Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Актуальность проблемы околоземного космического пространства, связанной с объектами, являющимися следствием деятельности человека покоряющего космос, обусловлена не только важностью этих амбициозных проектов и программ, но и сопровождающим эту деятельность все усиливающимся засорением орбит космическим мусором [1–12]. Под воздействием космического мусора происходит снижение качества функционирования космических аппаратов, выходом их из строя, потенциально возможны столкновения и взрывы действующих космических объектов. Проблема засорения околоземного космического пространства была впервые теоретизирована научным сотрудником НАСА Дональдом Кесслером, который в 1978 г. написал статью “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, констатировав, что воздействие космической деятельности на окружающую среду имеет глобальный характер, так как засорение космического пространства Земли негативно влияет на все страны прямо или косвенно участвующих в его освоении [13].
Причинами формирования космического мусора могут послужить как различные природные явления, так и действия человека на Земле. Под космическим мусором подразумеваются все рукотворные искусственные объекты или их фрагменты, находящиеся в космосе, которые стали неисправны, не функционируют, не служат никаким полезным целям, но являются потенциально опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты и станции, особенно пилотируемые [14]. Такие опасные объекты или вещества появляются при неконтролируемом сходе космических объектов с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы. К космическому мусору также относят объекты природного происхождения: космическую пыль, метеоры. Объекты космического мусора потенциально представляют прямую опасность не только для космоса, но и для Земли.
Цель настоящего исследования — найти возможные концептуальные дизайн-решения для утилизации космического мусора и предотвращения эффекта Кесслера.
В настоящее время интенсивность освоения космического пространства только увеличивается, основываясь на множестве различных национальных проектов, нацеленных на изучение и исследование космического пространства. Реализация амбициозных космических долгосрочных проектов может стать невозможна при возникновении эффекта Кесслера, который гипотетически описывает развитие событий на околоземной орбите, когда космический мусор, появившийся в результате многочисленных запусков искусственных спутников, приведет к полной непригодности ближнего космоса для практического использования.
Обеспечение свободы космического пространства от космического мусора должно носить комплексный характер с учетом специфических особенностей различных видов космических объектов, условий их эксплуатации и последующей утилизации. Общими принципами обеспечения свободы, безопасности и экологии космического пространства являются:
Проблема появления космического мусора из года в год только возрастает. Статистика последних лет показывает, что 60 % его возникновения связана с взрывами ступеней космических ракет и столкновениями космических объектов [11, 12, 14]:
Объекты, попавшие в космос, не остаются там навсегда. На них воздействует космическое излучение, микрометеориты. Космический мусор постепенно теряет высоту и сгорает в плотных слоях атмосферы. Исследования показывают, что каждые 10 лет перечень опасных обломков уменьшается на 200–300 пунктов, но, к сожалению, с большей скоростью появляются новые.
Точно определить и отследить сколько нежелательных объектов и тем более небольших фрагментов летает на орбите, на данный момент технико-технологически практически невозможно. Космические аппараты выходят из строя, обломки космических объектов сгорают в атмосфере, фрагментируются, увеличивая и видоизменяя космический мусор. Но известно, что сегодня на орбите летает тысячи потенциально опасных объектов крупного размера и миллионы мелких фрагментов, а их общая масса составляет несколько тысяч тонн [11].
На данный момент существуют системы отслеживания космических объектов, такие как ESA Space Debris Telescope, TIRA (System), EISCAT, NASA Orbital Debris Program Office, «Крона», «Архыз», «Окно», в которых имеются инструменты, способные выделить объекты космического мусора. Визуализация данных системы NASA Orbital Debris Program Office показывает, что общее число объектов, относящихся к космическому мусору, к 2020 г. приближается к 20000 (рис. 1).
На графике (см. рис. 1) показаны основные элементы, которые составляют космический мусор:
Исходя из этих визуализированных данных, можно сделать вывод о том, что количество космического мусора больше всего появляется в результате выхода оборудования из строя и может сложиться ситуация, приближающая эффект Кесслера. Эффективные методы утилизации космического мусора для предотвращения эффекта Кесслера пока не найдены, но есть концептуальные решения, которые могут послужить началом решения этой сложной системной задачи.
Роскосмос разработал концептуальное решение для ловли космического мусора с использованием специальных спутников и паутиновидной сети (рис. 2). Устройство представляет собой сеть в форме конуса с крупными ячейками, основание которой закреплено раздвижной рамкой и имеет двигатели для маневрирования. Вершина конуса тросом присоединена к космическому аппарату. Когда сеть покрывает космический мусор со всех сторон, рамка сжимается, и объекты оказываются зафиксированы. Далее осуществляется буксировка объектов космического мусора либо для торможения и входа в плотные слои атмосферы, либо разгоняя объекты космического мусора для перевода его на орбиту захоронения. На данный момент такой вариант не подходит для сбора мелких элементов, размер которых в диаметре составляет около 1 см из-за большего размера ячеек сети.
