АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА и КОСМОНАВТИКА

Теоретически вопрос о засорении околоземного космического пространства космическим «мусором» возник в конце 1950-х гг., сразу же после запуска первых искусственных спутников Земли. На международном уровне проблема получила официальный статус после доклада

Генерального секретаря ООН 10 декабря 1993 г. под названием: «Воздействие космической деятельности на окружающую среду». В докладе особо отмечался ее международный и глобальный характер — нет засорения национального околоземного космического пространства, а есть засорение космического пространства Земли, что одинаково негативно влияет на все страны, прямо или косвенно участвующие в его освоении.

Итак, что же подразумевается под космическим «мусором»? Космический «мусор» — это все множество орбитальных космических объектов искусственного происхождения за исключением действующих космических аппаратов.

В настоящее время вокруг нашей планеты вращается огромное количество всевозможных объектов искусственного происхождения. Объектов размером более 10–30 см, по разным оценкам, насчитывается около 20–26 тысяч, от 1 до 10 см — около 70–150 тысяч, частиц же менее 1 см в диаметре — миллионы. Печально, но в основном это так называемый космический «мусор».

Из этого количества объекты размером более 10–30 см сопровождаются системами контроля космического пространства. Американская космическая служба (US Space Surveillance Network), а также аналогичные организации в других странах, в основном в России (Космические войска РФ), ведут их учет и производят постоянное слежение за их перемещением. Из этого количества более чем 4 300 объектов российского (в том числе советского) происхождения, из них 1 367 — космические аппараты, но только 96 из них — рабочие. Ненамного отстают США — 4 280 объектов, при этом по целевому назначению до сих пор ориентировочно используется 400 аппаратов гражданского, двойного и военного назначения. На третьем месте Китай с 2 750 космическими объектами. С начала освоения космоса прошло менее полувека, что по меркам Вселенной — исчезающе малый промежуток времени. Человечество не только успело произвести более 4 000 запусков ракет-носителей, но и умудрилось изрядно засорить космическое пространство. Если сравнивать с земными свалками, то космического «мусора» мало — его масса на низких околоземных орбитах составляет около 5 000 тонн, тем не менее он представляет существенную угрозу для человечества.

Самая сложная ситуация сложилась на высоте от 900 до 1 000 км, где обращаются в основном навигационные спутники, а также спутники связи и дистанционного зондирования Земли. В этой области происходит 60 % всех столкновений, в результате чего область быстро пополняется новыми осколками, которые увеличивают плотность «мусора» на данных высотах. Пилотируемые аппараты обращаются на более низких орбитах — как правило, до 400 км, но и здесь гарантии безопасности не может дать никто.

Главные источники космического «мусора»: 3 недействующие космические аппараты и искусственные спутники, осколки от их высокоскоростных столкновений и столкновений с естественными небесными телами (от микрометеоритов до болидов), а также эксплуатационный мусор; 3 обломки ракетных двигателей после проведенных 189 взрывов в околоземном пространстве с 1964 г. (проведен первый целенаправленный взрыв по команде с Земли советского спутника «Космос-50»);

3 частицы шлака от 1 069 включений твердотопливных ракетных двигателей на орбитах, 3 примерно 66 тысяч металлических капель, образовавшихся еще в 1980-е гг. при сбросе выгоревших ядерных реакторов.

Это все — искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые неисправны, не работают и никогда более не смогут служить полезным целям, но являются опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В ряде случаев крупные или содержащие на борту опасные материалы (ядерные, токсичные и т. п.) объекты космического «мусора» могут представлять прямую опасность и для Земли. При их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании в плотных слоях атмосферы Земли и выпадении обломков — возможны тяжелые последствия. Также существует определенный риск падения космических аппаратов и их обломков непосредственно на Землю. При этом Земле пока «везло»: в 1978 г. спутник «Космос-954» упал в таежной части Северной Канады, годом позже обломки американской космической станции «Скайлэб» рассыпались над пустынными районами Австралии, а в ходе неудачного запуска навигационного спутника США с ядерными источниками энергии в 1964 г. радиоактивные материалы рассеялись над Индийским океаном.

