Как убрать космический мусор с рабочих орбит?

Доцент кафедры теоретической механики Самарского университета и инженер АО "РКЦ "Прогресс" Вадим Юдинцев представил разработки университета на 7-й Европейской конференции по космическому мусору. Она проходит раз в четыре года в немецком городе Дармштадт под эгидой Европейского центра управления космическими полетами и Европейского космического агентства. В рамках конференции прошло заседание Межагентского координационного комитета по космическому мусору, где эту проблему обсудили представители космических агентств. О работе конференции Вадим Юдинцев рассказал "Полету".

НА ОРБИТЕ СТАЛО ТЕСНО
- Насколько представительной была конференция?
- Желающих принять участие в этой конференции становится все больше. В этом году в Дармштадт приехало около 350 ученых со всего мира.
- Почему тема космического мусора стала так актуальна?
- Потому, что его все больше и он становится опасен для космических аппаратов. За последние 10 лет зафиксировано уже два события, которые привели к значительному увеличению количества космического мусора. Первое – это испытание Китаем противоспутникового оружия – китайцы сбили свой старый КА. Это привело к 25% росту количества мусора – и это только достаточно крупные объекты, наблюдаемые с Земли. Второе событие произошло спустя два года в 2009 году – когда российский уже нефункционирующий аппарат "Космос-2251" столкнулся с активным спутником связи Иридиум-33. Оба аппарата разрушились. Образовалось свыше 1000 фрагментов размером более 10 см.
На открытии конференции выступал Дональд Кесслер (США), в 1978 году он выдвинул гипотезу о том, что в результате большого количества запусков аппаратов на низкие орбиты все чаще будут происходить столкновения и разрушения крупных объектов – верхних ступеней ракет, космических аппаратов, что приведет к лавинообразному росту космического мусора и некоторые области орбит станут непригодными для работы. Это явление так и называют – эффект или синдром Кесслера.
Справка:
Наиболее населенные орбиты – те, где концентрация объектов относительно других областей высока. Это орбиты высотой от 800 до 1000 км и от 1400 до 1500 км. Орбита, на которой работает Международная космическая станция – около 400-450 км.
Геостационарные орбиты, где обитают спутники связи – около 36000 км.
- То есть в фильме "Гравитация" была предсказана реальная ситуация?
- Ситуация, показанная в "Гравитации", конечно гиперболизирована: для большего драматизма авторы фильма показали невероятно большую концентрацию объектов на орбите. МКС движется по орбите высотой около 400 км, это не слишком "населенная" область. Главная опасность для Станции представляют объекты, которые постепенно снижаются с более высоких орбит, где концентрация мусора выше. Из-за этого орбиту МКС приходится корректировать несколько раз в год для снижения риска столкновения с космическим мусором. Иногда космонавтам приходится пережидать опасность, укрываясь в пристыкованных кораблях "Союз".
ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ
- Как очистить орбиты?
- Первые шаги – это стабилизация количества космического мусора. На конференции говорилось о рекомендациях к разработчикам КА. Например, если аппарат заканчивает свою работу, то он должен изменить орбиту так, чтобы оставаться на ней не более 25 лет. Геостационарные спутники должны переходить на орбиту захоронения, при этом спутник должен избавиться от всей энергии, которая есть на борту: исключить возможность взрыва топливных баков, аккумуляторных батарей. Такие события случаются. В 2012 году разгонный блок "Бриз" из-за сбоя в двигателе не смог вывести КА на заданную орбиту. Солнце нагрело топливо в баках разгонного блока, что привело к взрыву и образованию сотен осколков.
- Какой мусор наиболее опасный - мелкий или крупный?
- Столкновение КА с крупными фрагментами более 5-10 см конечно приведет к полному его разрушению, однако крупные объекты наблюдаемы с Земли и столкновения можно избежать. Космический мусор размером несколько сантиметров отследить с Земли уже сложно, но последствия столкновения с ним также будут фатальны для КА. Количество такого мусора и риск столкновения с ним оценивается уже по статистическим моделям. От столкновения с космическим мусором миллиметрового размера и меньше можно защититься, используя экраны, прикрывающие критичные области КА. Ученые Института космического приборостроения Самарского университета, в том числе на борту "АИСТ-2Д", проводят исследования по оценке влияния высокоскоростных частиц на элементы КА.
