Когда страна принимает решение о проведении испытаний противоспутникового оружия и уничтожает свой устаревший спутник на орбите, она сталкивается с осуждением со стороны мирового сообщества. Критики утверждают, что таким образом увеличивается объем космического мусора и создается угроза для безопасного использования околоземной орбиты. Подобные заявления лишь усиливают опасения, связанные с синдромом Кесслера, и породили распространенное заблуждение о возможности уничтожения спутников путем вывода на орбиту контейнеров с обломками. Однако опыт показывает, что кинетические методы поражения космических аппаратов не так эффективны, как хотелось бы военным. Столкновения спутников с космическим мусором происходят регулярно, но далеко не всегда приводят к выходу аппаратов из строя. Naked Science попытается объяснить причины этого.
В марте 2021 года был выведен на орбиту китайский спутник дистанционного зондирования Земли) Yunhai-1 (02) столкнулся с неким фрагментом космического мусора. Ретроспективно анализируя траекторию безымянного «снаряда» (идентификатор COSPAR 1996-051Q), специалисты 18-й эскадрильи космической обороны (18 SDS) Космических сил США смогли установить, предположительно, это фрагмент верхней ступени ракеты-носителя «Зенит-2». Объект продолжает находиться на орбите после запуска российского военного спутника радиотехнической разведки «Космос-2333» в 1996 году. За прошедшие 25 лет он снизил свою орбитальную высоту примерно на 60 километров и «удачно» пересек траекторию Yunhai-1 (02).
В результате инцидента образовалось 37 отслеживаемых обломков. Это значительное количество, особенно если учесть, что предыдущие известные случаи такого рода приводили к образованию не более десяти новых объектов. Лишь однажды, после столкновения космического аппарата с космическим мусором, было зафиксировано большее количество фрагментов разрушение Iridium 33 (COSPAR ID 1997-051C) в 2009 году. Действительно, роль мусора выполнил вышедший из строя российский военный спутник связи «Космос-2251» ( 1993-036A), подобные случаи были скорее исключением, поскольку оба объекта имели сопоставимые размеры и массу. В результате количество обнаруженных наземными средствами обломков составило 2370 штук.
Но случай с Yunhai-1 (02) интересен вовсе не тем, что от китайского аппарата откололось почти четыре десятка кусков размером более сантиметра. Любопытно другое — спутник сохранил работоспособность. Насколько можно судить по открытым источникам, официально оператором аппарата этот факт не подтверждался, однако есть ряд независимых свидетельств. Судя по историческим данным портала In-The-Sky.org, Yunhai-1 (02) за последний год как минимум дважды корректировал свою орбиту. Для сравнения можно взглянуть на орбитальные параметры части второй ступени (или адаптера полезной нагрузки) ракеты, выведшей этот аппарат в космос в 2019 году. Будучи полностью неуправляемым, объект плавно теряет высоту.
Сервисы вроде In-The-Sky.org визуализируют в удобной форме общедоступные (и не очень) базы европейских и американских служб контроля за околоземным пространством. Проверить показания таких сайтов можно самостоятельно через соответствующие ресурсы (вам потребуется регистрация) Европейского космического агентства ( ЕКА) и Командования космической составляющей объединенных сил США, Великобритании, Канады и Австралии ( Объединенное командование космического компонента, CFSCC).
Работоспособность Yunhai-1 (02) также подтверждают астрономы-любители, наблюдающие за спутниками в оптическом и радиодиапазонах. Аппарат продолжил передавать зашифрованный поток данных в L-в диапазоне от 1 до 2 гигагерц, который неоднократно удавалось перехватить для анализа. После столкновения также изменились характеристики отраженного от спутника излучения — исчезла периодичность колебаний яркости. Предположительно, Yunhai-1 (02) потерял антенну микроволнового радиометра и, возможно, часть солнечных панелей. Но в той или иной форме его функциональность сохранилась после столкновения с объектом размером от одного до десяти сантиметров в поперечнике на скорости минимум 3,5 километра в секунду.
Эта история служит одним из самых ярких примеров того, насколько ограничены возможности кинетического противоспутникового оружия. Она показывает, что сближение двух объектов в околоземном пространстве без целенаправленного маневра – крайне редкое событие, зависящее от случайных факторов. Кроме того, она демонстрирует, насколько устойчивы спутники, учитывая разрушительные последствия столкновений даже небольших обломков на орбитальных скоростях. И объясняет, почему большинство на первый взгляд логичных способов уничтожения космических аппаратов на деле оказываются неэффективными. Мы рассмотрим принципы движения тел по орбите, трудности определения их траекторий и реальный уровень защиты космических аппаратов от кинетического воздействия.
