Космический мусор Яковлев А.Б. Лаборатория физической механики СПбГУ. - презентация

1 Космический мусор Яковлев А.Б. Лаборатория физической механики СПбГУ

2 Близкое к катастрофическому состояние техногенной засоренности околоземного космического пространства (ОКП), которое уже сейчас наносит ощутимый ущерб космической деятельности человека, стало следствием поверхностного, недальновидного отношения к этой проблеме, особенно на ранних стадиях освоения космоса. Целый ряд катастроф в ОКП по вине космического мусора (КМ), особенно в последние годы, оказался убедительным аргументом даже для скептиков, в том числе и среди тех, от кого во многом зависит создание космической техники и освоение космического пространства

3 На протяжении всей космической эры, начиная с 1957 г., степень засоренности ОКП неуклонно возрастала и будет продолжать расти, если даже запуски ИСЗ прекратятся вовсе. Иными словами, процесс техногенного загрязнения околоземного космоса уже становится необратимым.

4 И до 1957 г. ОКП не было пустым. Но метеороиды, астероиды и другие космические тела, вращающиеся по орбитам вокруг Солнца, иногда попадают в ОКП, быстро и однократно пронизывают и покидают его, либо сгорают в атмосфере. Лишь некоторые очень редко достигают поверхности Земли. В отличие от них, техногенные КО, будучи выведенными на околоземные орбиты, обычно надолго остаются в ОКП, а после завершения работы с ними становятся постоянной реальной угрозой столкновения с другими КО, в том числе с действующими космическими аппаратами.

5 Если в 1960–1970-х гг. в освоении космоса конкурировали только два государства, то, начиная с 1980 г., их количество стало резко возрастать. В 2003 г. к России и США как единственным космическим державам, способным на запуски пилотируемых космических кораблей, присоединился Китай. Индия заявила, что где-то около 2015 г. запустит свой первый пилотируемый космический корабль (КК). В 2009 г. Иран стал десятым государством, способным самостоятельно выполнять запуски ИСЗ, а 50 стран запускали гражданские ИСЗ либо независимо, либо в кооперации с другими странами.

6 В последние годы Индия и Китай значительно увеличили финансирование космических программ, тогда как США и Европа несколько снизили его. Такие страны как Алжир, Бразилия, Чили, Египет, Индия, Тайвань, Малайзия, Нигерия, Южная Африка, Таиланд участвуют в космических программах, направленных на их экономическое развитие. В 2009 и 2010 гг. свои первые спутники запустили Объединенные Арабские Эмираты, Швейцария, Турция. В настоящее время Россия, США и Китай имеют свои космические навигационные системы. В стадии присоединения к ним находятся Европейский союз и Индия. Возрастает использование ИСЗ двойного назначения гражданского и военного. Такие многофункциональные КА в настоящее время есть, кроме России и США, у Канады, Китая, Франции, Германии, Японии, Израиля, Италии, Испании.

7 В 2009 г. было официально зарегистрировано более пользователей космическими услугами из 110 стран мира, а собственные КА в 2010 г. имели более 60 стран. Спустя более полувека после запуска Первого спутника космическая деятельность стала неотъемлемой составляющей мировой экономики, социального развития, систем безопасности, научных исследований. Процветает глобальная коммерческая космическая индустрия с годовым доходом более 200 млрд дол. Россия доминирует в выводе ИСЗ на орбиты, осуществляя большинство коммерческих запусков, тогда как США лидирует в производстве ИСЗ. В настоящее время на орбитах вокруг Земли реально функционирует около 850 КА, из которых 36 % на низких орбитах, 6 % на средних, 48 % на геостационарной и 10 % на высокоэллиптических и сверхвысоких орбитах

8 В 1993 г. официально оформился международный орган, единственной задачей которого было всестороннее изучение проблемы техногенного засорения ОКП и выработка мер противодействия этому процессу Межагентский координационный комитет по проблеме техногенного засорения космического пространства Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC).

9 Официально его структура была оформлена только в 1993 г. в Центре управления комическими полетами ЕКА (ESOC) в Дармштадте, Германия. Членами- основателями стали НАСА, РКА (ныне Роскосмос), ЕКА и единая делегация от трех японских космических агентств, позднее объединившихся в одно (JAXA). В таком составе IADC просуществовал 3 года. С 1996 по 2000 гг. в него были приняты космические агентства Китая, Франции, Германии, Индии, Италии, Украины и Великобритании. К началу 2011 г. в качестве 12-го члена принято Космическое агентство Канады.

