Представьте себе мир, где доступ к космосу прегражден «облаком» из остатков спутников и ракетных частей, окружающим Землю. В таком случае ракета, запущенная на орбиту, просуществует лишь несколько часов или дней прежде чем столкнется с обломками. Для нашего общества, столь зависимого от космоса, это было бы катастрофой: исчезнут телекоммуникации, GPS, наблюдения за Землей и возможность предупреждать экологические бедствия.
Столкновение на орбите опасно не только из-за материального ущерба, нанесенного спутнику, но в первую очередь из-за возможного образования большого количества космического мусора. На скорости семь километров в секунду – типичной для спутников низкой околоземной орбиты – столкновение порождает тысячи фрагментов, которые могут спровоцировать новые столкновения, создавая эффект домино. Неконтролируемое развитие этой проблемы может привести к заполнению орбитальных зон научного и коммерческого значения. Эта проблема известна уже давно как «синдром Кесслера». Очистка низких орбит от существующего мусора сейчас крайне сложна, но существуют меры, которые можно предпринять для смягчения ситуации и предотвращения ее ухудшения.
Управление космическим движением
Дискуссии по управлению космическим движением, то есть контролю движения объектов на орбите, как в воздушном пространстве, возникли в ответ на главную проблему современности. В отличие от авиации, управление космическим движением не регулируется международными протоколами и стандартами. Поэтому координация между различными операторами затруднена или отсутствует. Нет центрального авторитетного органа, к которому обращались бы разные игроки. Каждый спутниковый оператор самостоятельно управляет своими аппаратами, принимая собственные критерии оценки рисков потенциального столкновения и расходов на манёвр уклонения.
Еще одна причина отсутствия единого стандарта — каждый оператор использует разные данные для оценки. Часто эти данные предоставляют государственные учреждения, а порой получают сами операторы, которые не стремятся раскрывать информацию, которую считают конфиденциальной. Для разработки общего свода правил, действующих на международном уровне, спутниковым операторам необходимо начать обмениваться данными, чтобы упростить координацию между различными участниками. Отсутствие строгих правил, регулирующих космическое движение, особенно заметно, когда два работающих спутника находятся под угрозой столкновения. В таком случае нет правила, устанавливающего, кто из них должен выполнить маневр уклонения. И очевидно, что помимо критических моментов при осуществлении маневра обе стороны заинтересованы в том, чтобы другая сторона перемещала свой спутник.
Текущая система управления космическим трафиком не гарантирует благополучного развития; в ближайшее время необходима ее полная перестройка и оптимизация взаимодействия всех участников для решения проблемы перегруженности космоса.
Рост мегасозвездий на низкой орбите увеличил риск столкновений действующих спутников. SpaceX со своими почти двумя тысячами Starlink является одной из главных сторон, участвующих в этом сценарии. Компания Илона Маска не раз оказывалась в центре рискованных ситуаций, например, близкое столкновение с одним из спутников группировки OneWeb в апреле 2021 года.
В случае с OneWeb SpaceX отключила автоматическую систему защиты от столкновений для своего корабля Starlink, чтобы не помешать маневру уклонения. В 2019 году произошла встреча Starlink и спутника ЕКА Aeolus. Европейское космическое агентство выразило недовольство недостаточной координацией. Самым заметным событием стала двойная встреча двух Starlinks с китайской станцией Тяньгун в 2021 году.
В сложившейся ситуации проявились пределы взаимодействия и общения между сторонами: китайские представители через официальные каналы запросили сведения о планах SpaceX, однако ответа не получили. Возможно, таким молчанием объясняется действующее в США законодательство, ограничивающее контакты китайских и американских специалистов в области космонавтики. Не получив от SpaceX указаний на свои намерения, Китай был вынужден предпринять предосторожный шаг и осуществить… Тяньгун.
Как избежать столкновения на орбите?
Чтобы предотвратить столкновение спутников, нужно знать их положение и скорость. Изучая состояние объекта с помощью методов орбитального распространения, можно прогнозировать его траекторию и оценить риск столкновения. Параметры почти всех действующих спутников фиксируются в специальных каталогах, которые регулярно обновляются. Для объектов, не участвующих в взаимодействиях, таких как космический мусор, неработающие спутники или разгонные блоки ракет-носителей, проводятся операции слежения, а их характеристики также заносятся в специальные каталоги.
Конечно, наблюдение не способно обнаружить мелкие обломки размером менее 10 сантиметров, движение которых остается неизвестным. Следующая анимация демонстрирует развитие обломков, возникших при столкновении спутника Iridium 33 со спутником Космос-2251 в 2009 году. За фрагментами наблюдали и отмечали их распространение. Вначале оно следовало по первоначальной орбите двух спутников, но со временем затрагивало и различные орбитальные области.
