В статье для журнала Scientific American американский научный обозреватель Меган Бартельс проанализировала возможные сценарии завершения эксплуатации Международной космической станции. Ее статья была переведена на русский язык для русскоязычных читателей.
Космическая станция, размеры которой больше футбольного поля, а вес приближается к 450 тоннам, в будущем будет возвращена на Землю. Этот процесс сложен и сопряжён с рисками.
Более четверти века на Международной космической станции непрерывно находились астронавты, осуществлявшие научные исследования. Она стала ключевой и наиболее востребованной платформой для освоения космоса. Однако, несмотря на достигнутые успехи, срок службы МКС ограничен.
В ближайшие месяцы NASA планирует изучить коммерческие предложения по разработке аппаратов, предназначенных для вывода станции из эксплуатации, включая безопасную деорбитацию и контролируемое сгорание в атмосфере Земли. Агентство готово выделить на выполнение этой задачи около миллиарда долларов, стремясь к независимости от российских технологий. Завершение программы, которое обещает быть весьма заметным событием, намечено на начало следующего десятилетия и уже вызывает вопросы в сфере аэрокосмической инженерии и международных отношениях.
«Международная космическая станция (МКС) является ключевым символом международного мирного сотрудничества. По мнению многих экспертов, это самый масштабный проект, когда-либо реализованный в истории человечества, — отметила Майя Кросс, политолог из Северо-Восточного университета
В программе МКС также задействованы Канада, Япония и европейские государства, однако она преимущественно является проектом США и России, представляя собой одну из немногих сфер стабильного сотрудничества между этими странами на протяжении десятилетий непростых взаимоотношений. На орбиту в конце 1998 года были выведены первые модули: один – из США, другой – из России. А первый экипаж, состоящий из одного астронавта и двух космонавтов, приступил к работе там в ноябре 2000 года. С тех пор МКС функционирует в непрерывном режиме и значительно превысила первоначально запланированный срок эксплуатации – 15 лет.
Ничто не вечно. «Крайне нежелательно, чтобы она перестала функционировать, и жаль, что ее придется вывести из эксплуатации, однако нецелесообразно удерживать ее на орбите бесконечно долго», — заявил Джордж Нилд, президент Commercial Space Technologies и бывший член Консультативной группы по аэрокосмической безопасности NASA — комитета, который рекомендовал космическому агентству США срочно разработать план действий по завершению работы МКС.
Расположение лаборатории на низкой околоземной орбите, в верхних слоях разреженной атмосферы Земли, определит ее дальнейшую судьбу. Любой объект, поднявшийся на такую высоту, со временем снижается, так как его замедляет непрерывный поток атмосферных частиц, и он возвращается к нашей планете.
Если бы космический аппарат на низкой орбите не получал периодических импульсов тяги, он начал бы терять скорость и высоту, что привело бы к его глубокому погружению в атмосферу и последующему разрушению. Для поддержания орбиты Международной космической станции в основном используются запуски российских грузовых кораблей «Прогресс», которые, после сближения и стыковки со станцией, регулярно включают свои двигатели для компенсации постоянного снижения орбиты.
В теории NASA и его партнеры имеют возможность переместить станцию на орбиту, расположенную за пределами земной атмосферы. Однако подъем такого объема массы на значительную высоту требует огромных затрат. Даже если бы МКС была оставлена и помещена на подобную высокую орбиту, она все равно оставалась бы источником потенциальной опасности: будучи устаревшей и крупногабаритной, станция со временем неизбежно разрушилась бы на большое количество обломков, способных повредить другие космические аппараты.
«Джонатан Макдауэлл, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, занимающийся отслеживанием спутников, отметил, что не стоит оставлять ее на орбите. По его словам, ее можно было бы рассматривать как музейный экспонат, однако со временем она придет в негодность и разрушится.
Нил утверждает, что демонтаж МКС не представляется возможным, так как ее конструкция не предусматривала разборку, и любые попытки осуществить ее могут повлечь за собой значительные риски. Это связано с состарившимися компонентами, которые более двух десятилетий подвергались воздействию экстремальных условий космического пространства.
Если космическая станция перестанет двигаться по орбите, она будет уничтожена в атмосфере. Это возможно двумя путями: либо путем управляемого спуска, в результате которого станция разрушится, либо в результате «неконтролируемого схода с орбиты», как это называют инженеры, то есть МКС упадет на Землю по непредсказуемой траектории. Последний сценарий зрелищный, но, безусловно, сопряжен с риском. Международная космическая станция больше футбольного поля, и на ее орбите расположены дома более 90 процентов населения Земли. Ранее обломки космических аппаратов, падающие на Землю, не приводили к серьезным последствиям для людей и инфраструктуры, однако МКС станет самым крупным объектом, покидающим орбиту, и это может существенно изменить ситуацию.
«Отсутствие контроля над сдвигом может повлечь за собой серьезные разрушения на поверхности Земли, включая травмы и человеческие жертвы, а также материальный ущерб. Это был бы весьма неудачный день», — предупредил Нилд.
NASA считает, что наиболее безопасным вариантом возвращения МКС на Землю является ее направлением в малонаселенные районы южной части Тихого океана с целью минимизации потенциального ущерба.
Решение этой задачи представляет собой сложную задачу, поскольку один оборот станции занимает около полутора часов, в течение которых она проходит приблизительно 400 километров земной поверхности в минуту. Наземная траектория непрерывно изменяется в связи с вращением планеты. Увеличение времени пребывания МКС в атмосфере приводит к рассеиванию ее обломков вдоль этой траектории, что увеличивает вероятность повреждений на поверхности Земли, вызванных отделившимися фрагментами. Однако, процесс схода станции с орбиты не должен протекать слишком стремительно: если МКС войдет в атмосферу с избыточной скоростью, возросшее сопротивление воздуха может привести к отрыву крупных элементов, таких как солнечные батареи или отдельные модули, которые затем начнут самостоятельно входить в плотные слои атмосферы непредсказуемым и неконтролируемым образом.
