Проблема космического мусора: легче сказать, чем убрать
Источник: ESA
«Бездны космоса холодны, жестоки и беспощадны.
Но они притягивают нас, как наивного юношу
притягивает порочная красотка»Сериал про сборщиков космолома Planetes
Тема космического мусора (space debris) стала одной из центральных в уходящем году. В мае неконтролируемо упала первая ступень китайской тяжёлой ракеты-носителя Long March 5B. Хорошо, что в океан. МКС несколько раз уклонялась от крупных фрагментов космического мусора только за последний месяц. Среди них были и фрагменты отработавших ступеней ракет Falcon 9 и Pegasus, и российские. В ноябре наша страна провела испытание противоспутникового оружия с неизбежным образованием обломков.
При этом, наземные системы способны отследить только крупные фрагменты космического мусора (от 10 см), в то время как серьёзный ущерб космическому аппарату может нанести даже частица мусора размером с заклёпку. Ведь всё это движется с первой космической скоростью в 7,9 км/с и иногда на встречных курсах. Из-за того, что на высоте в несколько сотен километров сопротивление атмосферы Земли уже незначительно, фрагменты космического мусора сохраняют баллистическое существование очень долго, постепенно накапливаясь и засоряя целевые орбиты. При этом какие-либо обязующие международные соглашения, а также технически эффективные способы борьбы с ним, отсутствуют. Насколько остро стоит проблема — попробуем разобраться.
▍ Орбиты максимальной концентрации
По данным ESA на 9 ноября 2021 г. (до проведения Россией ASAT), с начала космической эры в 1957 г. было проведено 6120 космических запусков и выведено на орбиту 12170 космических аппаратов. Из них на орбите находилось 7630, активно функционирующих среди них было 4800. При этом общее количество фрагментов космического мусора (т.е. любых антропогенных объектов на орбите, переставших выполнять целевую функцию, а также их фрагментов) размером более 10 см может составлять 36 500. Из них каталогизировано только 30 190 фрагментов — их положение регулярно отслеживается наземными системами слежения. И в случае опасного сближения траектории с активными спутниками и орбитальными станциями их орбита оперативно корректируется. Такие каталоги ведут США (US Space Surveillance Network) и Россия (автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, АСПОС ОКП).
Экран управления АСПОС ОКП. Источник: ЦНИИмаш
Куда большую опасность представляют более мелкие, некаталогизированные фрагменты космического мусора, от 1 см до 10 см, — их число, согласно статистическим моделям ESA, составляет до 1 млн объектов. А более мелких, 1 мм до 1 см, может вообще превышать 330 млн. Всё это движется с первой космической скоростью, только по счастливой случайности столкновений с ними до последнего времени по большей части удавалось избежать. Пока достоверно известно лишь о двух случаях фатального столкновения с фрагментами космического мусора. В апреле 2019 г. был пробит топливный бак КА Intelsat 29e, в результате чего тот полностью утратил работоспособность. А в марте 2021 г. китайский военный спутник Yunhai 1–02 был полностью разрушен при столкновении с небольшим фрагментом (от 10 до 50 см) верхней ступени российской РН «Зенит-2». Другие КА давно несут следы столкновений с небольшими микрометеоритами и частицами космического мусора, часто доставалось Space Shuttle, а теперь и МКС.
Следы столкновений с космическим мусором различных КА. Источник: BigThink
Время баллистического существования космического мусора (то есть до его постепенного торможения и сгорания в атмосфере, пока он движется с первой космической скоростью) различно и зависит от высоты орбиты. Естественно, чем ближе к атмосфере, тем оно ниже, и наоборот. Время жизни мусора на орбите от 250 до 550 км составляет недели и месяцы. С высоты примерно в 800 км сопротивление атмосферы (air drag) ослабевает настолько, что космический мусор может оставаться там многие десятилетия. Соответственно, максимальное число фрагментов космического мусора концентрируется на орбитах высотой 800–1000 км (низкая околоземная орбита, НОО), а также около 1400 км. Пространственная плотность на ГСО (~36 000 км) и вблизи орбит группировок навигационных спутников (20 000–22 000 км) в десятки и сотни раз меньше, чем на НОО.
