Как уменьшить объём космического мусора: первые попытки
В первом материале по космическому мусору мы рассмотрели организационные подходы к решению этой проблемы. В этом — будет сделан упор на рассмотрении существующих и перспективных технических проектов точечного решения проблемы. В настоящее время проводятся лишь первые испытания на орбите, а полноценные миссии с реальными целями начнутся где-то с 2025 г. И пока основные цели — неактивные («мёртвые») цельные КА и крупные фрагменты космического мусора (части отработавших верхних ступеней). Речи о борьбе с сотнями тысяч и миллионами мелких фрагментов космического мусора (1–10 см) пока не идёт.
▍ ESA/Astroscale и ClearSpace
В мае 2021 г. японская компания Astroscale продемонстрировала техническую возможность — захват небольшой реальной цели на орбите в рамках миссии ELSA-d (End of Life Services). Космический аппарат/технологический демонстратор массой 175 кг отделил от себя небольшой спутник-мишень массой 17 кг, провёл вокруг него серию различных манёвров, а затем снова захватил его магнитом. По итогам миссии у КА ELSA-d не останется достаточного топлива для сведения спутника-мишени с орбиты высотой 550 км, — под воздействием сопротивления атмосферы это ожидается через 7—10 лет. Но в следующих миссиях Astroscale планируется ускорить процесс постепенного сведения с орбиты, целевой показатель для компании — 5 лет.
Европейское космическое агентство (ESA) приняло программу Sunrise, по которой выделила финансирование британской OneWeb и японской Astroscale на демонстрацию возможности сведения с орбиты КА (концепция Active Debris Removal, ADR). Astroscale работает над ещё одним типом сервисных КА ELSA-m, предназначенным для захвата и сведения с орбиты сразу 3 или 4 КА за одну миссию. Этот сервис будет предлагаться операторам мегасозвездий. В ноябре 2021 г. прошла новость, что OneWeb как раз рассматривает возможность свода с орбиты вышедшего из строя спутника (программный сбой, высота орбиты 1200 км) с помощью разработок Astroscale.
Небольшой технологический демонстратор миссии ELSA-d. Источник: Astroscale
Astroscale сотрудничает с Rocket Lab, исследуя возможности использования её спутниковой платформы Photon для обслуживания и сведения КА с орбиты. Astroscale получила контракт от JAXA на запуск технологического демонстратора и проведение инспекции верхней ступени РН H2-A в 2023 г. Планируется сближение на 80 км, затем сближение до 1 км с использованием оптической камеры, потом до 250 м с использованием инфракрасной камеры. Дальнейшее сближение и облёты на расстоянии 100 м с фото/видеофиксацией уже с использованием лидаров. Затем КА должен произвести финальное сближение и зависание над ступенью. На следующем этапе миссии предполагается сведение отработавшей ступени с орбиты (2025 г.).
В октябре 2021 г. британское космическое агентство (UKSA) выделило $1 млн Astroscale и швейцарскому стартапу ClearSpace (спин-офф EPFL) на проработку миссии по сведению с орбиты любых двух британских отработавших КА до 2025 г. Кроме того, ESA в рамках инициативы ADRIOS (Active Debris Removal and In-Orbit Servicing) также выдели швейцарской ClearSpace €12 млн на запуск миссии ClearSpace-1 в 2025 г. и сведение с орбиты верхней ступени лёгкой ракеты-носителя Vega, оставшейся на НОО после запуска в 2013 г. Общая стоимость этой миссии превысит $100 млн. В отличие от Astroscale, КА ClearSpace будет захватывать спутники-мишени с помощью четырёх механических захватов. Предполагается, что он таким образом сможет захватывать беспорядочно вращающиеся КА и их фрагменты, что Astroscale делать не может (его специализация — свод с орбиты контролируемых КА на их финальном жизненном цикле). Основная трудность миссии ClearSpace будет заключаться в автономности его действий на орбите, с помощью систем компьютерного зрения КА сам должен будет построить оптимальную траекторию и произвести захват.
КА ClearSpace выполнит сведение с орбиты части отработавшей верхней ступени РН Vega в 2025 г. Источник: ClearSpace
▍ США/Northrop Grumman
В отличие от Европы, в США сервисные КА класса MEV (Mission Extension Vehicle, продление миссии) не просто разрабатываются, а уже начали совершать первые миссии на ГСО. Они окупаются при работе с дорогими телекоммуникационными спутниками. MEV стыкуется с работающим спутником, в котором заканчивается топливо, и продляет срок его активного существования за счёт своих двигателей. А затем — уводит на орбиту захоронения (выше ГСО).
Так в марте 2021 сервисный аппарат MEV-2 массой 2,3 т разработки Northrop Grumman совершил серию манёвров вокруг КА Intelsat 1002 массой 5,6 т. Телекоммуникационный спутник находится на орбите уже 16 лет, запасы его топлива на исходе. До этого в апреле 2020 КА того же типа MEV-1 успешно состыковался со старым 19-летним КА Intelsat-901, уведя его с орбиты захоронения на рабочую ГСО, что позволило возобновить предоставление услуг. MEV-1 останется пристыкованным к Intelsat-901 ещё пять лет, позволяя активно маневрировать. После чего он уведёт аппарат обратно на орбиту захоронения.