Известен также пример, когда топливный бак американской ракеты Delta упал в Техасе, хотя, по расчетам специалистов, должен был сгореть в плотных слоях атмосферы. К сожалению, точно указать район и время прибытия такого «небесного подарка» эксперты могут не ранее чем за сутки до падения. По оценке специалистов, сейчас ежедневно на поверхность Земли падает один объект космического «мусора». Вероятность того, что его жертвой станет человек, оценивается в 1 к 1 триллиону. Однако в 1997 г. гражданка США была поражена ударом в плечо — причиной удара стал обломок топливного бака американской ракеты, запущенной за год до этого. К счастью, серьезных повреждений женщина не получила. При этом периодически происходит самоочищение низких орбит за счет трения объекта об атмосферу. Эффект трения приводит к изменению орбиты вращения объекта, постепенно уменьшая ее, пока объект не войдет в плотные слои атмосферы и не сгорит в ней. Сегодня государства тесно сотрудничают в этом вопросе: если какая-то страна знает, что один из ее спутников может упасть на Землю, она всех предупреждает об опасности.

Ностальгия

Автору этих строк — в то время молодому лейтенанту химических войск и, как ни странно, командиру автотранспортного взвода — во время выполнения правительственного задания по уборке урожая в 1977 юбилейном году (и, как тогда было принято говорить, «историческом») в Кустанайской области Казахстана довелось при руководстве перевозкой сельскохозяйственных грузов столкнуться с любопытным явлением, имеющим непосредственное отношение к освоению космоса. Проезжая необозримые поля на диво низкорослой пшеницы, обратил внимание на довольно часто встречаемые, особенно на скошенных участках, яркокрасные объекты объемом в полторадва куба. Подъехал, посмотрел — массивные металлические замысловатые изделия, к тому же и непонятного предназначения. На запчасти известных образцов сельскохозяйственной техники не похожи, а этих «образцов» в слегка разобранном состоянии возле сел валялось немеряно. Самое удивительное произошло, когда задал вопрос местным водителям. Ответ с ходу ошарашил: «Да это обломки ступеней, и всякой ерунды, космических ракет, запускаемых с Байконура. Тут этого добра кругом навалено». Я говорю, наверное, это очень важные и, возможно, секретные изделия, как же так, надо сообщить руководству? — «А кто его знает, и кому оно надо, давно везде валяется и никого не интересует, а приспособить некуда, главное в этом деле, чтобы при падении никого не прибило. Тут недавно рядом с трактором так грохнуло — хорошо тракторист из бывших комсомольцевцелинников выпивши был, как обычно, а то мало ли чего с испугу произошло бы». На этом удивления на космическую тематику не закончились. Уезжаем, как стемнело, с поля, прямо от комбайнов. Смотрю — солдаты сбились в кучку и что-то в небе высматривают, посмотрел и ахнул — в небе висят большие яркие точки, очертаниями напоминающие крест, состоящий то ли из четырех, то ли из пяти точек. Что это? Откуда? — непонятно. Стоим, смотрим, и вдруг осенило — да это, наверное, запуск космического корабля. Рассказал бойцам о природе металлических обломков на полях — в принципе согласились, а вечером услышали по радио об очередном успешном старте с Байконура. Так что у нас тоже кое-что падало с неба, да еще как. Только никто не знал.

Особая опасность космического «мусора» связана с тем, что он перемещается в пространстве с огромной скоростью — до 15 км/с, это почти 50 000 км/ч. А частица, даже размером в 1 см, может серьезно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит со скоростью около 10 км/с, что как минимум в 20 раз больше скорости пули. Для космического аппарата встретиться с такой частицей — все равно, что столкнуться с легковым автомобилем среднего класса на скорости 80 км/ч. 24 июля 1996 г. произошло первое столкновение французского спутника CERISE с наблюдаемым фрагментом третьей ступени французской же ракеты «Ариан», вышедшей на орбиту в 1986 г. Скорость во время столкно-