Время баллистического существования космического мусора, в зависимости от высоты орбиты. Источник: Tory Bruno, ULA
▍ Ответственная космическая деятельность
Существует два основных источника пополнения космического мусора. Во-первых, сама пусковая активность и случайные столкновения самих космических аппаратов и последних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков с образованием обломков. Второй источник — испытания противоспутникового оружия с уничтожением при столкновении на высокой скорости (Anti-Satellite Test, ASAT). Непосредственно на космическую деятельность, приходится ¾ объёма космического мусора, меньшая часть — на ASAT. При этом, ряд столкновений и взрывов крупных объектов («мёртвые» спутники, отработавшие ступени и разгонные блоки) приводит к образованию сотен и тысяч мелких фрагментов. Самыми крупным стало столкновение отработавшего российского спутника «Космос-2251» с активным американским Iridium 33 в 2009 г. Образовалось более 2000 только крупных фрагментов космического мусора. До этого в 1996 г. французский разведывательный спутник Cerise столкнулся с частью отработавшей ступени РН Ariane, но тогда удалось частично восстановить его работоспособность.
Соответственно, для двух источников образования космического мусора существует и два принципиально разных подхода по его снижению. В первом случае — ответственная космическая деятельность (использование многоразовых ракет, сведение с орбиты отработавших КА и т.д.). Руководящие принципы по предупреждению образования космического мусора были разработаны координационным подкомитетом IADC Комитета ООН по мирному использованию космоса (UN COPUOS) ещё в 2007 г. Подкомитет IADC (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee) был создан в 1991 г. и объединяет ключевые национальные космические агентства, включая NASA, Роскосмос, ESA и китайскую CNSA.
Моделирование столкновения спутников. Источник: ESA
Разработанные IADC принципы сводятся к минимизации образования мусора при пусковой деятельности, максимальной выработке топлива КА, разгонных блоков и ступеней ракет для сведения к минимуму вероятности взрывов. А также, при возможности, сведения КА с орбиты после прекращения активной деятельности.
Естественно, UN COPUOS приветствует включение этих принципов в национальные законодательства, но они не обязательны к исполнению. Пока даже национальные космические агентства, входящие в IADC, не особо выполняют эти рекомендации. Чего уж говорить о коммерческих операторах космической деятельности. Очевидно, что каждая из рекомендаций — это дополнительные многомиллионные затраты, а это идёт вразрез с коммерческими интересами.
Но год от года выбор в пользу ответственной космической деятельности будут совершать всё больше компаний, альтернативы просто нет — космос общий и касается всех. К примеру, в октябре 2021 г. 11 компаний, в т.ч. Eutelsat, Arianespace и Planet, подписали парижскую хартию Net Zero Space по снижению количества космического мусора к 2030 г.
Растёт число разработчиков многоразовых ракет-носителей (да, пока они частично многоразовые, но следующее поколение будет уже полностью многоразовым, Pro Космос о них уже писал). Кроме того, множество стартапов пытаются решить проблему сервисного обслуживания космических аппаратов. Они проектируют КА нового класса, который сможет продлять срок службы других спутников (Mission Extension Vehicle, MEV) или сводить их с орбиты. Дозаправка, обследование, ремонт — всё это будет целесообразно, в первую очередь, для дорогих геостационарных спутников, где проблема мусора пока не настолько актуальна, как для НОО.
MEV-2 движется в направлении спутника Intelsat 10–02 для дальнейшего возвращения его на правильную геостационарную орбиту. Источник: Northrop Grumman
При этом развёртывание мегасозвездий со многими тысячами спутников усугубит проблему космического мусора. Помимо SpaceX Starlink (пока 1900 аппаратов на орбите, но заявлено 42 000) планируются также Amazon Kuiper (3200), китайский проект Guowang (13 000 КА), не говоря уже о созвездиях поменьше. По оценкам ESA 2017 года развёртывание мегасозвездий приведёт к повышению вероятности катастрофических столкновений с космическим мусором на 50%. Отсутствие какой-либо координации, как на международном уровне (идёт негласная национальная борьба за доминирование), так и между частными операторами, не способствует решению вопроса. Давно назрела необходимость в создании единой системы управления движением на орбите.
Группа американских учёных рассчитала, что непопулярной, но эффективной мерой снижения объёма космического мусора стало бы введение налога OUF (orbital-use fee, «за использование орбиты»). По их расчётам, при введении в 2040 году, он должен составить примерно $235 000 за каждый КА в год. По оценкам авторов исследования он сделает свод орбиты отработанных КА естественным выбором для операторов спутниковых созвездий.