- Насколько кубсаты засоряют орбиты?
- Это зависит от того, на какие орбиты они выводятся. В феврале этого года индийская ракета вывела больше сотни кубсатов на орбиту высотой около 500 км. Время существования на это орбите не превышает 10 лет. Проблемы могут возникнуть при запуске спутников на орбиты выше 700 километров, особенно если речь идет не о единичных пусках, а о формировании очень больших спутниковых группировок (есть такие проекты). Формирование таких систем может привести к значительному увеличению космического мусора, если разработчики КА не будут предусматривать увод с орбиты своих спутников в конце срока их эксплуатации.
- Наноспутники, запускаемые в рамках международного проекта QB50 отправлены на МКС около месяц назад. Всего в группировке 40 наноспутников. Те, что будут запущены с МКС, попадут на высокие орбиты?
- Нет. В течение года наноспутники, запускаемые с МКС, сойдут с орбиты.
- То есть, пока наноспутники изучают термосферу Земли ничего страшного не происходит?
- Да, от них околоземная орбита очистится естественным образом.
- А насколько быстро сгорают другие объекты?
- Чаще всего до поверхности ничего не долетает, но части крупных спутников и ступеней, содержащих элементы конструкции из тугоплавких материалов, например, из титана, могут представлять опасность.
- А есть вероятность того, что космический мусор упадет на человека?
- Сейчас этот шанс в течение жизни оценивается как 1 к 10 с 18 нулями. Даже в сравнении с вероятностью попадания молнии – 1 к 10000 эта вероятность исчезающе мала. Несмотря на эти оценки за падением космического мусора следят: оценивают время входа в плотные слои атмосферы, определяют области падения фрагментов, если речь идет о больших объектах. Для снижения риска падения в населенные районы может использоваться управляемый вход в атмосферу с падением фрагментов в несудоходных областях мирового океана. Эта рекомендация влечет за собой необходимость сохранения запаса топлива для проведения последнего маневра, что может составлять до 10% массы аппарата.
В ходе конференции ряд докладов был посвящен анализу разрушения объектов при входе в атмосферу. Дело в том, что до высоты 80-70 км спутник летит целым, а затем под действием набегающего потока воздуха, его конструкция разрушается. Необходимо оценить количество и размер фрагментов, долетевших до земли, энергию этих фрагментов, оценить область падения. Моделирование этого процесса очень сложное: необходимо учитывать конструкцию аппарата, ее механические и тепловые свойства, параметры атмосферы, которые меняются в зависимости от времени года.
ЗАЩИТНАЯ ОБОЛОЧКА
- Как защитить КА от мусора?
- На конференции работала секция, посвященная этим вопросам. Защищаться можно активно, отслеживая космический мусор, угрожающий столкновением c защищаемым КА. При высокой вероятности попадания космического мусора в защищаемую область вокруг аппарата (это несколько километров) принимается решение об изменении орбиты аппарата. В ЕКА разработана и работает автоматизированная система, предупреждающая об опасных сближениях. Такие же наблюдения ведутся и в отношении МКС. При пассивной защите на КА устанавливают специальные экраны, разрабатываются материалы и солнечные батареи, устойчивые к бомбардировке мелкими частицами.
- А как появляется "пассивная" защита?
- Исследуют влияние на защитные экраны миллиметровых частиц, разогнанных до скоростей 7-8 км/с. Их попадание не фатально, но они являются причиной эрозии обшивки, панелей солнечных батарей. Китайские коллеги представили такую работу – оценили последствия "бомбардировки" мелкими частицами солнечных батарей. Они обстреливали солнечные батареи микрочастицами на скорости 8 км/сек, на основе полученных результатов построили математические модели для оценки повреждений, оценили степень деградации батарей при длительном воздействии. По их оценкам за три года воздействия частиц 50, 500 микрометров и 5 мм (с учетом прогнозируемой вероятности их попадания) батареи теряют до 5% мощности. Это надо учитывать при проектировании КА. В ИКП Самарского университета тоже проводятся такие исследования: в ускорителе испытывают образцы обшивки и солнечных батарей, бомбардируя их микрочастицами на высоких скоростях.