10 Сергей Степанович Лодыгин

11 Структурно IADC состоит из руководящей группы (Steering group) и четырех рабочих групп: WG-1 (измерения), WG-2 (среда и база данных), WG-3 (защита КА ) и WG-4 (меры по смягчению влияния и снижению засоренности ОКП). Сфера деятельности IADC определена его уставом (Terms of Reference,. C 2001 г. по просьбе Научно-технического подкомитета Комитета ООН по мирному использованию космического пространства (UN COPUOS) IADC регулярно представляет ему обобщенные технические отчеты о состоянии космической среды и соответствующих проблемах, т. е. официально считается консультативным органом ООН. На основе этих отчетов ООН выпускает свои рекомендации по использованию ОКП.

12 Ежегодные сессии IADC стали трибуной для интенсивного и взаимно полезного обмена информацией и мнениями между компетентными экспертами в данной области. Издается много технических документов, открытых широкой общественности. НАСА выпускает ежеквартальный сборник материалов, освещающий широкий спектр текущих событий, злободневных проблем, последних научных и технических достижений в области космической деятельности государств и техногенного засорения космоса (Orbital Debris Quarterly News), в котором печатаются участники сессий.

13 С 1988 г. каждый американский президент одним из пунктов национальной политики освоения космоса США объявлял ограничение роста КМ. Впервые в истории президент Барак Обама 28 июня 2010 г. Включил в нее требование проведения исследований, разработки технологий и методов удаления КМ. Документ вышел под заголовком «Сохранение космической среды и ответственное использование космоса»

14 орбиты Нет единого мнения относительно классификации орбит. Начать хотя бы с того, что нет однозначного понимания границы, где заканчивается воздушное пространство и начинается космос. Многие специалисты считают, что космос начинается с высоты 100 км над Землей. (118 км) В большинстве случаев (в том числе, в формате обсуждений в IADC) принято различать следующие орбитальные категории:

15 низкие орбиты (LEO Low Earth Orbits); солнечно-синхронные орбиты (SSO Sun- Synchronous Orbits); средневысотные орбиты (MEO Medium Earth Orbits); круговые полу синхронные орбиты (CSO Circular Semisynchronous Orbits); высокоэллиптические орбиты (HEO Highly Elliptical Orbits); геостационарная орбита (ГСО) (GEO Geostationary Orbit); геосинхронные орбиты (GSO Geosynchronous Orbits); высокие орбиты (HO High Orbits); сверхвысокие орбиты (SHO Super-High Orbits); орбиты захоронения (DO Disposal Orbits).

16 Наиболее интенсивно используемые в настоящее время орбитальные области самые низкие от 100 до 800 км, орбиты с высотами от 900 до 1000 км и от 1400 до 1500 км; средневысокие в окрестности км; высокоэллиптические и, наконец, геостационарная орбита. Гистограмма распределения КО по высотам приведена на рисунках ниже.

17

18

19 Мониторинг ОКП бывает затруднен не только ввиду многочисленности КО малых размеров и/или большой удаленности большинства из них, плохой отражательной способности и/или фазы освещенности, но и из за маневров и орбитальных коррекций многих действующих КА.

20 КА К функциональным КА будем относить: автоматические КА, управляемые с Земли и имеющие определенное, как правило, узкое целевое назначение, и пилотируемые космические корабли; временно не функционирующие на данный момент времени резервные КА, находящиеся на орбитах в режиме ожидания; пассивные, но функционально полезные КО, например, калибровочные сферы или диполи типа «Пион», ODERACS, орбитальные платформы с уголковыми отражателями и другими настроечными или эталонными устройствами и т. п.

21 Классификация КМ

22 Динамика роста космического мусора

23 На сентябрь 2012, все техногенные космические объекты, являющиеся результатом 4900 запусков, которые были сделаны, начиная с начала Космической эры. Большинство каталогизируемых объектов (приблизительно 65 %) происходит от более 250 разрушений на орбите, главным образом вызванными взрывами, и приблизительно известными столкновениями. Главные вклады в популяцию фрагментов дали китайское противоспутниковое испытание на погодном спутнике Feng Yun-1C 11 января 2007, которое создало больше чем 3300 отслеживаемых фрагментов, и более 2200 отслеженных фрагментов, созданных от первоначально случайного столкновения между двумя спутниками, Иридий 33 и Kosmos-2251, 10 февраля Приблизительно 20 % каталогизируемых объектов - спутники (меньше чем, одна треть которых управляются), и приблизительно 17% это тела ракет и другие связанные с полетами объекты.