Существует еще ряд рациональных идей для утилизации космического мусора. Например, установка мощного лазера с непрерывным действием, позволяющая корректировать скорость движения и траекторию обломков, но такая система позволяет работать лишь с большими обломками, такими как ступени ракет и отработанные аппараты [9].
Для ловли и фиксации космического мусора также возможно использование спутников с магнитными установками [9]. Теорема Ирншоу утверждает, что совокупность точечных зарядов не может поддерживаться в стабильной стационарной равновесной конфигурации только за счет электростатического взаимодействия зарядов. Если противодействовать силе тяжести при помощи магнетизма возможно, то создать устойчивое равновесие непросто. Теорема Ирншоу «запрещает» статичным парамагнетикам и ферромагнетикам порождать стабильную левитацию. Без дополнительных условий поворот двух постоянных магнитов даже на небольшой угол приведет к тому, что они развернутся друг к другу противоположными полюсами, отталкивание превратится в притяжение, что приведет к потере обломков. Существует несколько путей, которые позволяют обойти этот запрет. Один из них — помещать в магнитное поле диамагнетик — это вещества, намагничивающееся против направления внешнего магнитного поля. Он в отличие от парамагнетика намагничивается не вдоль внешнего поля, а противоположно ему, и теорема Ирншоу «не запрещает» ему устойчиво зависать в воздухе, а при небольших отклонениях от равновесного положения собственное поле диамагнетика может перестраиваться так, чтобы возвращать его в равновесие, таким образом, фиксируя частицы. Возможно стабилизировать частицы при помощи обратной связи, т. е. следить за тем, где находится предмет и регулировать величину магнитного поля. Подобным образом на Земле работают поезда на магнитной подушке.
Для смещения с орбит космического мусора можно использовать спутники с оборудованием, принцип работы которого основан на давлении света, который имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов, каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками) может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.
С помощью систем отслеживания возможно обозначить места скопления космических отходов и пронаблюдать за их перемещением, что тоже является сложной задачей, так как размеры отслеживаемого космического мусора могут быть меньше 1 см. Эта проблема также относится к сложной системной задаче.
Создание концептуальной дизайн-системы по утилизации космического мусора основывается на вышеуказанных методах и решениях с возможностью фиксации более крупного мусора.
Разрабатываемая система состоит из спутника, установки для формирования магнитного поля и лазерных систем. Особое внимание в дизайн-решении уделено упрочнению корпуса спутника, так как велика вероятность непосредственного взаимодействия с ним космического мусора. Для достижения этой цели предполагается использовать новые материалы, например, пенометаллы. Это новый класс материалов с низкой плотностью и новыми физическими, механическими, тепловыми, электрическими и акустическими свойствами. Разновидностью пенометаллов является пеноалюминий.
Для оценки эффективности применения пеноалюминия для дизайн-решения была апробирована методика оценки ударной стойкости элементов противометеороидной защиты (ПМЗ) на базе использования лазерного ускорителя частиц. При достаточной мощности и правильном подборе режимов работы ускорителя можно реализовать реальную ударную нагрузку на спутник, оценив тем самым возможность пробития отдельных элементов ПМЗ.
Применение пеноалюминия в корпусе спутника необходимо для усиления его прочности. Объект (защитный экран) из пеноалюминия был подвержен неоднократным испытаниям. Эксперимент был проведен с применением лазерной установки Perfect Laser, марки PEDB-400B с использованием различных режимов (изменялся диаметр светового пучка, время воздействия и мощность лазера). Результаты эксперимента приведены в таблице.
Результаты эксперимента с применением лазерной установки Perfect Laser
Номер эксперимента | Диаметр, мм | Время воздействия, с | Мощность, Вт (%) |
1 | 13 | 32,9 | 6 (20) |
2 | 20 | 152 | |
3 | 25 | 356 | |
4 | 25 | 50,9 | 30 (100) |
20 | 73,9 | ||
15 | 129,1 | ||
5 | 6,5 | 24,8 | 30 (100) |
13 | 49,9 | ||
20 | 46,7 | ||
6 | 6,5 | 10 | 15 (50) |
5 | 20 | ||
3,5 | 30 | ||
2 | 91 |
В случае эксперимента 6 при мощности воздействия лазера 15 Вт (50 % от полной мощности лазера) с частотой воздействия ν = 40 кГц в образце образовалось отверстие диаметром 2 мм. В случае эксперимента 4 при диаметре 15 мм и мощности лазера 30 Вт (полная мощность лазера) в образце частично образовалось отверстие. Эксперименты 1, 2, 3 не показали заметных изменений на образце.
Как видно из проведенных исследований, пеноалюминий может обеспечить надежную защиту от довольно крупных объектов космического мусора. Появление космического мусора обусловленного техническими неисправностями космических объектов и другими, в том числе природного происхождения показал, что это потенциально опасное явление, которое наносит колоссальный ущерб экономикам стран, ведущих активную деятельность в освоении космического пространства, может нанести проблемы Земле, а также негативно повлиять на дальнейшее развитие космической сферы.