В институте космического приборостроения Самарского университета разработан лабораторный стенд моделирования факторов космической среды - электродинамический ускоритель. Установка всего 9 метров в длину позволяет на Земле моделировать воздействие микрометеоритов и техногенного космического мусора на материалы, из которых создаются космические аппараты. С помощью ускорителя, созданного в Самарском университете, материалы (например, для оптики телескопов или солнечных батарей) бомбардируют очень небольшими частицами (размеры от 0,1 до 10 мкм), но летящими со скоростью до 15 км/с. Двое суток испытаний и становится ясно, как будет выглядеть материал после 5-10 лет эксплуатации на орбите. 
КОСМИЧЕСКАЯ УБОРКА
- Идет ли сейчас речь об охоте на "мертвые" космические аппараты?
- Сначала надо понять, как движется объект. Это движение будет определять выбор способа захвата. Если, например, объект быстро вращается, то его нельзя захватить манипулятором. В этом случае лучше использовать сеть на тросовой связи с буксиром – трос и сеть смягчат воздействие вращающегося КА на буксир, а управляя тросом можно это вращение уменьшить.
Чтобы понять, как и насколько быстро вращается нефункционирующий КА или ступень ракеты могут быть использованы оптические наблюдения, радиолокационные и лазерные измерения.
К примеру, наблюдая в телескоп за блеском объекта космического мусора, отражающего солнечный свет, по частоте изменения этого блеска можно понять, как вращается КА, сравнивая результаты моделирования и наблюдаемое изменение блеска. Другой метод – радиолокация. Этот метод позволяет увидеть форму объекта и оценить его угловое движение. Эти методы применяют, когда сам объект никак не помогает определить свое движение. Если на объекте установлены отражатели (ими оборудуются некоторые новые КА), то в этом случае задача определения углового движения объекта немного упрощается.
Основной способ снижения количества мусора – активное очищение орбит от отслуживших объектов. По некоторым оценкам, ежегодный увод с наиболее заселенных орбит нескольких крупных объектов позволит стабилизировать количеств мусора и предотвратить эффект Кесслера. И на конференции было много работ, посвященных способам активного захвата и увода космического мусора. Так, эксперименты проекта Европейского космического агентства RemoveDebris начнутся уже в 2017 году. С МКС запустят малый аппарат, который в свою очередь отделит кубсат, имитирующий космический мусор. В эксперименте отработают ключевые технологии захвата при помощи сети и гарпуна, алгоритмы сближения с космическом мусором и оценки его движения с использованием машинного зрения.
- Наверняка есть вопросы с развертыванием этой сети в космосе.
- Да, это сложная задача. Компактно упакованную на бору сеть необходимо "выстрелить" в сторону космического мусора так, чтобы она раскрылась и надежно его захватила. На конференции была представлена работа PhD-студента из Южной Кореи на эту тему. Он исследовал возможность захвата сетью при различных угловых скоростях цели. Его результаты показывают, что не всегда возможно надежно захватить цель, если она вращается с большой угловой скоростью.
КОСМИЧЕСКИЙ НЕКРОПОЛИС
- А что поднимают на орбиту захоронения?
- Геостационарные спутники. Спуск их в плотные слои атмосферы требует очень больших затрат энергии, поэтому их переводят на орбиту захоронения на 200 км выше геостационарной орбиты.
- Орбита захоронения не станет препятствием для освоения дальнего космоса?
- Не думаю, что это будет препятствием. Однако на конференции было высказано предложение уводить геостационарные спутники более организовано. Был представлен интересный проект, предполагающий не индивидуальный увод спутников на орбиту захоронения, где они тоже могут сталкиваться, а формирование "островов" из неработающих спутников. К кораблю-носителю, к своеобразной "Звезде смерти", при помощи небольшого отделяемого буксира-челнока, прикрепляется несколько спутников. После заполнения "Звезда смерти" при помощи своих двигателей переводится на орбиту захоронения.
КАК "СДУТЬ" КА
– На конференции были работы и по бесконтактному уводу спутников. Например, представители ЦНИИмаш представили работу с результатами проработки ключевой технологии формирования узкорасходящегося пучка ионов для воздействия на геостационарные спутники и "сдува" их с орбиты. Для создания пучка используется экономичный электрореактивный двигатель, который испускает потоки заряженных частиц. Он разворачивается в сторону объекта и заставляет его медленно, но верно покидать "насиженную" орбиту. Буксировщик сопровождает объект весь путь до орбиты захоронения, который может продлится несколько недель.
