Почему Россия при испытаниях новейшего оружия спровоцировала образование множества обломков, представляющих опасность для МКС? Может ли подобное поведение сделать ближний космос непригодным для эксплуатации? Naked Science объясняет, почему ответы на эти вопросы оказываются не столь однозначны, как можно предположить.
Пятнадцатого ноября с космодрома Плесецк был осуществлен пуск ракеты, вероятно, «Нудоль», являющейся частью системы, предназначенной для защиты Москвы. Ракета столкнулась со старым советским военным спутником «Космос-1408», который фрагментировался на множество обломков. Орбита этого спутника располагалась всего на 40 километров выше, чем у МКС, поэтому эти обломки рано или поздно, но обязательно создадут угрозу столкновения для обитаемой станции. Это неизбежно по физическим причинам: на высотах ниже 500 километров есть существенное экзоатмосферное торможение всех объектов, отчего они постоянно снижают свою орбиту. В течение пяти лет большинство обломков из этой зоны дойдут аж до земной атмосферы — где и сгорят. И по пути, разумеется, обломки рано или поздно пересекут орбиту Международной космической станции. Где, напомним, пока есть и российские космонавты. Сами собой возникают вопросы. Первый из них:
С какой целью был осуществлен запуск ракеты?
Для того чтобы разобраться, с какой целью проводятся испытания оружия, необходимо понимать принципы его действия. Любое оружие, даже автомат Калашникова, может функционировать не всегда безупречно. И чем сложнее устройство, тем это случается чаще. Именно поэтому его подвергают испытаниям в самых разнообразных условиях. Зачем в таких разных? Потому что оружие, демонстрирующее высокую эффективность в одних ситуациях, может оказаться совершенно неэффективным в других, которые на первый взгляд кажутся мало чем отличаются.
Немецкие подводные лодки времен Второй мировой войны зарекомендовали себя как весьма действенные средства поражения: около полусотни боевых кораблей союзников и свыше трех тысяч торговых судов были потоплены благодаря немецким «акулам из стали». Однако существовал определенный недостаток: их не проверяли на торпедные стрельбы после длительного пребывания под водой. В условиях открытого океана это не являлось критичным, поскольку немцы регулярно поднимались на поверхность ночью, находясь на безопасном расстоянии от эсминцев противника. Но во время Норвежской кампании немецким подводным лодкам приходилось длительное время оставаться под водой. Оказалось, что после этого их торпеды переставали функционировать должным образом. Из 108 торпед, выпущенных Кригсмарине, к цели попала только одна.
Из-за недостаточной проверки в различных условиях, передовое оружие на короткое время утратило свои характеристики и стало бесполезным металлоломом, вызывающим гнев командиров подводных лодок. Мы говорим об этом серьезно. Гюнтер Прин, выдающийся немецкий подводник того времени, отреагировал на неэффективность своей лодки следующим образом:
«Вернувшись в порт, он сообщил мне [адмиралу Деницу], что «ему будет сложно продолжать боевые действия с таким оружием».
Поведение немцев вполне объяснимо. Использование неисправных торпед во время Норвежской кампании привело к гибели четырех подводных лодок и их команд.
Положение сложилось таким образом, что настройка требуемой глубины хода для торпед была связана с герметичностью одного из торпедных отсеков. Кратковременные колебания давления, возникающие при погружении подводной лодки, не влияли на герметичность этого отсека. Однако при длительном пребывании под водой давление в отсеке, который теоретически должен был быть герметичным, изменялось. Это приводило к тому, что установка глубины хода заставляла торпеду практически сразу после запуска быстро погружаться на значительную глубину, где она не могла представлять опасности для противника. Других примеров вреда от катастрофически плохо испытанного оружия так много, что даже не будем пытаться перечислить их здесь.
Противоракета «Нудоль» 2020 года значительно сложнее торпеды, разработанной в 1940 году. Ее применение требует учета большего количества факторов. Без испытаний, выявляющих возможности достижения предельной высоты, существует вероятность, что ракета сможет поражать цели на орбите высотой 200 километров, но не сможет достигать орбит на высоте 450-500 километров. Именно такая высота критически важна для «Нудоли». В составе данного комплекса противоракетной обороны присутствуют ракеты с различной дальности и разной высотной досягаемостью. Если полагаться на западную интерпретацию прошедших испытаний, 15 ноября был осуществлен пуск ракеты 14А042.