Примерное распределение крупных фрагментов космического мусора на околоземной орбите, хорошо виден геостационарный «пояс» и полярные орбиты. Источник: ESA
▍ Испытания противоспутникового оружия, ASAT
Что касается противоспутниковых систем ASAT, второго основного источника образования космического мусора, то по отчёту Secure Word Foundation (SWF) между 1959 и 2020 гг. было проведено 74 испытания противоспутниковых систем: 32 у России, 30 у США, 10 у Китая и 2 у Индии. В результате их образовалось более 5000 только крупных фрагментов космического мусора, 3200 из которых до сих пор остаются на орбите.
Советский Союз был первым, кто разработал и поставил на вооружение спутники-камикадзе (ещё в 1968 г. «Космос-252» сблизился с мишенью «Космос-258» и взорвался, поразив её осколками). Но в конце 1980-х наша страна взяла на себя одностороннее обязательство воздерживаться от проведения таких испытаний, а потом и сняла их с вооружения. Но отечественная система ПРО значительно эволюционировала, получив возможность с Земли сбивать спутники (ASAT). Собственно, 15 ноября 2021 г. это и было подтверждено на практике, когда Россия сбила советский разведчик «Космос-1408» на высоте 480 км. Пока каталогизировано только 207 фрагментов (процесс продолжается), — они разлетелись в широком диапазоне от 185 до 1290 км.
Спутник «Космос-1408» до и после взрыва. Источник: Numerica Corporation
Между тем, Россия стала последней из ведущих космических держав, проведших ASAT. Китай взорвал противоспутниковой ракетой собственный метеорологический зонд FY-1C в 2007 г. (более 2300 фрагментов на высоте 865 км, считается самым «грязным» из проведённых испытаний ASAT). США испытали систему ещё в 1985, повторив в 2008 г. уничтожением неисправного военного спутника USA-193 (из-за сравнительно малой высоты 247 км, образовавшиеся 174 обломка сгорели в атмосфере в течение 40 дней). В 2019 г. систему ASAT испытала Индия, взорвав небольшой спутник Microsat-R на 285 км (400 фрагментов разбросало на высотах между 200 и 900 км, какие-то улетели на 2250 км).
Несмотря на то, что доля фрагментов космического мусора после испытаний противоспутникового оружия составляет сегодня лишь 25%, она стремительно растёт. Поэтому кажется необходимым подписание международного договора, запрещающего испытания ASAT.
Но здесь есть пара принципиальных моментов. Во-первых, испытание противоспутникового оружия — это суверенное право любой космической державы. Поэтому формально к России, осуществившей испытание подобной системы 15 ноября 2021 г. (Pro Космос об этом писал) — не может быть юридических претензий. Свои спутники в ходе испытаний ASAT уже уничтожали США, Китай и Индия. С другой стороны, позиция России имеет свои основания и выглядит последовательной. Наша страна до последнего времени выступала против подписания запрета на испытания ASAT, но этому была веская причина. ASAT воспринимается Россией как единственный асимметричный способом защиты от разрабатываемых США ударных космических систем.
Попытки заключить Договор о предотвращении размещения оружия в космическом пространстве, применения силы или угрозы силой в отношении космических объектов (ДПРОК, он же PPWT) предпринимали именно Россия и Китай. Но США и их союзники его регулярно бойкотируют в ООН. При этом у западных партнёров есть основания полагать, что Россия в ответ на подписание ДПРОК США может подписать запрет на проведение испытаний ASAT, который предполагается вынести к голосованию на «Саммите будущего» по вопросам мира и глобальной безопасности ООН в сентябре 2023 г.
Соотношение активных КА (тёмно-зелёный) и различного рода космического мусора/его фрагментов на разных орбитах. Источник: Matthew Stevenson, LeoLabs, 2021
Представляется, что он не запретит постановку ASAT на вооружение, но предотвратит испытания по реальным целям с неизбежным образованием при этом космического мусора. Тем более, что теперь системы ASAT испытали все основные космические державы, и можно остановиться. В случае подписания такого соглашения объём космического мусора на НОО не снизится, но по меньшей мере, прекратится процесс его лавинообразного роста.
О технических решениях и проектах КА для решения проблемы космического мусора — во второй части материала. Stay tuned!