По этой теме работы представил проф. Ханспетер Шауб  (Hanspeter Schaub) из университета Колорадо. Он и его аспиранты рассматривают задачу бесконтактного увода при помощи электростатического поля. Буксировщик и объект космического мусора можно зарядить одноименными или противоположными зарядами. Буксировщик, используя свой двигатель, может "подталкивать" объект космического мусора или "тянуть" его, используя силу кулоновского взаимодействия. Чтобы зарядить объект его можно обстрелять его заряженными частицами. Управление такой связкой двух тел сложная и очень интересная задача. С недавнего времени на кафедре теоретической механики занимаются исследованиями в этой области.
Была на конференции представлена необычная идея использовать для оперативного изменения орбиты космического мусора геодезические ракеты. Ракету запускают по баллистической траектории, пересекающей траекторию космического мусора. При подлете к объекту ракета включает установленный в носовой части твердотопливный двигатель, создающий интенсивный поток частиц – продуктов сгорания. Когда объект входит в этот поток, его скорость чуть-чуть уменьшается, а через сутки это "чуть-чуть" превращается в несколько километров. В результате можно избежать столкновения этого объекта с активным КА, который не может изменить свою орбиту, или другим крупным объектом космического мусора.
ТРАДИЦИОННАЯ СТЫКОВКА
- Профессор Валерий Трушляков из Омского государственного технического университета – один из соавторов нашей работы, представленной на конференции, предложил вариант активного увода мусора с использованием автономного модуля, отделяемого от буксира на тросовой связи и стыкующегося с космическим мусором при помощи известного устройства типа "штанга-конус". У Валерия Ивановича есть патент на такой способ увода. Космические корабли с МКС стыкуются по такой же схеме. Идея в том, чтобы таким образом уводить ступени ракет, сопла двигателей которых можно использовать как стыковочный порт.  И если роботом-манипулятором сложно захватить цель, которая быстро вращается, то устройство "штанга-конус" по нашим оценкам здесь работает очень хорошо. В нашей статье рассматривается вариант использования существующих разгонных блоков для попутной миссии увода космического мусора, что позволит уменьшить стоимость запуска. В этом случае на разгонный блок можно установить небольшой аппарат – автономный стыковочный модуль, который после отделения основной нагрузки и приведения разгонного блока в окрестность выбранной цели – отработавшей ступени – отделяется на тросовой связи, захватывает объект, при помощи троса возвращается к разгонному блоку, стыкуется с ним, после чего разгонный блок уводит всю связку с орбиты.
ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ
- Вы не раз упоминали тросовые системы. Какова роль троса в борьбе с космическим мусором?
- Тросовая буксировка представляется очень перспективной. Формирование жесткой связи между буксиром и мусором не всегда возможно. Использование тросовой системы позволит уменьшить влияние на буксир объекта космического мусора, особенно если речь идет о крупногабаритном вращающемся космическом мусоре. Кафедра теоретической механики под руководством профессора Владимира Степановича Асланова последние несколько лет занимается изучением движения космических тросовых систем в том числе для задач активной уборки космического мусора. Тросовая буксировка - интересная задача с точки зрения механики и управления.  Кстати, есть и другие варианты использования тросов для увода спутника с орбиты. Так, японцы предлагают использовать электродинамический трос: ток, протекающий по тросу, взаимодействуя с магнитным полем Земли, приводит к возникновению силы Ампера, которая постепенно затормаживает объект с тросом. Предлагается оборудовать малые аппараты подобными тросовыми системами, автоматически развертываемыми в конце срока активного существования для свода с орбиты в течение рекомендуемых 25 лет.
16 мая кафедра теоретической механики Самарского университета проводит семинар, посвященный результатам участия в Европейской конференции по космическому мусору. Семинар состоится 16 мая в 16.00 в 516 ауд. 5 корпус.
Елена Памурзина
Фото: fb.rupopmech.russau.ruenki.uahempsellastro.comizvestia.rufreepatent.ruaboutspacejornal.net