В открытых источниках указывается, что ее высота полета может достигать 800 километров. В связи с этим понятно, почему испытания «Нудоли» в этот раз проводились на орбитах, расположенных вблизи МКС — на высоте от 450 до 500 километров. Если имеется двухступенчатая противоракета с перехватчиком и дальностью действия до 500 километров, то нет необходимости в испытаниях на 250 километрах, как это делали в США в 2008 году. В противном случае можно будет протестировать только работу первой ступени ракеты, и лишь в ограниченной степени — второй. А что произойдет, если при использовании на максимальной высоте, на пределе возможностей второй ступени (или после ее отделения), что-то пойдет не так?
Необходимо подчеркнуть, что система противоракетной обороны Москвы призвана перехватывать не только ядерные боеголовки, но и другие потенциальные угрозы. В частности, имеется в виду американский многоразовый аппарат Boeing X-37B В Космических силах США утверждают, что это – всего лишь маневренный спутник-разведчик, расположенный на низкой орбите. Тем не менее, российские военные высказывают опасения, что его можно будет приспособить и для размещения ядерных вооружений. Хотя в настоящее время такое оружие на нем отсутствует, убедить российских генералов в том, что оно там не появится в будущем, представляется затруднительным, поскольку у них нет возможности это проверить).
Данный тип космической системы потенциально представляет значительную опасность: при запуске ядерного боеприпаса с наименьшего расстояния до российской столицы, дистанция составит всего несколько сотен километров, что существенно меньше, чем при ядерном ударе с американских подводных лодок или из стационарных ракетных шахт. Для реагирования будет крайне мало времени – менее пяти минут. Хотя X-37B является дорогостоящим и неэффективным средством доставки ядерных боеголовок, для нанесения «декапитационного» удара по Москве он теоретически может быть использован.
В итоге, Россия уничтожила на орбите спутник, расположенный рядом с МКС, так же, как ранее уничтожала устаревшие космические аппараты китайцы в 2007 году, американцы в 2008-м, индийцы в 2019-м. Именно поэтому без тщательной проверки эффективность подобных решений сложно оценить.
Не представлялось ли возможным настроить прицел?
США и Индия проводили испытания противоспутникового оружия, уничтожая аппараты на гораздо более низких орбитах, находящихся в диапазоне от 200 до 300 километров. Похоже, это свидетельствует о том, что эти государства обеспокоены безопасностью международной космической станции, в то время как мы – нет. В конце концов, фрагменты объектов, уничтоженных на орбитах ниже высоты МКС, не должны представлять для неё опасности, не так ли?
К сожалению, это не совсем так. Осколки даже таких низких целей представляют угрозу для МКС или других космических аппаратов. Причина в том, что фрагменты, образовавшиеся в результате космических столкновений, движутся не только в направлении Земли (где они сгорают в атмосфере), но и вверх, где способны долгое время находиться на орбите.
Зачем мы рассматриваем эволюцию околоземных объектов? Чтобы продемонстрировать, что законы физики нельзя нарушить. Индийская сторона действительно уничтожила свой старый спутник Microsat-R на высоте около 270 километров. Однако, в результате столкновения с перехватчиком, некоторые обломки получили дополнительную энергию и, соответственно, увеличили свою скорость. Объект, находящийся на околоземной орбите, при увеличении скорости переходит на более высокую траекторию. И действительно, научная работа показывает: высота апогея орбит десяти крупных обломков индийской мишени превышает тысячу километров. Разумеется, со временем они также могут пересечь орбиту МКС, что создаст потенциальную угрозу столкновения.
Количество опасных обломков, представляющих угрозу для МКС, после индийских испытаний оказалось меньше, чем после российских. Это связано с тем, что меньшая часть этих обломков переходит на высокие орбиты, где возможен сближение с МКС. При этом разница заключается лишь в количестве, а не в качестве.
