Международная космическая станция и другие спутники оберегают себя от крупных фрагментов мусора изменением траекторий движения, а от мельчайших угроз – специальными экранами, предотвращающими столкновения.
С момента запуска первого спутника некоторые непредвиденные последствия угрожают освоению человеком космического пространства. Самой заметной из них является проблема мусора в космосе.
Новые запуски должны учитывать его при планировании траекторий, чтобы предотвратить аварии. Частицы движутся с огромной скоростью, превышающей скорость самых быстрых пуль автомата.
Число запусков спутников в космос возрастает, что провоцирует увеличение объёма космического мусора.
Проекты длительной работы, например МКС, вынуждены постоянно следить за обстановкой, чтобы предотвратить катастрофические столкновения.
Рассмотрим принятые на МКС и других спутниках шаги по устранению данной острой проблемы.
Угроза космического мусора
Космический мусор – это мелкие твердые объекты искусственного и природного происхождения, расположенные возле Земли на низкой околоземной орбите. Размер этих объектов колеблется от нескольких микрон до десятков сантиметров.
Более ста миллионов фрагментов размером менее микрометра, около ста миллионов фрагментов от одного миллиметра и более, пятьсот тысяч фрагментов размером с гальку (~1 см) и двадцать три тысячи фрагментов размером с мяч, вращаются на орбите Земли. Скорость их движения превышает 25266,7 км/ч. Для сравнения, дульная скорость АК-47 составляет около 2555,6 км/ч при диаметре пули 7,62 мм. Космический мусор представляет собой экзистенциальную угрозу для… спутников и населяющих их людей.
В 1978 году ученый НАСА Дональд Дж. Кесслер предсказал, что при превышении критической концентрации мусора на орбите Земли очередное столкновение вызовет каскадный эффект, приводящий к экспоненциальному росту количества мусора и полной неработоспособности орбиты.
Защита от космического мусора
Защитить от космического мусора полностью невозможно, так как в космосе сотни миллионов фрагментов. Большинство слишком малы для отслеживания. НАСА следит за объектами размером 10 см и более, так как их размер позволяет измерять и контролировать.
Три уровня угрозы определяются размером и скоростью снаряда. Защита колеблется от орбитального маневрирования для больших объектов (более 10 см с высоким потенциалом опасности) до щитов, поглощающих удар мелких, менее опасных объектов (менее 1 см).
Орбитальное маневрирование
Орбитальное маневрирование — преднамеренное изменение траектории спутника для предотвращения столкновений. Самый простой способ его осуществления – отключение ракетных двигателей, если таковые имеются у спутника. Для МКС создается пространственная сетка размером 50 км на 50 км, в центре которой находится космический корабль. Объекты размером 10 см и более отслеживаются, их траектория отображается на карте. Если объект входит в пространственную сетку МКС, запускается маневр ухода от мусора.
Оценивается вероятность столкновения. При значении более 1/100 000 (>0.00001) маневр может быть начат, но только если он не опасен для целей миссии. Если вероятность превышает 1/10 000 (>0.0001), маневр инициируется, исключая случаи, когда это увеличивает угрозу для экипажа. Двигатели запускаются для предоставления станции кинетической энергии, необходимой для обхода объекта в ближнем космосе. После прохождения объекта осуществляется возврат на исходную орбиту.
Щит Уиппла
Щит Уиппла служит физическим барьером для защиты от столкновений мусора размером до 1 см. Создал его Фред Уиппла. Это двухуровневая система. Первый уровень — бамперный щит из алюминиевого сплава толщиной 0,26 см, выступающий в открытый космос. Он поглощает основную часть любого столкновения, разбивая объект на еще более мелкие части.
Вторая ступень — это сама стенка космического корабля, способная выдержать столкновение даже с ослабленными частицами. Между щитом-бампером и стенкой корабля находится пространство, называемое расстоянием противостояния, равное 10,2 см.
Набивной щит Уиппла
Простая модернизация щита подразумевает добавление слоя между наружной частью и внутренней стенкой космического корабля. Внешний бампер из алюминиевого сплава толщиной 0,15 см отделён от начинки на 5,1 см.
Набивка состоит из двух слоёв: керамический слой обращён к внешнему щиту, за ним располагается полимер с хорошими свойствами на растяжение, например, кевлар. За слоем набивки находится стенка космического корабля, снова разделённая на 5,1 см. Два слоя перед стенкой космического корабля существенно уменьшают риск контакта со стенкой, что является идеальным сценарием.
Сетчатый щит Уиппла
Внешний слой этой конструкции изготовлен из алюминиевой сетки — тонких перекрещивающихся волокон алюминия, которая поглощает первый удар и дробит обломки на более мелкие частицы. За ней располагается слой наполнителя, который останавливает эти мелкие частицы.
Система защиты от осколков многоступенчатая, действует она в зависимости от разрушительного потенциала объектов. Для крупных фрагментов (>10 см) наилучшим решением является орбитальное маневрирование. В отношении частиц среднего размера порядок действий определяется степенью их обнаруживаемости.
Если обнаружены достаточно рано, то в зависимости от вероятности столкновения и выполнения целей миссии начинается орбитальный маневр. Если не обнаружены, то слишком малы, чтобы представлять смертельную угрозу для космического аппарата, поэтому используются щиты столкновения различной структуры в зависимости от защищаемой области и вероятности столкновения на орбите.