусор. Сейчас в России учёные разрабатывают эту технологию для защиты МКС.

Использование гарпунной системы

Задумка заключается в том, что нерабочий мусор будет захватываться и отводиться в плотные слои атмосферы, а после утилизироваться. В начале 2019 года технология была успешно испытана – британский аппарат Remove DEBRIS смог подобным образом загарпунить часть спутника.

Использование воздушных шаров

Данную систему назвали Gold system. По задумке, космический мусор будет обволакивать надёжный и большой шар, который позволит увеличить аэродинамическое сопротивление объекта.

Буксировка на солнечном парусе

Исследовательский центр Surrey Space Centre разрабатывает технологию уборки космического мусора с помощью буксировки на специальном транспорте. Аппарат HybridSail с помощью специального троса будет стыковаться с мусорными объектами, а после разворачивать парус и увозить от орбиты.

Использование вольфрамового «веника»

Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он разработал идею распыления вольфрама на высоте 1.1 тыс. км. Согласно его расчетом, тяжёлый вольфрам будет медленно опускаться к поверхности Земли, тормозя на своем пути мелкий мусор, не нанося ущерба исправным аппаратам. Воплощение такой идеи займет не менее 20 лет.

Читайте также: Что дал космос миру

Использование буксира

Для уборки космического мусора предлагается использовать специальные аппараты-буксировщики, которые будут вместе с собой увозить от орбиты мусорные объекты.

Орбитальная переработка

Идея состоит в переработке мусора на орбите. Спутники и другие вышедшие из строя объекты содержат много драгоценных металлов и полезных элементов.

Снимки из космоса

Опасность космического мусора существует как для Земли, так и для работающих спутников в космосе. Страны всего мира серьезно озадачены этой проблемой и разрабатывают пути ее решений.

Источник

Проблема загрязнения космоса сущность проблемы

Стоит ли продолжать запуски КА до полной очистки от мусора?

Анализ результатов опроса показывает необходимость исследования вопроса о космическом мусоре и рассмотрение результатов работы на школьной научно-практической конференции обучающихся.

1. Что такое космический мусор

Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные или содержащиеся на космических аппаратах опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы — объекты космического мусора, могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.

На околоземной орбите остаются исчерпавшие свой ресурс спутники, третьи ступени ракет-носителей, детали космических аппаратов, мелкие чешуйки засохшей краски и частицы обшивки. Это может быть и бытовой мусор — в предыдущие годы обитатели станций «Салют» и «Мир» запускали прессованные отходы в свободный полет с помощью специальной катапульты.

2. История возникновения проблемы космического мусора

Впервые о масштабном загрязнении космоса ученые заговорили в 1980-х, когда концентрация мусора на орбите Земли достигла такой плотности, что баллистикам требовалось хорошенько поработать, чтобы безопасно разместить среди него тот или иной спутник. В последнее десятилетие ситуация только ухудшилась. Количество мусора в околоземном пространстве столь велико, что это создает реальную опасность для работающих там автоматических станций.

Первый искусственный спутник Земли был запущен в космос 4 октября 1957 года. С того времени было совершено более 4600 запусков, в результате которых у Земли появилось около 6000 спутников, при этом подавляющее большинство из них было выведено на геостационарные (GEO — Geostationary Earth Orbit) и низкостационарные (LEO — Low Earth Orbit) околоземные орбиты. Несмотря на такое большое количество запущенных спутников, реально сегодня их эксплуатируется не больше тысячи. Но где же находятся остальные?

Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км. А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше — около 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля — несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера — миллионы. Причины разрушения спутников самые разные – самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения. Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли.

Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г., где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.

Причины образования космического мусора

Причинами образования космического мусора (т.е. умножения числа фрагментов на околоземных орбитах) является естественное столкновение объектов в космическом пространстве, дробление материалов на более мелкие части, дальнейшая доставка материала на орбиту (спутников, ракет, модулей МКС). Причинами разрушения ИСЗ является самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии (функциональные нарушения) и столкновения с космическим мусором.

Рано или поздно любой объект в результате трения об остатки атмосферы затормозится, начнет падать на Землю и сгорит в верхних слоях атмосферы, но в зависимости от размера объекта и высоты орбиты срок существования отходов может составлять от нескольких месяцев до сотни лет. Сейчас, когда в год осуществляются многие десятки запусков, околоземное пространство замусорено так, что это уже создает проблемы.