Некорректная конструкция станции усугубляет ситуацию, поэтому поддержание ее устойчивой ориентации во время входа в атмосферу имеет решающее значение. Кувыркание МКС во время спуска может вызвать изменение положения ракеты, отвечающей за вывод станции с орбиты, что повлечет за собой опасное отклонение от заданного курса.
Следует также учитывать, что атмосфера Земли подвержена значительным колебаниям: её плотность меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла, а также в течение суток.
«Сход с орбитой столь масштабного объекта, как Международная космическая станция, в значительной степени определяется плотностью атмосферы. Этот показатель, по словам аэрокосмического инженера из Университета Пердью Дэвида Арнаса, невозможно точно спрогнозировать заранее.
С учетом всех этих факторов, идеальный сценарий сведения МКС с орбиты будет выглядеть следующим образом. После нескольких недель или месяцев естественного снижения орбиты, на высоте около 400 километров над Землей, специальный корабль, пристыкованный к космической станции, активирует свои двигатели. Преодолев приблизительно половину пути к поверхности планеты, МКС начнет испытывать дестабилизирующее воздействие. На высоте примерно 200 километров диспетчеры внесут коррективы в траекторию станции, управляя работой двигателей ракеты для преобразования ее близкой к круговой орбиты в эллипс. Перигей, то есть ближайшая к Земле точка эллипса, будет находиться на высоте 150 километров над планетой. Это позволит минимизировать время, которое станция проведет в нижних, более плотных слоях атмосферы на заключительном этапе спуска.
По команде Центра управления полетами ракета выдаст станции заключительный импульс, который опустит ее еще ниже, в южную часть Тихого океана, до расстояния в 150 километров от Солнца.
«Кросс подчеркнула, что за этим событием будет следить весь мир. Значит, на карту поставлено немало.
Для реализации этого смелого замысла необходимо решить ряд вопросов. Ранее специалисты NASA сообщали о возможности использования нескольких российских грузовых кораблей «Прогресс» (возможно, до трех) для управляемого схода МКС с орбиты. Однако этот план оставался лишь предварительным из-за сложностей, связанных с согласованием действий различных кораблей.
«Даже при самых позитивных обстоятельствах это была бы сложная задача. По словам Нилда, требовалось бы в сжатые сроки построить, ввести в эксплуатацию и соединить несколько кораблей «Прогресс» для выполнения поставленной задачи.
В настоящее время американо-российское партнерство на МКС переживает трудности. Конфликт на Украине привел к ухудшению отношений между США и Россией до уровня, невиданного со времен холодной войны, что негативно сказывается на совместной работе на космической станции.
Россия также заявила о возможности выхода из совместной программы, не дожидаясь готовности NASA, и не предоставила гарантий по обеспечению кораблями «Прогресс» контролируемого схода МКС с орбиты. В связи с этим, американский корабль, способный доставить МКС на Землю, представляет значительный интерес для NASA и Соединенных Штатов.
Если NASA заинтересован в получении устройства, созданного на основе существующих космических кораблей, то выбор ограничен, добавил Макдауэлл. По его словам, такие аппараты, как правило, не обладают достаточной мощностью для обеспечения необходимого кратковременного импульса.
По мнению эксперта, наиболее перспективной технологией является европейский служебный модуль, используемый в программе «Артемида». Он обеспечивал работу беспилотной капсулы «Орион» во время ее полета вокруг Луны в прошлом году и, как ожидается, будет способствовать высадке людей на Луну в конце этого десятилетия. Макдауэлл отметил, что все остальные доступные варианты либо недостаточно производительны, либо избыточно мощны, либо не обеспечивают достаточный объем топлива для выполнения поставленной задачи. В связи с этим NASA инициировало запрос коммерческих предложений на разработку нового, специализированного аппарата.
Выбор NASA, будь то новая разработка или модифицированное существующее оборудование, окажет влияние не только на отношения между США и Россией, но и на другие аспекты сотрудничества в рамках программы МКС.
Завершение эксплуатации космической станции требует такой же всесторонней ответственности, как и ее создание и поддержание в рабочем состоянии. Однако в официальных документах NASA не указано, одобрили ли канадское, японское, европейское или российское космические агентства план, разрабатываемый Соединенными Штатами.
Завершение масштабного проекта поднимает вопросы о будущем международного сотрудничества в космической сфере. NASA активно развивает двусторонние партнерства со странами, заинтересованными в лунной программе «Артемида», однако Россия не является участницей этих соглашений. Китай, которому законодательство США ранее ограничивало участие в работе МКС, сейчас занимает лидирующие позиции в космической отрасли, располагая собственной орбитальной станцией, а также осуществляя автоматические миссии к Луне и Марсу. К каким последствиям приведет завершение эксплуатации МКС для отношений между США и Китаем, покажет только время.
По словам политолога Кросс, ни одна из будущих международных инициатив в области сотрудничества не сможет воспроизвести МКС, которая, вероятно, останется уникальным и выдающимся достижением.
«Состав государств, вовлеченных в космическую деятельность, существенно изменится по сравнению с периодом, когда Россия и США начали сотрудничество на МКС», — заявила она, выразив надежду на поддержание партнерства до завершения эксплуатации космической станции.
Независимо от времени возвращения МКС на Землю, ее контролируемое затопление станет одним из самых драматичных и значимых событий в истории освоения космоса. «Такая операция проводится крайне редко. Они будут сильно переживать, когда это произойдет», — заключил Арнас.