24 Фильм

25 Кроме каталогизированных и регулярно наблюдаемых КО, в ОКП находится огромное количество мелких (но не менее опасных), как правило, не видимых радиолокационными и оптическими средствами частиц порядка размером 1…10 см (модель MASTER-2001,ЕКА ) и десятки миллионов размером 0,1…1 см. Количество еще более мелких частиц в ОК П исчисляется уже миллиардами и триллионами. Расчетные данные показывают, что популяция КО размером от 5 мм до 1 см составляет около 80 % от общего количества частиц размером более 5 мм. С этой «мелочью» приходится считаться, так как ее опасность определяется не столько размерами, сколько скоростью.

26 В процессе запуска, вывода на орбиту, активации и функционирования КА высвобождается множество временных и вспомогательных технологических придатков, уже сыгравших свою роль и более не нужных для дальнейшего активного существования КА. Это заглушки, крышки для линз, временный крепеж, пиротехника, взрывные болты, защитное покрытие кабелей, элементы арматуры, страховочные стяжки (крепления безопасности) солнечных панелей и других раскрывающихся в космосе элементов конструкции и т. п.

27 Во время пилотируемого полета КК на борту накапливается всякого рода мусор, в том числе и продукты жизнедеятельности экипажа. Все это, во всяком случае раньше, выбрасывалось в открытый космос. И если в последнее время к этому стали относиться более ответственно (контейнеры с бортовым мусором стали возвращать на Землю), то космонавты, работая в открытом космосе, бывает теряют или роняют инструменты, перчатки и даже целые сумки с инструментами, пополняя популяцию КМ.

28 КА может взорваться и в процессе функционирования, и по завершении активного существования. Причины самые разнообразные. Это взрывы баков с компонентами топлива и баллонов со сжатым газом, неполадки в двигателях, короткое замыкание батарей аккумуляторов, случайно возникающие высокие угловые скорости вращения КА, прочие нарушения в структурах и компонентах, а также намеренные подрывы. Взрывы РН по большей части обусловлены наличием остатков горючего и окислителя в баках после выполнения РН своей миссии. Взрыв происходит в результате неконтролируемого смешивания горючего и окислителя либо под воздействием физических факторов (повышенное давление, например, из-за перегрева бака или неисправности клапана сброса давления).

29 Компоненты КМ Состав и количество КМ постоянно изменяется. Можно выделить три его составляющие: компонента А короткоживущая популяция, обращающаяся близко к плотным слоям атмосферы, которую ожидает сгорание в атмосфере в ближайшее время; компонента В долгоживущая популяция, т. е. КМ на значительных высотах, которая очень нескоро достигнет плотных слоев атмосферы; компонента С «молодой» КМ, образующийся в результате текущих запусков ИСЗ, взрывов и столкновений КО, деградации их поверхности и т. п. Компонента С (точнее, мета-компонента) источник постоянного пополнения компонент А и В.

30 За счет сокращения компоненты А происходит постоянное очищение ОКП от мусора, однако ее убывание не компенсирует рост общей популяции за счет компоненты С. В среднем два-три каталогизированных КО ежедневно входят в плотные слои атмосферы и, как правило, сгорают. Однако темп появления новых КО из различных источников заметно выше. Последнее хорошо подтверждается сделанным моделью НАСА LEGEND прогнозом роста на ближайшие 100 лет количества столкновений крупных КО (более 10 см) в области низких орбит. Самая переполненная орбита ГСО.

31 Распределения пространственной плотности КМ различных размеров по высотам

32 Все это очень интересно, но объективный вывод неутешительный: объем измерений малоразмерных частиц (

33 Таким образом, для объективного описания малоразмерной популяции КМ в настоящее время недостаточен не только объем необходимых измерений, но и частота их обновления. Наши знания о популяциях мелкого и среднеразмерного КМ составлены, главным образом, путем экстраполяции с использованием незначительного объема измерений и далеко не совершенных моделей. Улучшить модели помогло бы выяснение источников образования мелкого и среднеразмерного КМ.

34 Прогноз роста количества столкновений крупных НОКО (крупнее 10 см), усредненный по 100 прогонам модели НАСА LEGEND

35 Верхняя кривая предсказывает резкое увеличение частоты столкновений в случае, если не предпринимать никаких мер по предотвращению засорения ОКП (сценарий 1). Средняя рост числа столкновений для сценария, в котором 90 % отработавших КА будут удаляться с рабочих орбит (сценарий 2). Нижняя асимптотически линейный рост числа столкновений при условии полного отказа от дальнейших запусков ИСЗ (сценарий 3). Нелинейный отрезок кривой (сплошной) до 2010 г. дань накопленному влиянию запусков в предшествующий период. Последняя кривая красноречиво говорит, что, если даже человечество сейчас полностью откажется от космической деятельности, ОКП продолжит засоряться из-за столкновений крупных КО с КМ, причем количество последних продолжит свой рост, по крайней мере, в ближайшие 100 лет.