В настоящее время по разным оценкам в районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2000 км находится до 5000 тонн техногенных объектов. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода (поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать 60 000 − 100 000. Из них только порядка 10 % (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами, из них только 6 % отслеживаемых объектов — действующие. Около 22 % объектов прекратили функционирование, 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, и около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с. Вследствие огромного запаса кинетической энергии столкновение любого из этих объектов с действующим космическим летательным аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Примером может послужить первый случай столкновения искусственных спутников: Космос-2251 и Iridium 33, произошедший 10 февраля 2009 года. В результате оба спутника полностью разрушились, образовав свыше 600 обломков. Эффективных мер защиты от объектов космического мусора размером более 1 см в поперечнике практически нет.

Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это НОО, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО). Отчет НАСА выделил основных загрязнителей космоса. На первом месте — Россия (совместно со странами СНГ), которой принадлежит свыше 5000 аппаратов и различных обломков. США заняли второе место (4550 объектов). Тройку лидеров замыкает Китай.

Вклад в создание космического мусора по странам

Удивительно, но существует противоположное мнение о необходимости сохранения космического мусора. Историки науки указывают на то, что некоторые объекты на орбите, рассматриваемые как мусор, будут представлять интерес для космических археологов будущего и поэтому должны быть сохранены. Генеральная уборка космического мусора на земной орбите, о которой в последнее время так много говорят, может привести к потере уникальных исторических артефактов. С таким предупреждением выступила австралийский археолог, доктор Элис Горман (Alice Gorman) из университета Флиндерса (Flinders University). Горман призывает сделать космический мусор (не весь, конечно) частью всемирного наследия (World Heritage). По её мнению, космическим агентствам пришло время оценить некоторые из миллионов объектов, находящихся в настоящее время на орбите Земли. «Чтобы уборка мусора была эффективной, вы должны быть в состоянии различить, что является барахлом, а что нет», — указывает археолог, предлагая обратить внимание, к примеру, на спутник Vanguard 1, который болтается в космосе аж с 1958 года — это самый старый «человеческий» объект на орбите. Сохранение этих объектов, по словам доктора, «может обеспечить свидетельство национального присутствия в космосе и помочь в восстановлении истории исследований внеземного пространства».

Влияние космического мусора на космические полеты

В марте 2001 года небрежность при работах в открытом космосе чуть было не привела к беде. Во время выхода в открытый космос американский астронавт Джеймс Восс потерял подставку для закрепления ног на корпусе станции. Металлический предмет размером 15×30 см и весом около 7 кг улетел в пространство, но спустя несколько дней вернулся. Астронавтам пришлось включать двигатели, чтобы избежать столкновения.

Степень влияния загрязненности космического пространства на функционирование космических систем определяется четырьмя факторами:

временем нахождения на орбите;

районами по предположению;

наклоном плоскости орбиты.

Для примерного представления об объектах загрязнения космического пространства, разрабатывают математические модели его засоренности. Они описывают распределение загрязняющих объектов в пространстве, их движение и физические характеристики (размер, массу, плотность и др.). Разрабатываемые модели бывают двух видов: краткосрочные (период до 10 лет) и долгосрочные (до 100 лет). Модели засоренности принимают во внимание рост числа орбитальных объектов в результате запусков, маневрирование (засоренность, связана с включением ракетных двигателей твердого топлива), разрушение (взрывы и столкновения) т.д. Кроме того, целью долгосрочных моделирований является составление прогнозов количества объектов как функции времени.

Тенденции, установленные на основе долгосрочных моделей, заключаются в следующем:

— если космические полеты будут проходить также, как и раньше, то в будущем загрязнение космического пространства ускориться из-за столкновений, связанных с увеличением массы на орбите;

— фрагменты мусора, образовавшиеся после взрывов, являются в данное время одним из главных источников загрязнения;

— фрагменты, образовавшиеся в результате столкновений, могут порождать следующие загрязнения, это приведет к росту загрязненности в геометрической прогрессии.

Избежать этого можно путем уменьшения нагрузки на нижнюю околоземную орбиту. Также проблема состоит в возращении в атмосферу Земли космических объектов. За последние 40 лет их отмечено более 16000. В течение последних 5-ти лет примерно раз в неделю происходит попадание в атмосферу объекта с площадью поперечного сечения около 1м 2 . Вхождение того или иного объекта в атмосферу связано не только с опасностью механического удара, но и с возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.

3. Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора

В настоящее время около 12% всего каталогизированного комического мусора составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры запуска спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном это крепежные детали, заглушки и т.д. Мероприятия по уменьшению загрязненности такими объектами принимать относительно нетрудно, как технически, так и экономически. В тоже время возможны ситуации, когда отделение деталей безвыходно из-за технических причин. В ходе полета может происходить неспециальное образование мелкого мусора: выбросы шлаков при работе двигателей на твердом топливе, отделение частиц краски вследствие эрозии, вытек теплоносителя и т.п. Необходимо принимать меры по уменьшению процесса образования мелкого мусора. Осколки, образовавшиеся в результате разрушения космических аппаратов (КА), составляют 43% состава орбитальных объектов и 85% космического мусора размером более 5см. Основной причиной разрушения космических аппаратов являются взрывы и столкновения.

Анализ разрушения КА показал, что спуск с орбиты либо пассивация (выброс энергии) после реализации космическим аппаратом своей задачи позволяет предотвратить большую часть таких случаев. К числу эффективных мер можно отнести сжигание или продувание неиспользованного топлива, разрядку аккумуляторных батарей, освобождение жидкостей из-под давления. Вероятность случайного столкновения КА на околоземной орбите хотя и не значительна, но все-таки есть. Примером такого случая было столкновение осколка, образовавшегося в результате взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан», с действующим французским спутником CERISE, в результате была нарушена его работоспособность. Таким образом, увеличение числа и размеров спутников на орбите ведет к повышению вероятности столкновений. Что касается спутников, которые заканчивают свою программу, то значительному уменьшению вероятности столкновений будет влиять их перевод на нижнюю орбиту или контролированное возвращение в атмосферу.

4. Концепции защиты от космического мусора

Учитывая современный уровень засоренности околоземного пространства, следует применить концепции прямой и непрямой защиты. Защита от частиц размером 0,1-1 см может осуществляться за счет применения экранных конструкций. Защита от частиц размером более 1см может осуществляться за счет принятия специальных мер при проектировании КА, заключающихся в расположении жизненно важных систем в так называемых мертвых зонах относительно направления удара потоком мусора. Что касается экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые одношаровые выносные экраны, размещающиеся перед корпусом аппарата, и сложные многошаровые конструкции из металла и керамики. Также ориентируя определенным образом космический корабль, космонавты могут использовать его в качестве экранной защиты. Такая практика уже применялась на орбитальной станции «Мир». Для кораблей «Шаттл» орбитальная степень ориентируется таким образом, чтоб его хвостовая часть была повернута в направление движения. Работы в космосе происходят таким образом, чтоб космонавты были защищены корпусом станции.

Одной из важнейших мер по уменьшению засоренности является информирования об опасностях, связанных с загрязненностью космического пространства и о многочисленных источниках образования космического мусора. Экономически оправданным является применения мер по уменьшению загрязнения на ранних стадиях конструирования КА. С использованием долгосрочных имитационных моделей космической среды ведется работа для оправдания эффективности разных сценариев и затрат связанных с их использованием. Исследования позволяют оценить, какое влияние оказывает разного рода практика в этой области. Также проблема столкновений и взрывов связана с неконтролируемыми запусками различных космических аппаратов. Для решения этой проблемы необходимо установить контроль за материалами, технологиями производства и запуска космических аппаратов. Во избежание столкновений КА, что является основой появления крупных частей мусора, целесообразно ввести прогнозируемые расчеты для установления безопасных стартовых окон, исключающих пересечение траектории полета КА с пилотируемыми кораблями, находящимися на орбите.

В краткосрочной перспективе наибольшую пользу может принести исключение случайных взрывов КА. Эффективной мерой предотвращения таких разрушений является пассивация аппаратов в конце программы полета. В долгосрочной перспективе при отсутствии мероприятий по уменьшению засоренности из-за нагромождения объектов на орбите может значительно возрасти опасность для проведения космических операций в области, как низкой, так и высокой околоземной орбиты. Мероприятия по снижению загрязненности и защиты космоса могут влиять на конструкции КА, их стоимость и эксплуатацию. Экономически выгоднее предвидеть и внедрить эти изменения на ранних этапах проектирования и производства КА и ракетоносителей.

