Космический мусор угрожает спутникам, космическим аппаратам и орбитальным станциям

О космическом мусоре говорят все чаще и чаще. Является ли он раздутым пузырем, который не должен нас волновать, или же мы столкнулись с гигантской проблемой? Второй вариант, к сожалению, верен...

Во время первого обслуживания в декабре 1993 года телескоп Хаббл получил новые солнечные батареи. Они обеспечивали его энергией в течение девяти лет, а в марте 2002 года были заменены на более современные версии. После более чем восьми лет пребывания на орбите старые панели вернулись на Землю, предоставив нам удивительный отчет о состоянии космической среды: Ученые насчитали 80 000 попаданий космического мусора на площади 41 м²! Подавляющее большинство из них были микроскопическими, но 173 «пробоины» все же были, причем самая большая размером 8 мм – в такую дыру можно легко просунуть карандаш.

Фото: shutterstock.com

Маленькие, но многочисленные

В ноябре 2022 года американская сеть наблюдения за космосом обнаружила на орбите 25 857 объектов размером более 10 сантиметров, в том числе 5465 действующих спутников. Кроме того, было обнаружено около миллиона объектов размером более одного сантиметра и 130 миллионов размером более трех миллиметров. С другой стороны, общая масса космического мусора составляет всего около 7 000 тонн – этого достаточно, чтобы построить Эйфелеву башню.

Но проблема кроется в другом, вернее, их несколько. Во-первых, космический мусор трудно отследить, за исключением крупных фрагментов, таких как вышедшие из эксплуатации спутники, разгонные ступени ракет, части адаптеров и т. д. Представьте себе, например, объект размером с пять копеек: если он обращен к радару слежения спиной или лицом, то есть всей поверхностью, прибор легко его обнаружит, а если краем, то он окажется за пределами возможностей обнаружения. Конечно, наша гипотетическая монета вращается на орбите то быстрее, то медленнее, поэтому ее захват часто является делом случая.

Более того, хотя все страны, которые следят за объектами на орбите, имеют несколько радаров наблюдения, мониторинг не является непрерывным. Проще говоря, один радар попрощается с нашей вымышленной монетой где-то над восточной частью США, она обогнет планету, а другой радар обнаружит ее почти через полтора часа над Западным побережьем – если она направлена в нужную сторону. Однако из приведенного выше обзора становится ясно, что монета на орбите не одна: вокруг летают несколько монет, движущихся близко друг к другу, и их очень трудно отличить друг от друга после одного оборота Земли.

Непредсказуемые траектории

Это подводит нас к другой проблеме – непредсказуемым орбитам космических тел. Земля – не идеальная сфера, а «потатороид» с неравномерным распределением массы. Поэтому спутники, движущиеся по законам физики, чувствительны к изменениям формы планеты и влиянию гравитации. Сюда же следует добавить остаточную атмосферу, поскольку даже в тысячах километров от Земли нет идеального вакуума. Остаточная атмосфера меняется в зависимости от широты, времени дня или ночи, сезона, гравитации Луны, приливов и отливов, а также солнечной активности, которая то больше, то меньше мешает нашей планете. Также, конечно, это зависит от ориентации мусора и материала, из которого он состоит.

Описанные внешние воздействия на орбиту тела мы можем наблюдать на примере китайской космической станции Tiangong 1 (Tiankong), запущенной в сентябре 2011 года. Спустя пять лет центр управления потерял связь с 8,5-тонным комплексом, и он стал неуправляемым телом. За сутки станция опускалась на 100-600 метров в плотные слои атмосферы, а поскольку она обращалась вокруг Земли 16 раз в день, то в среднем за одну орбиту приближалась к Земле на 6-40 метров. Таким образом, если атмосфера очень «пушистая», наша монета может изменить свою орбиту на 40 метров за один оборот. А если она «пропадает» из поля зрения радара на несколько орбит, то отклонение может достигать сотен метров. Это затрудняет идентификацию монеты через некоторое время. Чтобы получить представление о траектории полета, нужно проследить за ней некоторое время, иначе мы не получим ни вектора, ни скорости. И речь все еще идет не об одной пятикопеечной монете, а о горстке копеек, выброшенных на орбиту.

Фото: shutterstock.com

Убийственная скорость

Что касается процентного соотношения объектов, движущихся над нашими головами, то 7% – это активные спутники, 22% – неактивные спутники, 17% – части ракет, 13% – вспомогательные элементы, такие как укрытия, балки или баки, а 41% – НЛО, и, конечно, мы имеем в виду не летающие тарелки с маленькими зелеными человечками, а настоящие неопознанные летающие объекты.

Если два десятилетия назад было трудно различить тела размером менее 10 см, то сегодня мы не испытываем трудностей даже с сантиметровыми. В то же время происхождение некоторых фрагментов космического мусора мы не можем определить задним числом, даже спустя десятилетия. Часто это фрагменты различных взрывов или аварий. Самую большую опасность представляют не размеры, а скорость. Каждый спутник движется как минимум с первой космической скоростью, или 7,8 км/с, поэтому даже несколько граммов краски несут в себе энергию ручной гранаты. В конечном итоге, конечно, все зависит от относительной скорости двух тел, угла столкновения, материала и т. д.

Например, некоторые твердотопливные ракетные двигатели производят огромное количество мельчайших частиц. Фактически, одним из рабочих веществ является порошкообразный алюминий, который при горении окисляется и производит бесчисленные миллиарды пылевых зерен, которые затем постоянно ударяются о другие тела и «съедают» их поверхности. Конечно, они не могут пробить ее насквозь, но оставляют на ней неизгладимый след – об этом свидетельствуют образцы со спутников, привезенные из космоса астронавтами. Сообщалось, что оболочка станции «Мир» после 15 лет пребывания в космосе была разрушена примерно на 40%, что, конечно, означает снижение прочности конструкции комплекса и другие неприятные последствия.

Поэтому спутники снабжены специальными защитными экранами, ограничивающими износ от микрочастиц. Астронавты, работающие в открытом космосе, за пределами безопасной палубы, подвергаются наибольшей опасности. Даже небольшое пятнышко краски может представлять для них смертельную опасность, поскольку скафандр состоит в основном из мягких частей, обеспечивающих подвижность, и, конечно, их можно довольно легко проколоть или разорвать.

А как насчет Международной космической станции?

Международная космическая станция является пристальной мишенью для космического мусора на низкой орбите – хотя бы потому, что на ней постоянно находится человек и любая проблема может оказаться фатальной. Китайский комплекс «Тяньгун» также постоянно обитаем, но он гораздо меньше, и вокруг него и проблемы космического мусора царит «тишь да гладь».

Фото: life.ru

МКС окружена тщательно контролируемой «бесполетной зоной» размером 50×50×1 км, и при возникновении риска станция принимает меры по уклонению. К настоящему времени их было выполнено более 30, но это не всегда возможно, поскольку подготовка и выполнение обычно занимают 12 часов. Если уже слишком поздно, экипаж в скафандрах переходит на спасательные корабли «Союз» или Crew Dragon и выдерживает опасный переход. Предполагается, что из всей гигантской станции малые корабли представляют собой незначительную цель, и, если инцидент все же произойдет, астронавты вернутся на Землю. К слову, солнечные панели МКС плохо защищены, поэтому их эффективность падает примерно на 0,06% в год из-за постоянного воздействия мельчайших частиц космического мусора.