36 Интересно сравнить представленные на рис результаты работы той же модели LEGEND (также усредненные по 100 прогонам) для трех других сценариев, в которых регулярные запуски продолжатся, но вместе с тем будут предприниматься довольно жесткие меры по сдерживанию дальнейшего засорения ОКП. Сценарий 4 на фоне регулярных запусков 90 % отработавших КА уводятся на орбиты захоронения. Сценарий 5 кроме мер сценария 4, начиная с 2020 г., ежегодно по два крупных «мертвых» КА принудительно удаляются с орбит. Сценарий 6 от пятого отличается только тем, что не два, а пять КО принудительно уводятся с орбит. Три верхние кривые учитывают все столкновения, а три нижние (сценарии 7, 8, 9, соответственно) отражают (для тех же сценариев) только катастрофические столкновения (при столкновении на 1 г массы приходится 40 Дж энергии).

37 Прогноз количества катастрофических столкновений на 200 лет для различных сценариев продолжения освоения космоса

38 Итак, анализ результатов работы многих моделей техногенного засорения ОКП подсказывает неутешительный вывод. Если бы единственными добавками к популяции КМ в будущем были запускаемые новые КА и выводящие их на орбиты РН (остающиеся на орбитах по завершении своих миссий), сопутствующий миссиям КМ, продукты деградации поверхности КО и фрагменты взрывов (но не столкновений!), общая популяция КМ продолжала бы свой приблизительно линейный рост.

39 Введение мер по снижению количества взрывов КА и РН и ограничение количества высвобождаемого в полете сопутствующего космическим миссиям мусора может привести к замедлению темпа роста популяции. Но он продолжится, оставаясь линейным. Уплотнение графика запусков ИСЗ приведет к ускорению темпа роста популяции. Столкновения КО, если они продолжатся (а они, без сомнения, продолжатся), потенциально опасны значительным, причем экспоненциальным ростом популяции КМ в будущем.

40 Различные виды последствий техногенного засорения ОКП

41 Ущерб для экологии Земли и ОКП пространства деятельности человека. Техногенный мусор в ОКП это принципиальное экологическое изменение околоземной среды, нарушение ее первозданной чистоты, которое неумолимо прогрессирует. Вследствие накопления мелкой фракции КМ снижается прозрачность околоземной среды, что давно уже заметили астрономы-наблюдатели, столкнувшись с создаваемыми КМ помехами астрономическим наблюдениям, особенно с длительными экспозициями. Неуклонно нарастающая засоренность ОКП постепенно, но все больше и больше нарушает сложившийся за миллионы (если не за миллиарды) лет баланс свето- и теплообмена Земли с внешней средой. Это явление можно считать первым, причем зловеще устремленным в будущее, последствием техногенного засорения ОКП. Следует также помнить, что попадающие на земную поверхность при запусках КА компоненты топлива, например, гептил (горючее жидкостных ракетных двигателей), сильнейший канцероген. При неудачных запусках, процент которых довольно высок, разливы гептила бывают катастрофическими.

42 Падение КО и их обломков на Землю. Наиболее популяризированное средствами массовой информации последствие засорения ОКП, также имеющее непосредственное отношение к экологии Земли, падение на Землю фрагментов КО после их вхождения в плотные слои атмосферы. Такие события случались неоднократно и вызывали мощный международный резонанс. Достаточно вспомнить падение на Землю обломков ИСЗ «Космос-954» с радиоактивными материалами на борту в 1978 г.; американской космической лаборатории «Скайлэб» в 1979 г.; ИСЗ «Космос- 1402» (с бортовым ядерным реактором) в 1983 г.; орбитального комплекса (ОК) «Салют-7» – «Космос-1686» в 1991 г.; китайской спускаемой капсулы FSW 1 5 и российской межпланетной станции «Марс 96» в 1996 г. Наконец, наделавшее много шума затопление огромной орбитальной станции «Мир» в марте 2001 г.

43 Обнаруженные в Таиланде в 2005 г. обломки топливных баков

44 Баллон для сжатого газа РН «Зенит», найденный в штате Колорадо в марте 2011 г.

45 Фильм

46 СККП США выпускает официальные предупреждения о предстоящих входах КО в плотные слои атмосферы и угрозе падения обломков на Землю. Эти прогнозы, известные как «Слежение за падающими КО » (Tracking and Impact Prediction TIP), выпускаются ежедневно, начиная с 4-го дня до события, и несколько раз в последние 24 часа существования КО на орбите.