Прежде всего стоит отметить, что процессы, происходящие на относительно небольшой высоте над нами, не всегда легко понять.
Неизбежность непонимания космоса
Все, что касается космоса, кажется крайне противоречивым. Это справедливо и для других областей знаний, выходящих за пределы опыта человечества в процессе его развития. Поэтому так трудно простым языком объяснять физические явления (даже не затрагивая квантовую механику). А представления людей о функционировании собственного организма не сильно отличаются от взглядов древних греков с их четырьмя гуморами, нарушение баланса, которое, по мнению некоторых, является причиной всех болезней, даже заставляет образованных людей говорить о «зашлакованности» организма. Когда же обсуждаются экономические или политические (а также гуманитарные) вопросы, ситуация существенно усложняется: собеседники либо вступают в ожесточенные дискуссии, либо ограничиваются констатацией того, что обсуждаемое кажется им несерьезной и непонятной концепцией. Тем не менее, экономика и политика тесно связаны с повседневной жизнью современного человека.
Понимание космоса представляется сложной задачей, поскольку наше восприятие от него принципиально отличается, и природа не наделила нас способностью к его осмыслению. Мыслительная деятельность современного человека по сути своей «двухмерна»: мы можем двигаться только вперед-назад или вправо-влево. Наверх и вниз мы смотрим, однако не способны перемещаться таким образом. Даже при подъеме или спуске человек обычно движется по наклонной, но плоской поверхности. Таким образом, осознать «третье измерение» как направление свободного, неограниченного движения для нас крайне затруднительно. Без устойчивой опоры (или, в крайнем случае, поддержки руками), а точнее, без четкого представления о векторе ускорения свободного падения, мозг человека не способен ориентироваться в пространстве.
Около ста лет назад многие люди впервые получили возможность быстрого передвижения, даже в «двухмерном» пространстве, превосходя скорость любого животного. Этот факт оказался весьма сложным с психологической точки зрения: появление первых поездов, автомобилей и самолетов сопровождалось мифами и суевериями, например, о гибели пассажиров из-за разрыва внутренних органов вследствие большой скорости. При этом речь шла о скоростях всего лишь в десятки километров в час, в то время как в космических аппаратах приходится сталкиваться со скоростями, измеряемыми километрами в секунду.
Поэтому, просим прощения у читателей, знакомых с орбитальной механикой и физикой: все последующие объяснения и примеры будут представлены в максимально упрощенной форме. Цель этой статьи – продемонстрировать максимально широкой аудитории, насколько велик и сложен космос, даже в непосредственной близости от нашей планеты.
«Шаманство» орбитальной механики
Орбитальное движение существенно отличается от движения, происходящего на поверхности Земли или в ее атмосфере. Для понимания его основ необходимо постоянно помнить о том, что объекты, находящиеся на орбите, непрерывно движутся с высокими скоростями (по сравнению с человеческими). Они располагаются в пространстве-времени, искривленном гравитацией, и прямые линии кажутся геодезическими (чтобы разобраться в вопросе противоспутникового оружия и столкновений с космическим мусором, попробуем, оставаясь в рамках простой, понятной логики, объяснить основные моменты орбитальной механики.
Космический аппарат, вращающийся вокруг планеты, можно сравнить с товарным поездом. Он движется по заданной траектории и не способен резко изменить направление. Препятствует этому значительная масса, являющаяся мерой инерции. Масса космических аппаратов, как правило, не очень велика (масса МКС составляет 440 тонн, спутники редко превышают пару-тройку тонн, а большинство – не достигают сотни килограммов), однако их скорость намного выше, что приводит к большой инерции и требует огромных затратов энергии для изменения траектории. Поэтому любые маневры требуют значительных трудозатрат и занимают продолжительное время, а их результаты проявляются постепенно. Сложность орбитального движения заключается в том, что при ускорении траектория становится восходящей, а при торможении – нисходящей, что влечет за собой определенные последствия: в первом случае скорость уменьшается, а во втором – возрастает, то есть наблюдается обратная зависимость. Это выглядит как парадокс.