Кратер на стекле иллюминатора «Шаттла», возникший в результате удара микрочастицы краски, отслоившейся от другого космического аппарата и врезавшейся в корабль на высокой скорости

вения была около 15 км/с (порядка 50 000 км/ч). Впервые с начала космической деятельности человека проблема столкновений в космосе стала реальностью. И пошло-поехало. Обшивка возвратившихся из космоса «челноков» каждый раз оказывалась буквально усеяна выбоинами до сантиметра глубиной. 80 раз на «Шаттлах» приходилось менять иллюминаторы. Да и на доставленных на Землю солнечных батареях космического телескопа «Хаббл» было обнаружено немало царапин, вмятин и пробоин. В результате этого космические державы заключили договор, запрещающий взрывать топливные баки и ступени ракет-носителей, так как гораздо проще следить за одним крупным объектом, чем за сотнями мелких частиц и фрагментов.

В январе 2005 г. сеть слежения за космическим пространством США зарегистрировала столкновение ступени американской ракеты «Тор», запущенной 31 год назад, с элементом третьей ступени китайской ракеты-носителя CZ-4, взорвавшейся в марте 2000 г. При этом образовалось как минимум три новых обломка корпуса «Тор», пополнивших мусорную свалку. В конце июня 2006 г. рядом с Международной космической станцией (МКС), всего на 240 метров ниже, пролетел спутник «Хитчхайкер», запущенный в космос в 1963 г. Несмотря на столь малое расстояние, российский центр управления полетов принял решение не корректировать орбиту полета МКС. Данный с путник внесен в каталог космического «мусора» под номером 1963-025B и является спутником, выработавшим свой ресурс, но не сведенным с орбиты, так как аппарат был запущен еще в 1963 г. и, скорее всего, не имел собственных двигателей.

Аварии в космосе возникают также из-за «перенаселенности» некоторых орбит. В космосе нет межгосударственных границ, поэтому долгое время космические державы размещали свои спутники там, где считали нужным. В результате емкость так называемых «удобных» орбит уже сегодня практически исчерпана. На низких околоземных орбитах, т. е. на высотах до 2 000 км, сегодня находятся сотни как активных, так и недействующих спутников, и численность этой флотилии стремительно растет. Еще хуже обстоят дела на геостационарной орбите, расположенной на высоте около 36 000 км. Ее главное достоинство в том, что находящиеся на ней спутники неподвижны относительно Земли. Это позволяет вести с них наблюдение и обеспечивать надежную связь на территории, превышающей 90 % земной поверхности. Чтобы предотвратить перенасыщение геостационарной орбиты, ООН объявила ее «ограниченным природным ресурсом», и теперь места там «выдаются» строго по заявкам.

По данным специалистов НАСА, «мусора» на орбите стало настолько много, что его количество перешло в новое качество. Даже если прекратить запускать корабли в космос уже сейчас, к 2055 г. только за счет деления уже имеющихся на орбите объектов искусственного происхождения число вновь образующихся обломков начнет превышать количество падающих на Землю и сгорающих в атмосфере планеты. Орбитальная свалка начнет «саморазмножаться», что поставит под сомнение возможность безопасных полетов в космос вообще.

Необходимость мер по уменьшению интенсивности техногенного засорения космоса становится более понятной при рассмотрении возможных сценариев освоения космоса в будущем. Существует методика оценки космического засорения, так называемый «каскадный эффект», который в перспективе может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц космического «мусора». Даже с учетом принятых мер по снижению в будущем числа орбитальных взрывов, которые дают 42 % всего космического «мусора», и других мероприятий по уменьшению техногенного засорения это может в пер

спективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального «мусора» и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса.

Под действием торможения в атмосфере многие из обнаруженных объектов снизились настолько, что вошли в плотные слои атмосферы и прекратили свое существование. В число оставшихся, по одной из оценок входят: космические аппараты (31 %), ракеты-носители и разгонные блоки (17 %), операционные элементы — пружины, болты, гайки, заглушки и тому подобная мелочь (12 %), фрагменты разрушений (40 %). Например, рабочая перчатка, ключ и отвертка, упущенные американскими астронавтами во время ремонта одного из «Шаттлов», рассекают космические просторы с неземной скоростью.