47 Опасность столкновений в космосе и их конструктивные последствия. Создание космической техники, как и вся космическая деятельность, обходится населению Земли не дешево. Космический аппарат дорогое удовольствие и его потеря ощутимый удар по карману налогоплательщика. Поэтому нарастание угрозы прежде всего действующим аппаратам со стороны КМ должно настораживать.

48 Характеристики потока КМ сильно варьируют с изменением высоты и, в меньшей степени, наклонения. Поэтому риск столкновения КА и в принципе любого КО с элементами КМ существенно зависит от параметров орбиты самого КА (КО ), его размеров, конфигурации и ориентации. Вероятность столкновения прямо пропорциональна площади поперечного сечения КО, перпендикулярного потоку КМ, и времени экспозиции этого сечения потоку. Ежедневно происходят сотни опасных сближений (ближе, чем на 1 км) между каталогизированными КО.

49 В результате столкновения КА с элементом КМ может произойти полное или частичное его разрушение. Удар может вывести КА из строя, нарушив функционирование даже отдельного компонента, а также нанести повреждения поверхности аппарата, что сделает невозможным поддержание его стабильного теплового режима и дальнейшего использования по назначению.

50 Современные оценки показывают, что полное разрушение происходит в случае, если отношение кинетической энергии атакующего объекта к массе атакуемого превышает 40 Дж/г. Отдельные части КА могут отличатся различной степенью уязвимости от ударов КМ. Например, небольшая болванка, даже на небольшой относительной скорости ударившаяся в солнечную панель, скорее всего разрушит только панель, но не весь КА, хотя и может нарушить его стабилизацию (по крайней мере временно).

51 Разрушение КА опасно не только его потерей, но и образованием иногда очень большого количества обломков как крупных, так и мелких. Особенно опасно разрушение аппарата, несущего на борту радиоактивные материалы. В конце 1990-х гг. таких КА в ОКП было около 60. При высокоэнергетическом столкновении они могут разрушиться. При наблюдениях с Земли высвободившиеся радиоактивные фрагменты никак себя не проявляют (только действующие реакторы имеют обнаружимый уровень излучения). Но они могут войти в атмосферу раньше, чем с учетом периода полураспада станут безопасными и достигнут поверхности Земли (как это уже неоднократно случалось) со всеми вытекающими отсюда последствиями.

52 Пример В результате столкновения КА с массой 420 кг и КО с массой 500 г при относительной скорости 13 км/с образуется от 50 до 100 обломков массой более 0,5 кг достаточной, чтобы вызвать последующие катастрофические разрушения. Количество образующихся более мелких осколков рассчитать гораздо труднее. Однако известно, что общее количество осколков будет возрастать с уменьшением их размеров (число сантиметровых может исчисляться миллионами). И эти фрагменты будут отделяться с большим разбросом скоростей: чем мельче осколки, тем больше разброс начальных скоростей и, следовательно, тем больший диапазон результирующих орбит. Между прочим, вектор скорости отделения фрагмента в момент столкновения самый трудно предсказуемый параметр для модели разрушения.

53 распределение максимальных начальных скоростей образующихся осколков в зависимости от их размеров

54 В зависимости от многочисленных и разнообразных условий удара и конфигурации КА повреждения могут быть в виде кратеров, сколов, пробоин, трещин, царапин. Даже если ударивший в КА объект и не проникнет сквозь его оболочку, обратная ударная волна может вызвать сколы на внутренней стенке в месте удара и вызвать серьезные повреждения внутреннего оснащения.

55 Механический момент от удара может вызвать импульсное повреждение типа скручивания или изгибания структурных компонент и передачу энергии ударной волны через различные структуры и компоненты аппарата. Результат воздействия КМ на КА сильно зависит от его конструкции и степени защиты, но некоторые компоненты очень трудно защитить эффективно (тросы, штанги, оптику, солнечные панели).

56 Сильные повреждения солнечных панелей модуля «Спектр» ОС «Мир», полученные в июне 1997 г

57

58 . Повреждение термозащитного покрытия российского модуля «Заря» на МКС, обнаруженное в июне 2007 г. во время его внешнего осмотра. Разрыввнешнего слоя имеет размеры 6,7-.3,3 см, а отверстие в нижних слоях 1.-0,85 см

59 Одно из повреждений МКС на поручне D Это кратер диаметром около 5 мм.

60 Вероятность столкновения в космосе очень растяжимое понятие: оно имеет смысл лишь при задании эпохи, интервала времени, размеров и формы КО, параметров их орбит и т. д. Например, вероятность столкновения КО диаметром 10 м с каталогизированным КО (т. е. размером более 10 см) на высотах 800…1000 км в течение 1997 г. составляла 0,0004, а в 2000 г. уже 0,01! На высоте 400 км эта вероятность в пять раз меньше.