Облако фрагментов появилось рядом с орбитами обоих спутников всего через несколько часов после столкновения.
Как и кто отслеживает спутники на орбите?
В Европе важна служба ЕКА по наблюдению и отслеживанию космического пространства, которая использует сеть телескопов и радаров для отслеживания мусора. Полученные данные применяются в наземных системах для определения орбит, а также для составления каталогов и баз данных. Служба выполняет и другие задачи, например, изучение эволюции орбит и предупреждения операторов спутников о возможных столкновениях.
Спутники на низкой околоземной орбите получают каждую неделю сотни сообщений о возможном соединении. Это сводка с информацией о всех потенциальных столкновениях между спутниками. Большинство предупреждений считаются малоопасными и фильтруются автоматически. Однако некоторые из них, обычно два в неделю для каждого спутника, представляют собой более высокий риск. С ними работают техники и инженеры, которые проводят детальный анализ расстояния между объектами, неопределенностей их положения и вероятности столкновения.
Как определить риск столкновения со спутником?
Из-за невозможности точно определить положение тел, находящихся под угрозой столкновения, применяют статистический метод: для каждого тела вычисляется эллипсоид вероятности — область пространства, где объект с определенностью находится (хотя его точное местоположение в этой области неизвестно). Эллипсоиды изменяются со временем, моделируя развитие неопределенности в положении тел до их наибольшего сближения. Если в момент встречи два эллипсоида пересекаются, это свидетельствует о наличии вероятности столкновения.
Информацией о наблюдении ежедневно обновляются данные о пересечении траекторий, что повышает точность прогнозирования возможного столкновения. Однако для выполнения маневра уклонения требуется время на планирование и выполнение, поэтому ждать последнего момента не получится. В связи с этим Управление ЕКА по космическому мусору предупреждает команды управления полетами за три дня до столкновения, а решение о проведении маневра принимается на день раньше при вероятности столкновения один к десяти тысячам.
Решение о проведении маневра принимают после многодневного процесса и многочасового анализа траекторий, а также неопределенностей.
Проблемы маневра предотвращения столкновения
Как уже говорилось, осложнения, связанные с маневром уклонения, многообразны. Одна из первых серьёзных проблем — проверка, не представляет ли временная орбита, на которую переводится спутник, риск столкновения. Для выполнения маневра и возвращения спутника на исходную орбиту необходимо использовать его топливо. Незапланированное потребление топлива — проблема для тех, кто отвечает за срок службы спутника.
В ходе манёвров существует вероятность приостановки операционной деятельности. Это означает прекращение обслуживания коммерческого спутника или сбор данных научной миссии. Ещё один недостаток этого вида манёвра — экономические расходы. Для предотвращения столкновения необходимо забронировать время на наземной станции и подготовить команду специалистов, готовых вмешаться в любой момент. В связи с этим перед выполнением манёвров проводится глубокий анализ для убеждения о его необходимости.
В настоящее время предотвращение столкновений осуществляется вручную, а применяемые процедуры индивидуальны для каждой ситуации. С учетом экспоненциального увеличения числа спутников на орбите такой подход невозможен в долгосрочной перспективе. По мере развития технологий всё больше требуется автоматизированных механизмов обработки и управления растущим числом потенциальных столкновений. В связи с этим идея использования искусственного интеллекта и машинного обучения для автоматизации операций и процессов принятия решений, ранее выполнявшихся вручную, набирает популярность.
Европейское космическое агентство проводит конкурсы в области ИИ и машинного обучения, предоставляя участникам данные о стыках прошлых лет для разработки алгоритмов, воспроизводящих процессы принятия решений инженеров при вероятности столкновения. Полученные результаты обнадеживают, но до создания операционной системы, которая справлялась бы с этими ситуациями достаточно точно, еще далеко.
SpaceX заявила об интеграции в Starlink простой системы предотвращения столкновений. Информации об ее функционировании мало, подробностей нет. На данный момент система практически бессильна. При потенциальном контакте с действующим спутником последний не может предугадать движение Starlink и вынужден возвращаться к ручному управлению подобными ситуациями. Например, при столкновении Starlink-OneWeb, OneWeb попросила SpaceX отключить автоматическую защиту для возможности маневра уклонения без учета возможных действий Starlink.
Чтобы преодолеть перегрузку интересующих нас орбит, недостаточно действий отдельных лиц. Требуется совместное осознание проблемы и согласованные действия всех участников этого сектора, чтобы обеспечить доступ к космосу в ближайшее время.