Это не следствие злонамеренных действий со стороны Индии или США. Скорее, это связано с тем, что на большей высоте они не имели возможности провести испытания. Действительно, США уничтожили свой спутник примерно на 250 километрах, а не на высоте, превышающей эту отметку на две сотни километров, как это сделала Россия. Пентагону не требовалось проводить испытания на высотах, сопоставимых с высотой «Нудоли», поскольку для уничтожения своего спутника использовалась противоракета SM-3. Для успешного перехвата на высоте в четверть тысячи километров, SM-3 потребовала доработки.
По заявлениям американских военных (хотя после вторжения в Ирак, предпринятого с целью лишения Хусейна оружия массового поражения, возникают вопросы о возможности безоговорочному доверию этим людям?), целью удара было устранение угрозы, связанной с потенциальным падением засекреченного американского спутника, на борту которого находилось опасное для здоровья вещество – гидразин. Именно поэтому был выбран определенный орбитальный отрезок: у Соединенных Штатов не было оснований для нанесения удара на большей высоте. Они не планировали поражать объекты, находящиеся выше.
Ранее у них уже возникала подобная потребность. В период холодной войны они уничтожили свой устаревший спутник Solwind P78-1 на высоте более 500 километров. Сделали это ракетой ASM-135, которую в итоге так и не поставили на вооружение. Обломки Solwind P78-1 теряли высоту еще многие годы — и успели создать угрозу столкновения для советской и российской станции «Мир».
А за космонавтов нам не страшно?
Причины, побудившие военных к испытанию «Нудоль» на орбите, расположенной вблизи МКС, ясны. Однако остается неясным, почему не была учтена опасность, исходящая от фрагментов спутника «Космос-1408», представляющая угрозу для наших космонавтов. В конце концов, экипаж МКС был вынужден временно укрыться на корабле «Союз», облачиться в скафандры и закрыть люки, чтобы избежать дегерметизации в случае столкновения с обломками?
Внимательно рассмотрим сложившуюся ситуацию. 16 ноября вечером Министерство обороны опубликовало видео, демонстрирующее местоположение «Космос-1408» перед нанесением удара и положение МКС на момент этого события. Во-вторых, согласно имеющимся на данный момент сведениям, экипажу была дана команда о переходе в укрытие из Центра управления в Хьюстоне, а не из российского центра управления полетами. В-третьих, коррекция орбиты МКС так и не была произведена. Это указывает на то, что реальной опасности столкновения для станции не существовало, была лишь вероятностная угроза.
При детальном изучении видеоролика, опубликованного Министерством обороны, — пока западные источники не подвергли его содержанию сомнений, — становится очевидно, что во время испытаний «Космос-1408» двигался по орбите, отличающейся наклонением к экватору Земли, и находился на расстоянии 40 километров выше МКС.
Поскольку точка соударения ракеты и спутника располагалась ближе к экватору, она находилась на значительном удалении от орбитальной станции, практически на противоположной стороне Земли. Следовательно, в момент уничтожения цели МКС не подвергалась непосредственной опасности. Однако, могла ли она столкнуться с угрозой в тот же день?
В теории это возможно, однако на практике реализация оказывается сложнее. Сразу после столкновения обломки начинают отслеживаться, и тогда станция может предпринять маневры для предотвращения сближения с ними.
Арифметика космического мусора
Непосредственной опасности для космонавтов, находящихся на борту орбитальной станции, в результате проведенных испытаний не возникло. Однако, стоит ли ожидать появления такой угрозы в будущем, когда обломки разрушенной станции начнут снижаться и каждые полтора часа облаком будут пересекать орбиту МКС?
Обломки «Космоса-1408» движутся вокруг Земли с запада на восток, подобно МКС. В силу законов небесной механики их скорость не может значительно отличаться от скорости других спутников и станций – не более чем на 300 метров в секунду (а для большинства космических объектов это разница еще меньше). Если превышение этого значения больше, подобные «выскочки» либо быстро падают на Землю, либо удаляются высоко в космос. Скорость в 300 метров в секунду сопоставима со скоростью пули из пистолета. Попробуем определить, насколько велика вероятность столкновения таких «пуль» с космическими аппаратами на околоземной орбите.