61 Как следствие опасности столкновений, действующим КА все чаще приходится прибегать к маневрам уклонения. Например, в 2009 г. только КА, контролируемым НАСА, пришлось совершить восемь маневров: 27 января TDRS-3 уклонение от РН «Протон» 22 марта МКС уклонение от обломков РН «CZ-4» 23 апреля Cloudsat уклонение от обломков КА «Космос-2251» 11 мая ЕО -1 уклонение от обломков РН «Зенит» 17 июля МКС уклонение от обломков РН «Протон» 10 сентября «Спейс Шаттл» уклонение от КМ с МКС 29 сентября Parasol (Франция) уклонение от обломков КА «Фенгюн-1С» 25 ноября Aqua уклонение от обломков КА «Фенгюн-1С» 11 декабря Landsat-7 уклонение от «Формсат-3D».

62 Только в 2008 г. было зафиксировано 246 опасных сближений МКС с элементами КМ, в том числе 41 в так называемой «красной зоне» (крайне опасной, когда вероятность столкновения оценивается выше 0,0001).

63 Повреждение панели радиатора шаттла «Эндевор» миссии STS-118 к МКС

64 Военные аспекты Есть и военные аспекты последствий техногенной засоренности ОКП. Во первых, в результате столкновений с КМ КА военного ведомства уже несут ощутимый ущерб, как это было с очень дорогим экспериментальным КА Минобороны Франции CERISE в 1996 г. Довольно часто происходят сбои в работе военных спутников, которые операторы затрудняются объяснить. В конце концов, большинство экспертов склоняется к версии столкновения с КМ.

65 Во-вторых, незарегистрированное (недоказанное, «неофициальное») столкновение военного КА с элементом КМ, приведшее к внезапному прекращению его функционирования или выходу из строя хотя бы части его аппаратуры, может быть воспринято как нападение и спровоцировать военный конфликт со всеми вытекающими последствиями. В-третьих, с военной точки зрения, популяция КМ представляет собой мощную неуправляемую орбитальную группировку, которая представляет значительную опасность для функционирования не только национальных и зарубежных космических аппаратов, но и наземных объектов военного назначения.

66 Расплывающийся тороидальный пучок орбит осколков от разрушения ИСЗ «Фенгюн-1С» с интервалом шесть месяцев

67 Дональд Кесслер из Джонсоновского космического Центра НАСА первым обратил внимание на то, что при достижении определенной критической плотности мусора в той или иной орбитальной области в результате все возрастающего числа столкновений может начаться процесс образования вторичных осколков, т. е. так называемый «каскадный эффект», или «синдром Кесслера». По сути космический мусор приобретает некий агрессивный характер, которому уже мало что можно противопоставить. Это как пожар, который легче предотвратить, чем тушить.

68 Впервые свою гипотезу Дональд Кесслер опубликовал в 1978 г. [Kessler. Первые исследования каскадного эффекта были про- ведены в [Eichler, Rex, 1992; Kessler, 1991; Kessler, Cour-Palais, 1978; Potter,1993], а одни из последних в [Назаренко, 2010; Kessler et al., 2010]. По мнению некоторых экспертов [Назаренко, 2010], каскадный эффект уже начался для малоразмерной фракции. Э. Поттер [Potter, 1993] считает, что для крупных КО каскадный эффект пока не наблюдается, но конструкторы уже вынуждены бронировать КА.

69 Итак, главной потенциальной опасностью со стороны КМ представляется мрачная перспектива развития каскадного эффекта, который приведет к практической невозможности использования ОКП в исследовательских, хозяйственных, коммерческих, военных и других целях. При этом может сильно пострадать экологическая обстановка на Земле.

70 РЕЗУЛЬТАТЫ СОУДАРЕНИЙ

71 Результат удара сантиметровой алюминиевой сферы в 0,5- сантиметровую оболочку КА на скорости 10 км/с типичный пример повреждения от КМ. По данным американских исследователей [Orbital…, 1995], такой удар может полностью расплавить или по крайней мере частично испарить саму ударившую частицу и сделать пробоину в стенке КА с входным отверстием диаметром 3,3 см и выходным 2,7 см. Сила удара, вызванная расширяющимся расплавом частицы КМ и материалом стенки, распространяясь на компоненты КА, расположенные в 2,5 см позади пробитой стенки, может превысить допустимую нагрузку для большинства материалов структур КА. В 15 см позади стенки она будет все еще близка к предельной нагрузке, допустимой для обычно используемых алюминиевых сплавов.