Таким образом, из-за увеличения загрязненности космоса растет риск столкновений, причиняющих повреждения КА. Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить задачу улучшения состояния космической среды, разумным шагом по сохранению космического пространства для будущих поколений в настоящее время есть принятие мер по уменьшению загрязненности.

4. Качественный состав космического мусора

По данным РАН, около 85% космического мусора приходится на долю крупных частей ракет и разгонных блоков, с помощью которых искусственные спутники Земли выводятся на орбиту, а также самих отработанных спутников

Еще 12% мусора – это элементы конструкции, отделяющиеся в процессе запуска спутников и их эксплуатации.

Все остальное, около 3% – мелкие фракции и осколки, возникшие в результате их соударения. На диаграмме (приложение 2) представлен процентный состав космического мусора ракетного происхождения: очевидно, что наибольший процент имеет мусор в виде обломков спутников. Это и объяснимо: ИСЗ – наиболее востребованные космические аппараты. На заре космической эры далеко не все ИСЗ, запущенные на околоземную орбиту, оказывались работоспособными. По некоторым данным, только 3 спутника из 10, запущенных выходили на заданную орбиту и работали. Остальные так и остались на орбите.

5. Расположение космического мусора

Для изучения мест расположения мусора мы рассмотрели виды орбит и виды космических аппаратов, расположенных на них. Космический мусор сконцентрирован, в основном, на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его и на высотах полета космических кораблей и Международной космической станции (МКС). В августе прошлого года Центр управления полетами провел маневр уклонения МКС от столкновения с фрагментом космического мусора, а в октябре отложил коррекцию орбиты станции из-за опасности нового столкновения.

Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов:

НОО – низкие околоземные орбиты;

ГСО – геостационарная орбита;

ССО – солнечно-синхронные орбиты (приложение 3).

Если космический 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.

Первый пояс мусора располагается на низких околоземных орбитах на высоте 300 – 2000 км от поверхности Земли

Количество космического мусора: 70%

Масса мусора: около 500 т технических объектов

Число объектов мусора поперечником не более 1 см (по статистическим оценкам): от 60 000 до

Самая большая концентрация мусора приходится на самые заселенные высоты – от 900 до 1500 км. Даже если прекратить новые запуски спутников, то примерно с 2055 года количество вновь образующихся объектов мусора начнет превышать его убыль (так называемое «самоочищение»).

Второй пояс мусора располагается в области орбит на высоте 32 000 – 40 000 км от поверхности Земли, здесь около 25% КМ (приложение 1).

На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты. Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.

9.Опасность космического мусора

В первую очередь от космического мусора страдают объекты, находящиеся на орбите. В июле 1983 года чешуйка краски размером менее миллиметра попала в иллюминатор американского челнока «Челленджер» и проделала в нем кратер диаметром 2,4 мм и примерно такой же глубины. После посадки корабля едва не треснувшее стекло пришлось заменить.

Опасность КМ заключается ещё и в том, что после старта ракеты топливные баки опустошаются и отделяются от корпуса ракеты, после чего осколками выпадают на землю. Если старт ракеты не удался, и она вместе со спутником взрывается — последствия куда более плачевны: миллионы маленьких осколков ракеты и спутника выпадают космическим дождем на землю.

7 сентября 2007 года российская ракета «Протон-М» взорвалась вместе с японским спутником на борту через 2 минуты после старта. Осколки космических кораблей обрушились недалеко от казахского города Джезказган. В паре метров от дома пастуха Бориса Урматова упал 3,5-метровый кусок топливного бака (Байконур находится в 1600 км!).

20 февраля 2008 г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник – шпион, имевший в баках около 400 кг ядовитого гидразина. Спутник потерял управление и возникла угроза его падения на Землю, место падения определить не представлялось возможным.

12 марта 2009 г. космический мусор заставил экипаж МКС укрыться в корабле «Союз», который выполняет роль спасательной капсулы. Предупреждение о приближении фрагмента «космического мусора» к МКС поступило слишком поздно для того, чтобы совершить маневр отклонения. Поэтому космонавты временно покинули станцию. В «Союзе» экипаж провел 10 минут, а затем вернулся на борт МКС, сейчас он возобновил свою нормальную работу, сообщает BBC, ссылаясь на агентство НАСА. По предположениям, космонавтам угрожали обломки старого маршевого двигателя.

Расчет силы соударения мелкой фракции КМ с действующим космическим аппаратом.