Осколки разрушенного спутника преимущественно находятся в области, имеющей форму тора, или так называемого «бублика». Центр поперечного сечения этой области совпадает с прежней орбитой «Космоса-1408». Принимая во внимание фактическое рассеяние обломков, этот «бублик» окажется весьма протяженным, поскольку, согласно наблюдениям астрономов, уже достигли высот более тысячи километров, а другие ушли вниз, на орбиту в 300 километров. Тор с сечением в 700 километров и длиной более 40 тысяч километров будет настолько громадным, что вероятность столкновения его обломков с любым рукотворным объектом станет крайне низкой.
Для того чтобы преувеличить потенциальную опасность испытаний «Нудоли» и представить их последствия в наиболее негативном свете, мы искусственно сократим площадь пересечения бублика до 40 километров. Это связано с тем, что именно такое расстояние разделяло орбиты МКС и «Космоса-1408» в двух точках максимального сближения. Чтобы сделать вероятность столкновения практически неизбежной, допустим, что МКС и уничтоженный спутник двигались по орбитам с одинаковым наклонением — то есть их траектории параллельны, а расстояние между ними постоянно составляет 40 километров, не уменьшаясь до этого значения лишь в отдельных точках.
Какой будет объем подобной «опасной конструкции»? Если радиус ее поперечного сечения составляет 40 километров, а длина – 40 450 километров (при этом радиус тора равен 6850 километров), то объем тора составит примерно 216 миллионов кубических километров. Крупных обломков от «Космоса-1408» было полторы тысячи. Поднимем их число до десяти тысяч, чтобы учесть те, что помельче, но тоже могут нанести серьезный ущерб станции. Получается, насыщенность такого «опасного бублика» кусками расстрелянного «Космоса» — один обломок на 22 тысячи кубических километров.
Много ли это или мало? Представим мысленный эксперимент: поместим МКС в помещение высотой 20 метров, заполненное летящими во все стороны пулями. Ввиду габаритов станции ее поперечное сечение — примерно 1000 квадратных метров (высота — около 20, ширина — 50 метров). Представим, что у этих пуль — та же встречаемость на единицу объема помещения, что у обломков «Космоса» в рассчитанном выше «опасном бублике». Какой же будет вероятность поражения?
Даже ученик начальной школы сможет выполнить такие простые расчеты: здание высотой 20 метров и объемом 22 тысячи кубометров должно занимать площадь в 1,1 миллиона квадратных километров. Если говорить проще, это сопоставимо с территорией Боливии. В случае, если здание имеет форму куба, его стороны будут составлять тысячу на тысячу километров.
Какова вероятность того, что, разместив МКС, занимающую всего 50 метров в ширину, в Боливии и выпустив пулю в случайном месте этой страны, мы попадем в цель? Даже если не учитывать сопротивление воздуха, гравитацию и отклонение траектории пули, вероятность такого события практически равна нулю.
Как мы знаем, фрагменты разрушенного аппарата, получившие название «опасный бублик», приближаются к орбите Международной космической станции (МКС) лишь в двух точках. Фактически, большая часть обломков будет отброшена от траектории полета из-за иного наклонения, что заметно отличается от орбиты МКС (подробности на видео.
Риск, исходящий от обломков космического аппарата «Космос-1408» для орбитальной станции, ничтожно мал – он сопоставим с шансом быть поражённым пулей случайно. Поэтому говорить об этом всерьёз сложно.
Для специалистов в области небесной механики мы делаем профессиональную оговорку. Мы осведомлены о том, что в действительности многие фрагменты «Космоса» в первые же дни рассеялись на высоте от 300 до 1000 километров, что уменьшило вероятность столкновения. Также мы учитываем, что фактические относительные скорости обломков относительно МКС будут иными, поскольку их наклонения, как мы и предполагали в упрощенном расчете, различны. Редакция также помнит о множестве других расчетных деталей, которые не были изложены подробно. В частности, о том, что при каждом обороте орбиты обломки, как это часто происходит и с МКС, претерпевают небольшие изменения. И мы осознаем, что вышеописанное — упрощение, значительно повышающее вероятность столкновения по сравнению с реальной ситуацией, а не полноценный расчет.