БорьБа с замусориваНием

В настоящее время есть несколько наиболее эффективных методов борьбы с появлением на орбите нового космического «мусора». Один из них — это удаление с орбиты фрагментов ракет-носителей с использованием, остающегося на их борту топлива. Второй — это метод увода космических аппаратов, отслуживших свой срок, на «орбиту захоронения». Операторы перед прекращением периода активного функционирования спутника переводят его на более низкую, чем рабочая, орбиту, в результате чего он быстрее теряет высоту и, в конечном итоге, сгорает в плотных слоях атмосферы. Так, снизив в октябре-декабре 2005 г. орбиту завершившего работу спутника для исследования верхних слоев атмосферы Земли, НАСА сократило длительность его существования с 20 до пяти лет. Сегодня лишь треть отслуживших свой срок спутников уводятся на «орбиту захоронения», остальные продолжают угрожать безопасности соседних спутников.

Еще одним распространенным методом борьбы с мусором является слив остатков топлива из отработавших свое ступеней носителей и космических аппаратов. В противном случае они могут взорваться, создав целое облако мелких, трудно обнаруживаемых и потому особенно опасных осколков.

Тем не менее всех этих мер недостаточно, для того чтобы сделать космос безопасным для работы. По мнению ученых, единственным способом борьбы с взрывным увеличением числа потенциально опасных объектов является поиск и сведение с орбит хотя бы самых крупных из них. Но до сих пор не удалось предложить действительно удобной и реализуемой на практике технологии «уборки космоса». Такие предложения, как использование сверхмощных лазеров наземного базирования для изменения орбит-объектов, оснащение новых спутников специальными ионными двигателями, быстро снижающими их орбиту, или же использование электромагнитных методов торможения, либо недостаточно изучены, либо слишком дороги.

Большой интерес представляют космические аппараты с ядерными источниками энергии. Случаи их падения — двух советских и одного американского — имели место в период выполнения соответствующих программ и были связаны с аварийными ситуациями. Сейчас все программы применения ядерной энергетики в космической технике закрыты. Но как быть со старыми спутниками? Григорий Чернявский, директор Центра программных исследований Российского космического агентства, говорит: «Что касается ранее запущенных космических аппаратов с радиоактивными элементами, то они находятся на высоких орбитах со сроком баллистического существования не менее 300 лет. За это время объекты должны стать радиационно безопасными. Их фрагменты — в случае возможного пробоя корпуса космического аппарата и вытекания радиоактивных веществ в космосе — могут представлять опасность, как обычный мусор, и создавать некоторый дополнительный радиоактивный фон».

Сегодня за космическим «мусором» следят мощные радиолокационные и оптические установки. Полученные данные регистрируются в специальных каталогах, что позволяет перед запуском космических аппаратов рассчитывать их курсы так, чтобы избежать столкновений с частицами «мусора». Но это, как показано выше, помогает далеко не всегда.

Для более точного прогнозирования такого рода событий немецкие ученые разработали компьютерную модель. Карстен Видеман (Carsten Wiedemann), сотрудник Института аэрокосмических систем при Техническом университете в Брауншвейге, говорит: «Наша цель состоит в том, чтобы с помощью этой модели оценить вероятность аварийного отказа космического аппарата вследствие его столкновения с частицами космического «мусора». Программа позволяет определить, из какого направления, с какой скоростью, с какой силой и какие частицы с определенной вероятностью столкнутся с тем или иным спутником на той или иной орбите».

Что же касается проблемы космического «мусора» в целом, то бороться с ним надо так же, как и с мусором на Земле: не допускать его возникновения. И так же, как на Земле, это связано со значительными расходами. Но другого пути нет. По мнению ряда ученых, необходимость неотложного решения этой сложной проблемы является как никогда актуальной. Так что космическим волонтерам в перспективе будет чем заняться.