72 Удары мелкого КМ в хрупких материалах создают трещины, распространяющиеся далеко за пределы кратеров и пробоин. Они могут приводить к локальным образованиям плазмы, которая может вызывать разряды и другие нарушения в электронном оборудовании, солнечных панелях.

73 И очень мелкие частицы способны вызвать серьезные повреждения. Например, частица диаметром 0,75 мм, ударяющаяся в 0,5- сантиметровое алюминиевое внешнее покрытие двигателя ориентации солнечных панелей, приведет к образованию осколков внутренней стенки покрытия и повредит двигатель. Частица диаметром 1 мм на относительной скорости 10 км/с может пробить радиатор с тонкостенными трубами охлаждения, какие используются в космических реакторах. Если в контуре охлаждения не предусмотрено автоматическое перекрытие или «отсечка» пробитых труб, может произойти утечка охладителя.

74 Вероятность столкновения с частицами диаметром не более 1 мм практически равна единице. Поверхности КА Eureca, LDEF, Solar Max, PALAPA и др., возвращенных на Землю после нескольких лет пребывания в космосе, оказались испещренными множеством изъянов, оставленных частицами КМ.

75 МОДЕЛИРОВАНИЕ При этом главный метод моделирования экспериментальный сверхскоростной удар, а его цель выяснение, как КА или его компоненты смогут перенести столкновение в космосе с КМ, а также уточнение влияния этих факторов на процесс засорения ОКП.

76 Поскольку легкогазовая пушка не может разгонять снаряд до скоростей, типичных для столкновения НОКО (10…15 км/с), были созданы ультрасверхскоростные пушки с расширенным диапазоном скоростей специально для изучения воздействия КМ на КА, способные доводить скорость небольших титановых пластинок до 15,8 км/с. В России существуют также крупные камеры, в которых можно квазинатурно моделировать экспериментальные орбитальные взрывы и столкновения в контролируемой среде [Fortov, 1993]. Самарский авиационный институт.

77 Манитоба, Канада (Теличев)

78 Защита Оценка уязвимости КА считается основанием для определения степени и вида защиты КА. В настоящее время применяются три вида защиты пассивная, активная и операционная («стандарт» IADC). Пассивная защита это не что иное как бронирование КА или его компонент.

79 Активная предполагает использование средств наблюдения для обеспечения заблаговременного предупреждения о грозящем столкновении и последующее применение мер защиты критических компонент КА или совершение маневра уклонения от потенциального столкновения. Операционная защита предусматривает изменение дизайна КА с допущением возможности умеренной деградации КА или изменения его функций с целью снижения общего риска для миссии. Задача конструктора КА найти компромисс между стоимостью реализации каждого метода и выигрышем.

80 В космической индустрии используются два типа щитов монолитный и многослойный с промежутками. Достоинство первого простота и малый объем. Многослойный обеспечивает лучшую защиту от высокоскоростного КМ, чем монолитный, при той же массе. Монолитный щит естественно использовать для защиты от мелкого КМ при средних и низких скоростях удара, когда энергия атакующей частицы слишком низка, чтобы сама частица разрушилась. В этом случае щит эффективен потому, что его масса достаточно велика, чтобы абсорбировать и рассеять энергию удара.

81 Пути уменьшения негативных последствий засоренности ОКП и снижения самой засоренности В Комитете IADC этим вопросом занимается специальная рабочая группа WG 4, причем, в отличие от остальных трех групп, устав IADC требует представительства в ней всех стран- членов Комитета.

82 Сокращение высвобождения КМ, сопутствующего запуску и функционированию КА. Сокращение продуктов выхлопа твердотопливных двигателей. Пассивация КА и РН. Уменьшение осколкообразования вследствие столкновений. Принудительный ввод в атмосферу КА и РН и сокращение длительности существования КО. Перевод КА и РН на орбиты захоронения в конце их активного существования. Методы активного удаления КМ с орбит.

83 Какой КМ удалять прежде всего, во многом зависит от ответа на второй вопрос. Если цель операции стабилизация роста популяции КМ или снижение числа катастрофических стол-кновений, то удалять нужно в первую очередь крупные массивные КО. В случае постановки задачи снижения угрозы нарушения функционирования действующих КА, следует настраиваться на удаление КО размером от 5 мм до 1 см. Они самые опасные в этом смысле и составляют 80 % всех КО размером более 5 мм [Liou, 2011b]. Другой вопрос как это сделать.

84 Идей высказано достаточно много, включая и весьма фантастические предложения: «космические веники», огромные пенные шары, фольговые ловушки, лазерные испарители наземного и космического базирования. Короче, в настоящее время не существует сколько-нибудь эффективных технологий удаления мелкого КМ, а все предлагаемые схемы выглядят очень дорогими.