Мы также просим вас учитывать следующее: если мы будем представлять даже самую элементарную симуляцию траектории обломков для неподготовленной аудитории, количество людей, дочитавших этот текст до конца, будет крайне незначительным. И это будет хорошим результатом, если их окажется больше, чем пальцев на одной руке.
Представленный выше расчет является лишь демонстративным примером, призванным проиллюстрировать крайне малую вероятность столкновения обломка с функционирующей и пилотируемой орбитальной станцией. Он не предназначен для использования в качестве учебного пособия по небесной механике.
Синдром Кесслера чаще всего поражает людей, ведущих малоподвижный образ жизни
Позвольте, но что насчет синдрома Кесслера? Не приведет ли накопление космического мусора со временем к тому, что низкие околоземные орбиты станут непригодными для использования? Не ускоряют ли испытания «Нудоли, как и американские в 1985 году, наступление этой опасной ситуации? Следует вспомнить, что в 1978 году ученый NASA Дональд Кесслер предупреждал о сценарии катастрофических последствий (известном как синдром Кесслера), при котором цепная реакция столкновений обломков может сделать космические полеты и использование спутников невозможными.
В настоящее время на околоземных орбитах находится менее 8000 космических аппаратов (включая нефункционирующие), располагающихся на высотах от 300 до 36000 километров. Предположим, что их число достигло десяти тысяч, и все они были бы сдвинуты на высоты от 300 до 500 километров. Допустим, каждый из них будет уничтожен одновременным применением «Нудолей» (тогда потребуется десять тысяч таких устройств). Предположим, что каждый пораженный спутник породит десять тысяч опасных обломков (на практике такое количество обломков могут образовать только самые крупные и тяжелые аппараты). В результате получится 100 миллионов обломков. Объем свободного пространства на орбитах, находящихся на высоте от 300 до 500 километров над планетой, составляет приблизительно 110 миллиардов кубических километров.
В конечном счете, даже полное уничтожение спутников противоракетной обороной не приведет к образованию хотя бы одного опасного обломка на тысячу кубических километров. Любой аппарат, пилотируемый или управляемый дистанционно, поддерживающий связь с Землей, сможет избежать столкновения с крупными обломками даже в самой маловероятной ситуации.
При использовании более правдоподобных данных в расчетах, таких как увеличение диапазона орбит до 36 тысяч километров, соответствующих геостационарной орбите, и учет быстрого схода обломков с нижних орбит, средняя плотность обломков снизится до одного объекта на каждые несколько сотен тысяч кубических километров. В результате управляемым аппаратам станет еще проще избегать подобных опасностей.
Как появилась обеспокоенность, связанная с синдромом Кесслера и перспективами освоения космоса? Причина понятна: когда впервые обнаружили космический мусор, уклонение от него не считалось важной задачей. Обнаружить обломки на орбите было сложно из-за отсутствия подходящих инструментов, а возможности спутников по маневрированию были часто весьма скромными. В этих обстоятельствах космический мусор представлялся реальной опасностью.
В перспективе он способен представлять серьезную опасность? Теоретически — возможно, но для этого потребуется приложить значительные усилия.
Если Илон Маск полностью воплотит в жизнь проект Starlink, количество космических аппаратов на орбите достигнет 20 тысяч единиц. Вероятность того, что OneWeb и другие компании смогут повторить успех основателя SpaceX, крайне мала: он использует собственные ракеты-носители, которые значительно дешевле, чем у других игроков на рынке. Но, предположим, он вдруг начнет выводить на орбиту и спутники конкурентов по той же цене, что и свои. Предположим, общее количество спутников, вращающихся вокруг Земли, увеличится до 30 тысяч аппаратов. Предположим, каждый из них в случае военного конфликта будет уничтожен системами «Нудолья». Захламим ли мы космическое пространство до такой степени, что оно станет непригодным для эксплуатации?