Это фото КА Northrop Grumman’s MEV-1 сделал перед стыковкой с Intelsat-901. Источник: Northrop Grumman
По прогнозам Northern Sky Research (NSR), потребность в одноразовых MEV для продления САС телекоммуникационных спутников на ГСО может составить 75 аппаратов к 2030 г., а объём потенциальной рыночной ниши оценивается в $3,2 млрд. В целом аналитики NSR предполагают, что в течение следующих 10 лет так или иначе космическими аппаратами класса MEV будет обслужено до 230 целевых спутников, как на ГСО, так и на других орбитах. Не только гражданские, но и военные спутники нуждаются в перемещении (здесь MEV будут действовать как межорбитальные буксиры), спасении/сведении с орбиты и ремонте. Естественно, широкие рыночные перспективы откроются только после выработки общих рыночных стандартов для стыковочных механизмов/интерфейсов. Этот вопрос ещё далёк от решения, приходится делать кастомизированные узлы под конкретный спасаемый КА/их серию.
Производство КА Northrop Grumman’s MEV-2. Источник: Spacenews
▍ Российский «Ликвидатор»
Были проекты по сведению отработавших спутников и в России. ЦНИИМаш сообщал о проектировании «Ликвидатора». Его задача — увод с ГСО неактивных спутников на орбиту захоронения. Масса КА планировалась в 4 тонны, базовая платформа «Экспресс-1000НТВ» разработки ИСС им. Решетнёва со сроком активного существования в 10 лет. Отработавшие спутники на ГСО планировалось уводить на орбиту захоронения (на 300 км выше) с помощью направленного потока ионов, придавая ему скорость чуть менее 11 м/с. Предполагалось, что за всё время своей работы «Ликвидатор» сможет увести с ГСО до 20 неактивных спутников массой до 2 тонн. Сейчас на ГСО находится примерно 500 активных КА и до 1000 вышедших из строя.
«В 2016 году на лабораторной модели экспериментально была подтверждена возможность создания узкорасходящегося ионного пучка, разработаны предложения по модернизации системы управления космического аппарата, проведены оценки затрат топлива на маневрирование между объектами космического мусора» — говорилось в материале ТАСС 2017 года. Однако к данному моменту статус работ по проекту неясен. Создание «Ликвидатора» было запланировано на 2025 г. (в ФКП на 2016–2025 гг. на аванпроект по его созданию было выделено 8,5 млрд рублей), но по данным СМИ из-за урезания бюджета было отложено на неопределённый срок.
Планируемый вид КА проекта «Ликвидатор» в 2017 г. Источник: ТАСС/ЦНИИМАШ
▍ Китай
Китай также разрабатывает сервисные спутники, способные сводить отработанные КА с орбиты. Но информация по ним крайне ограничена. Тем не менее, по отрывочным сведениям СМИ, можно предположить активную работу по этому направлению. Так в октябре 2021 г. РН Long March 3B на геосинхронную орбиту был выведен секретный спутник Shijian-21. Предположительно его цель — отработка технологий предотвращения образования космического мусора. А в ноябре обнаружилось, что вокруг него обращается ещё один объект, возможно, для проверки технологий маневрирования, сближения и захвата. Также госкорпорация SAST показала на Zhuhai Airshow 2021 свой сервисный спутник (Supplemental Service Vehicle, SSV), предназначенный для увеличения срока активного существования спутников на ГСО и впоследствии сведения их с орбиты. Спутник SSV с небольшим манипулятором сможет действовать автономно.
Кроме того, в Китае в этом направлении активно работают и частные компании. Так в апреле 2021 г. компания Origin Space, которая в будущем планирует начать добычу полезных ископаемых на астероидах, вывела на орбиту демонстратор технологий NEO-01. Этот небольшой 30 кг спутник был запущен в качестве попутной нагрузки при запуске РН Long March 6 и предназначен в том числе для инспекции/исследования объектов в космосе. В отличие от КА Astorscale (магниты) и ClearSpace (механические захваты), NEO-01 для захвата фрагментов космического мусора будет использовать сеть.
Предполагаемый внешний вид китайского спутника NEO-01. Источник: Origin Space
В целом, пока технические средства борьбы с космическим мусором находятся на этапе практического подтверждения концепции, реальные миссии начнутся примерно с 2025 г. С различными проектами КА для сбора космического мусора, недошедшими до практической реализации, можно ознакомиться в материале на Bigthink.
Что касается организационных мер, то они требуют скоординированного участия большого числа национальных космических агентств и частных операторов космической деятельности, часто идя вразрез с их интересами. В любом случае ответственная космическая деятельность подразумевает снижение до минимума попутного ущерба — образование до нескольких десятков крупных фрагментов космического мусора (отработанные верхние ступени РН и их компоненты) при каждом пуске. Как правило такие крупные фрагменты (более 10 см) отслеживаются и каталогизируются системами слежения. Поэтому в большинстве случаев можно получить заблаговременное предупреждение и уклониться от них, как регулярно происходит с МКС.
Куда большую опасность для космической деятельности представляют фрагменты космического мусора меньшего размера (менее 10 см), их уже сложно отслеживать с Земли, они не попадают в каталоги. Между тем, столкновение с ними грозит гибелью даже крупным КА. Именно такие мелкие фрагменты космического мусора сотнями и тысячами образуются при столкновениях КА, а также при проведении испытаний противоспутникового оружия. Поэтому, прежде всего, должны быть запрещены тесты ASAT (постановку на вооружение можно не запрещать, свои системы уже испытали все крупные космические державы). Только такой запрет и международный консенсус по проблеме способы решить проблему космического мусора.