85 Международное сотрудничество За последние десятилетия создано много моделей засоренности ОКП, в том числе и для составления прогнозов на десятки и сотни лет вперед. Однако практически все они грешат достоверностью выдаваемой информации. Одна из главных причин в недостатке измерительной информации для калибровки этих моделей, особенно в части мелкого КМ.

86 Международное сотрудничество могло бы помочь улучшить качество каталогов КО без особых дополнительных затрат. Это, пожалуй, самый экономичный способ существенно поднять эффективность каталогов. В каждом из них есть объекты, отсутствующие в других. Кроме того, между каталогами есть противоречия, анализ которых даст возможность устранить ошибки в обоих каталогах. В принципе, такой обмен позволит улучшить и точность сопровождения КО. Идеальным шагом в интересах повышения качества мониторинга ОКП было бы объединение СККП России, США и создающейся сейчас европейской СККП. Однако первые две системы принадлежат Министерствам обороны России и США, а основа европейской СККП РЛС GRAVES Министерству обороны Франции. Поэтому существуют определенные режимные ограничения на выдачу информации, и в нынешней международной обстановке мало вероятно, что их удастся устранить.

87 Крайне важно договориться о запрете намеренных разрушений КО, в том числе в конце их активного существования, испытаний кинетического оружия (ИС, АСАТ, KKV). Этот вопрос в значительной степени политический и затрагивает такие деликатные аспекты интересов государств, как национальная безопасность. Если не удастся договориться о полном запрете, то можно попытаться склонить заинтересованные стороны к проведению испытаний по «разумным» щадящим сценариям, которые завершались бы минимальным увеличением засоренности космоса

88 На 38-й Ассамблее COSPAR, состоявшейся в Бремене в 2010 г., на секции «Потенциально вредоносная деятельность в космосе» главной была тема «Космический мусор глобальный вызов». В 1999 г. Подкомитет выпустил свой первый большой отчет по этой теме. В 2007 г., опираясь на предложения и отчеты IADC, он разработал основные направления снижения засоренности космоса. В этот важный документ ООН включает следующие требования к космической деятельности государств:

89 ограничивать образование новых КО при нормальной работе КА; минимизировать возможности случайного разрушения (взрыва) КА (РН) во время его функционального существования; ограничивать вероятность случайного столкновения на орбите; избегать намеренных разрушений КО и других вредных действий в космосе; минимизировать возможности послеоперационного разрушения КА (РН) в виду остаточной энергетики на борту; ограничивать длительность пребывания КА и ступеней РН в области низких орбит по окончании их миссии; ограничивать длительность пребывания КА и ступеней РН в области геосинхронных орбит по окончании их миссии.

90 Европейские конференции по КМ С 1993 года Дармштадт Европейский центр управления полетами

91

92 Проф. Флёри

93

94

95

96 Шестая Европейская конференция по космическому мусору

97

98 Основные направления 1. Измерения космического мусора 1 а. Наземные 1 б Бортовые 2. Моделирование космического мусора 3. Уменьшение опасности 4. Защита 5. Контроль опасности столкновений и входа в атмосферу 6. Регулирование и конвенции 7. Способы активного снятия мусора с орбиты

99 Секции 1. Средства измерения 1 а Радиолокационные и оптические измерения 1 б Бортовые измерения, метеороиды и обработка данных 2 а Наблюдение космоса и каталоги 3 а Моделирование среды космического мусора и метеороидов 4. Оценка рисков 4 а Измерения орбитальных рисков 4 б Предсказание входа в атмосферу и оценки рисков 5 а Предсказание и определение орбит 6. Уменьшение количества мусора 6 а Уменьшение количества мусора - системные аспекты проблемы 6 б Уменьшение количества мусора - концепции 6 с Уменьшение количества мусора - способы осуществления 7 а Гиперскоростной удар и экранирование 8 а Стандартизация и договоренности.

100 На конференции было представлено 136 устных и 113 стендовых докладов. Кроме авторов в работе конференции принимали участие наблюдатели от коммерческих, научных и правительственных организаций, в том числе вооруженных сил ряда стран НАТО. Несмотря на название на конференции было большое количество участников из США, Канады, Японии и Китая. В отличие от предыдущей конференции количество российских участников уменьшилось и они за редким исключением представляли только московские университеты и организации. Несколько докладов американских участников были прочитаны прямо из США с использованием интернет технологий.

101 Зарядка пучком

102 Наш доклад

103 Центр тяжелых ионов

104