Каждый спутник Starlink имеет массу всего 260 килограммов. Это означает, что невозможно получить десять тысяч крупных обломков от них, поскольку спутники изготавливаются не из хрупкого стекла, которое легко разбивается на мелкие фрагменты, а преимущественно из металлов, которые не так легко разрушаются при ударе. В итоге получится около 100-200 миллионов осколков, как и указывалось ранее.
Значительное увеличение вероятности создания «мусорной блокады» ближнего космоса стало бы возможным благодаря масштабному производству цилиндров Кларка – колоссальных вращающихся конструкций километровых размеров и весом в миллионы тонн, предложенных ещё в XX веке как наиболее выгодное (с экономической точки зрения) решение для освоения космоса. Если бы кто-то одновременно применил ядерное оружие для уничтожения хотя бы десяти тысяч цилиндров массой в десять миллионов тонн каждый, можно было бы получить десятки миллионов обломков от каждого цилиндра – и сотни миллиардов крупных обломков в общей сложности.
Проблема заключается в том, что для цилиндров Кларка низкие орбиты непригодны, в то время как геостационарные орбиты вполне подходят. Масштабный ядерный конфликт в космосе может привести к значительному засорению геостационарных орбит, однако с низкими орбитами ситуация иная.
Подытоживая, можно сказать, что в обозримом будущем синдром Кесслера для маневренных и управляемых космических аппаратов практически невозможен, даже при условии уничтожения спутников в большом количестве. Наибольший риск – увеличение числа отказов спутников, не способных к маневрированию. Однако современные аппараты обычно оборудованы двигателями и системами связи. Маловероятно, что в будущем они лишатся подобных характеристик.
Так зачем Россия это сделала?
Несмотря на то, что инцидент с «Космосом» не повлек за собой ни кратковременных, ни существенных долгосрочных последствий для МКС, он вызывает, скажем так, недоумение. Даже в условиях космического пространства, где присутствует другой человек, маловероятно, чтобы кто-то прибегал к применению боеприпасов, если нет уверенности в том, что цель находится непосредственно позади.
Даже если вам не удастся попасть, вы рискуете произвести впечатление крайне невежливого человека. За исключением, разумеется, случаев, когда ваши отношения с этим человеком настолько неформальны, что вам безразлично, попадете вы в него или нет. Стало ясно, почему американцы уничтожили спутник в сентябре 1985 года, не принимая во внимание потенциальную угрозу для советских орбитальных станций: за два года до этого их президент открыто назвал нашу страну империей зла.
Мы существуем в иных реалиях и эпохе. Что же послужило причиной такого неуважительного поведения со стороны российских военнослужащих? Почему было принято решение использовать боеприпасы в одном, пусть и просторном, «помещении», где находились люди?
Этот вопрос мучает западную прессу, пишущую на космические темы. Там приводят гипотезу одного американского эксперта по космосу (Грега Одри):
«Российский президент Владимир Путин сделал вывод о том, что российская космическая отрасль существенно уступает американской и китайской, и эта разница будет только увеличиваться. В связи с этим, Путин пришел к выводу, что оптимальной стратегией для России станет ограничение доступа к некоторым орбитам для ее конкурентов, если существует возможность их разрушения, то, по мнению Путина, можно осуществлять контроль над ними».
Ранее мы уже пытались показать, почему полное исключение возможности использования востребованных орбит практически невозможно. Требуются иные исходные условия.
Среди прочего, стоит отметить, что для Москвы сегодня стало по какой-то причине приоритетнее удостовериться в исправности систем защиты от ядерного удара, чем соблюдать нормы международного взаимодействия. Вместо проведения испытаний в условной точке в космосе, где отсутствуют какие-либо объекты (как, например, неоднократно тестировался «Нудоль»), было решено провести серьезные испытания по металлической цели. Данное предположение достаточно полно объясняет произошедшее. Однако оно ставит другой вопрос. Почему проверка противоракетной обороны вдруг стала так важна для Кремля? Действительно ли там всерьез готовятся к военному конфликту, в котором такая система защиты может оказаться полезной?