Чтобы представить, какую опасность представляет мусор для космических кораблей и их пилотов, приведем такие данные. Бронебойная пуля без взрывчатки имеет диаметр 1,2 сантиметра и длину 10 сантиметров и движется со скоростью до 1,5 километров в секунду. Аналогичные по размерам орбитальные частицы искусственного происхождения могут столкнуться со станцией на скорости до 15 километров в секунду, и это учитывая, что ее обшивка отнюдь не бронированная.

1) массу КА принимаем равной 50 т;

2) число фрагментов космического мусора от 60 000 до 100 000.

Расчет: используя формулы второго закона Ньютона и формулу ускорения получаем значения силы соударения в диапазоне от 50 000 до 83 000 Н. (приложение 4).

При скорости 10 км/с частица диаметром 0,5 мм пробивает многослойный скафандр!

Осколки на такой скорости прошивают алюминиевые листы в 10 раз толще их диаметра!

Но самое главное — почти невидимый рукотворный метеорит выбивает из мишени целое «облако» частиц, в 200 — 300 раз превышающее его по массе!

10.Некоторая статистика столкновений космических аппаратов с мусором.

При столкновении спутника с мусором часто образуется новый мусор (так называемый синдром Кесслера – образование нового мусора при столкновении КА с КМ), что в будущем может привести к неконтролируемому росту засорённости космоса. Вот лишь некоторые зафиксированные данные:

1) 1983 г. песчинка (менее 1мм в диаметре) оставила серьезную трещину на иллюминаторе шаттла Endeavour;

2) в 1996 г. на высоте около 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты Arian.

3) в 2001 г. МКС едва не столкнулась с семикилограммовым прибором, утерянным американскими астронавтами;

4) в октябре 2007 г. солнечная батарея станции «Мир» получила значительные повреждения от КМ.

11.Важнейшие события, повысившими засоренность космоса.

11 января 2007г. на высоте 865 км китайская ракета уничтожила отработавший свой срок китайский спутник «Фэнъюнь», столкнувшись с ним встречным курсом. В результате появилось более 2000 новых обломков размером в несколько сантиметров и более, то есть, засорённость космоса поднялась сразу на 22 %.

20 февраля 2008г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник-шпион, имеющий в баках около 400 кг ядовитого гидразина (а также из-за опасности рассекречивания). Из-за небольшой высоты большинство осколков, скорее всего, относительно быстро войдёт в атмосферу.

Спутник Iridium — аппарат коммерческой связи, запущен в 1997 году. Космический аппарат «Космос-2251» — аппарат военного назначения, запущен в 1993 году, с 1995 года этот космический аппарат выведен из состава российской орбитальной группировки и до настоящего времени не использовался.

10 февраля 2010 г. на высоте около 790 километров над северной частью Сибири зафиксирован первый случай столкновения двух искусственных спутников в космосе. Спутник связи «Космос-2251», запущенный в 1993 году и выведенный из употребления, столкнулся с коммерческим спутником американской компании спутниковой связи «Iridium 33». В результате столкновения образовалось около 600 обломков, большая часть которых останется на прежней орбите.

12. Методы борьбы с космическим мусором

1. Международные стандарты:

— «Общесистемный стандарт по предупреждению образования космического мусора»;

— «Увод космических аппаратов с геостационарной орбиты (ГСО) по завершении эксплуатации».

2. Лицензирование деятельности национальных и международных организаций.

3. Отслеживание и картографирование КМ.

4. Очищающий эффект атмосферы Земли (если высота орбиты не выше 600 км)

5. Сеть оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений космического мусора, которая объединяет 18 обсерваторий, 25 телескопов, в работе участвует более 50 наблюдателей и исследователей.

6. Сбор обломков КА при помощи американских шаттлов

7. Сжигание КМ лазером

8. Заменить многоступенчатые ракеты многоразовыми системами

Эффективных способов уничтожения космического мусора на данный момент не существует. Пока они не появились, необходимо предотвращать дальнейшее загрязнение космоса. Иначе процесс загрязнения космоса станет необратимым и путь в космос человечеству будет закрыт на несколько сотен лет.