Второй важный момент, который часто упускают из виду после окончания школы: скорость и сила — векторные величины. Это означает, что они характеризуются не только числовым значением, но и направлением. Соответственно, арифметические операции с ними допустимы только в случае, если они сонаправлены и приложены в одной точке. Однако такое сочетание встречается нечасто, поэтому, например, для определения результирующей скорости движения после включения двигателей, расположенных под углом к траектории, потребуется проведение расчетов сложением векторов (привет, ученик восьмого класса). Если говорить проще, то сила инерции продолжает удерживать спутник на прямой траектории, и для того чтобы отклониться от нее на определенное расстояние, его двигателям потребуется больше времени на выполнение работы.
Орбиту можно полностью описать с помощью определенного набора характеристик кеплеровыми элементами (поскольку именно Иоганн Кеплер впервые сформулировал их):
- наклонение (i) — угол между орбитальной плоскостью и плоскостью отсчета, которая может быть экваториальной для планет);
- долгота восходящего узла (Ω) — угол, образованный между линией, направленной на точку весеннего равноденствия, и линией, направленной на восходящий узел (точка на референсной плоскости, через которую движущееся по орбите тело проходит, двигаясь в северном направлении);
- эксцентриситет (e) — устанавливает форму траектории (круговую, эллиптическую или незамкнутую);
- большая полуось (a) — большая полуось орбиты — это величина, равная половине суммы расстояний от центра притяжения до самой удаленной (апоцентр) и самой близкой (перицентр) точек на орбите. Она характеризует средний размер орбиты, определяя ее среднюю высоту);
- аргумент перицентра (ω) — угол между восходящим узлом и перицентром (определяет ориентацию орбиты в ее плоскости);
- средняя аномалия (ν, θ или f для определенной эпохи t0) — отображают текущее положение объекта, перемещающегося по орбите (например, спутника).
Двигаться по такой траектории — задача не из легких. Допустим, для нас не имеет значения, каким образом объект достиг своей орбитальной скорости (это зависит от высоты, для 400 километров она составляет 7,672 километра в секунду). Мы рассмотрим идеальный сценарий с круговой орбитой. Для ее удержания не нужны никакие действия, если отсутствуют внешние воздействия.
Изменения в направлении движения, как ускорение, так и замедление (ретроградное движение), влияют на высоту орбиты, а также на ее форму и размер (большой полуоси и эксцентриситета). При этом точка орбиты, находящаяся на противоположной стороне от места, где работают двигатели, испытывает максимальный подъем или опускание. Высота остальной части траектории, за исключением точки начала маневра, также увеличивается, но в меньшей степени. Другими словами, ускорение над Африкой приведет к подъему спутника над Тихим Океаном (и его скорость в этом месте будет меньше). Затем спутник вернется (скорость будет возрастать) и пройдет над Евразией на той же высоте, с которой начал маневр (и с той же скоростью, которая была до начала ускорения). Орбита приобрела эллиптическую форму, и для возвращения ее к круговой потребуется дополнительный сеанс работы двигателей в апогее. Включение двигателей под углом к плоскости орбиты приведет к изменению наклонения или долготы восходящего узла (или к изменению обоих). Такие маневры являются наиболее затратными по энергии среди тех, что связаны с изменением параметров орбиты.
Дельта скорости — ключевой параметр, определяющий возможность проведения орбитальных маневров характеристическая скорость (обозначается Δv или ΔV, дельта-вэ (читается «дельта-вэ») представляет собой величину, не зависящую от массы космического аппарата в числовом выражении. Она определяется соотношением массы рабочего тела, израсходованного в процессе маневра, к общей массе аппарата. Таким образом, максимальная достижимая «дельта» будет одинаковой как для спутника массой в тысячу килограммов, так и для спутника массой в сто килограммов, если четверть их массы состоит из топлива с одинаковыми характеристиками (без учета эффективности двигателей).
Столкновения на гиперскорости
Это – еще один вид физических процессов, который развивается не так, как можно предположить. Если говорить о столкновениях на скоростях, достигающих десятков километров в час (например, автомобильные аварии), то можно представить себе деформацию металла и разлетающиеся фрагменты. Пуля, сталкивающаяся с препятствием на скорости в несколько сотен метров в секунду, деформируется и либо отражается, либо продолжает движение. Однако, когда скорость столкновения превышает скорость распространения упругих волн в материалах, входящих в контакт (то есть скорость звука), ситуация коренным образом трансформируется. И хотя в этом абзаце часто употребляется слово «скорость», именно она является главным фактором.