Именно поэтому международное сотрудничество по проблемам космического мусора находит свое развитие в следующих направлениях:

— экологический мониторинг околоземного пространства, в том числе и в районе геостационарной орбиты;

— прогноз засоренности околоземного пространства способом математического моделирования космического мусора;

— разработка методов защиты космических устройств от влияния частиц космического мусора;

— разработка, изучение и последующее внедрение мероприятий, которые направлены на снижение засоренности космического пространства.

Например, вооруженные силы США уже делают успехи во исполнении своих планов по превращению космического мусора в новые работающие спутники. Некоторое количество машиностроительных компаний заключили контракты с DARPA — агентством по перспективным научно-исследовательским разработкам в США.

Британские ученые также обеспокоены проблемой засорения околоземного пространства Земли, («Биржевой лидер», 03.10.2012). Они предлагают новую идею борьбы с космическим мусором, заключающуюся в сборке мусора специальным аппаратом, так называемым «космическим гарпуном», затем перемещать этот мусор в более низкие слои атмосферы, где он теоретически будет сгорать. Другие проекты по борьбе с мусором в космических просторах предполагают собирать его на орбите с помощью специальной сети.

Выше шла речь только о том «небесном мусоре», который образовался по вине человека, осваивающего космическое пространство. Но есть еще и «мусор», который допустила сама природа, — осколки естественно разрушившихся планет и других космических тел, несущихся в межпланетном пространстве. Считается, что не менее половины спутников, запущенных к Марсу, с большой долей вероятности, были погублены именно метеорными потоками.

Но все же человечество постепенно приходит к пониманию того, что сорить в космосе надо как можно меньше. Например, если на «Мире» экипаж складывал отходы в контейнер и периодически выбрасывал его в открытый космос, то на Международной космической станции все отходы убирают в грузовой корабль «Прогресс», который затем отстыковывается, и вместе с мусором бесследно сгорает в верхних слоях атмосферы.

С другой стороны, свалки отходов — самый характерный признак существования высокоразвитого общества. Об этом лучше всех знают археологи, раскапывающие останки исчезнувших цивилизаций. Возможно, что инопланетяне когда-нибудь найдут человечество по куче мусора космических масштабов.

1. Акшинин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов//издательство Москва,1983 №4-64;

2. Федоров Е.К. Экологический кризис и социальный прогресс// Л.: Гидрометеоиздат,1977.-176с.;

Статьи из журналов и сборников:

3. Становление физики невесомости // Осипьян Ю., Регель Л. // Правда,1986-64с.;

4. Экологические перспективы и космонавтика/ А.Д.Урсул //Земля и вселенная.-1976.-№2.-с.32;

5. Ракеты – носители США А.К.Ивашкевич //Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.32;

6. Космический мусор «Магеллан», «Фридом» // Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.37;

7. Проблема космического мусора Л.В. Рыхлова // Земля и Вселенная.-1993 №6.-с.36.

Электронные публикации в Интернете:

8. Кричевский С.В., Черкасова М.В. Программа Международного Социально – экономического союза «За экономическую безопасность ракетно – космической деятельности» [Электрон. ресурс]-24 апреля 2000.- Режим доступа: http://www.ecoline.ru/books/raket/18.htm;

9. Прохоров Герман «Прогресс – М55» привез на МКС новогодние подарки [Электрон. ресурс]-12 февраля 2000.- Режим доступа: http://www.gazeta.ru /2005/12/24/last82962.shtml;

Высота: 300 – 2000 км от поверхности Земли

Количество космического мусора: 70%

Масса мусора: около 500 т технических объектов

Число объектов мусора поперечником не более 1 см (по статистическим оценкам): от 60 000 до 100 000. Из них:

а) 10% обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами;

б) только около 6 % отслеживаемых объектов — действующие;

в) около 22 % объектов прекратили функционирование;

г) 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей;

д) около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.

5. Средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с

Высота: 32 000 — 40000 км от поверхности Земли

Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.

Общий состав космического мусора

Еще 12% мусора – это элементы конструкции, отделяющиеся в процессе запуска спутников и их эксплуатации.

Все остальное, около 3% – мелкие фракции и осколки, возникшие в результате их соударения

Состав космического мусора ракетного происхождения

Виды орбит и их использование

Расчет силы соударения мелкой фракции космического мусора с космическим аппаратом

M = 500 т = 500 000 кг

N (число фрагментов): N 1 = 60 000, N 2 =100 000

Время соударения принять равным 1 с

Второй закон Ньютона F = m · a

Сила соударения в пределах от 50 000 до 83 000 Н

Источник