Такие порядки величин называют уже «гиперскоростью», и пороговыми считаются 3 километра в секунду. При таких скоростях хотя бы одно из сталкивающихся тел теряет свои твердые свойства, и его поведение начинает соответствовать физике жидкостей. Как правило, в месте столкновения испаряется значительная доля вещества, а оставшаяся масса переходит в жидкую фазу (это справедливо для тел с существенной разницей в размерах и массе). Детали подобных процессов до сих пор недостаточно изучены, несмотря на то, что исследования в этой области ведутся уже более полувека. Для объяснения даже базовых аспектов потребуется целая книга (например, вот такая), однако для достижения наших целей сейчас достаточно одной перспективной идеи — щита Уиппла.
Это выдающееся изобретение теоретически обеспечивает защиту космических аппаратов с 1940-х годов, а на практике — с момента начала их полетов. Его принцип работы достаточно прост: на некотором удалении от основной обшивки космического аппарата располагается дополнительный, более тонкий слой. По сути, это напоминает противокумулятивные экраны, используемые на бронетехнике, и решаемая задача аналогична. Объекты, движущиеся на гиперскорости, сталкиваются с тонкой обшивкой, при этом она частично испаряется и разрушается, а с основным корпусом аппарата уже взаимодействует облако плазмы, капель и частиц. Таким образом, энергия рассеивается по большей площади. Существует огромное разнообразие конструкций подобных щитов (только на МКС используется около сотни разновидностей) под различные задачи. Наиболее важные узлы станции, например, надежно защищены от попадания объектов размером до сантиметра в поперечнике.
Даже в самом простом случае функцию защитного щита выполняет теплозащитная фольга, которой обычно оборачивают спутники. При этом наиболее заметной особенностью такой защиты является то, что ее эффективность возрастает с увеличением скорости столкновения. Безусловно, ситуация не всегда однозначна, и результат столкновения определяется рядом факторов, среди которых ключевыми являются плотность материалов и площадь соприкосновения. Однако скорость играет определяющую роль. Исследования, направленные на оценку эффективности щита Уиппла, проводятся непрерывно, и, например, NASA регулярно публикует их результаты (бюллетень Orbital Debris Quarterly News за четвертый квартал 2021 года).
Расстояния
Зачастую при обсуждении околоземного пространства упускают из виду его размеры. Космические расстояния огромны, даже в непосредственной близости от Земли. Допустим, нам необходимо вывести по одному аппарату на круговые орбиты высотой 300 километров и наклонением 45 градусов с шагом 10 километров по восходящему узлу (примерно две угловые минуты долготы для этой высоты). В результате получится 4189 спутников — это превышает текущее количество аппаратов на всех высотах от 200 до 2000 километров. Действительно, их траектории будут пересекаться на широте 45 градусов, однако для каждого можно определить орбитальные параметры, чтобы они располагались на безопасном расстоянии друг от друга. С увеличением высоты на каждые 10 километров, при неизменных прочих условиях, это число будет увеличиваться на шесть единиц.
Наиболее наглядно расстояние в околоземном пространстве демонстрирует следующая иллюстрация. На ней в масштабе, соотнесенном с размерами Земли, отображены основные классы орбит, различающиеся по высоте.
Объем пространства на низких околоземных орбитах, высотой от 200 до 2000 километров, превышает триллион кубических километров и четверть. Размеры спутников, находящихся в этой области, обычно не превышают десятка метров в поперечнике. Более крупные аппараты, за исключением МКС и космических телескопов, размещаются на более высоких, низких околоземных орбитах. Однако их размеры все равно кажутся незначительными в сравнении с размерами окружающего пространства.
В неидеальном мире
Вышеуказанное справедливо лишь при определенных, идеализированных условиях, однако реальность куда сложнее. Атмосфера Земли, несмотря на ее разреженность, охватывает расстояние более 10 тысяч километров, а гравитационное поле планеты характеризуется неоднородностью. Плотность частиц (преимущественно атомов кислорода, но также присутствуют водород и другие газы) в околоземном пространстве постоянно меняется в зависимости от уровня солнечной активности. Это вызывает неравномерное торможение спутников, которое также зависит от площади поперечного сечения аппарата. Более высокий гравитационный потенциал в области экватора (из-за большей ширины планеты в этой области) приводит к таким явлениям, как прецессия орбиты и осцилляция ее кеплеровых элементов. Полный список возмущений, которым подвергается объект в околоземном пространстве, еще больше — в их число входят такие факторы, как давление солнечного света и замедление, вызванное магнитным полем.
Замедление при орбитальном движении влечет за собой снижение высоты и возрастание скорости, а также изменение эксцентриситета орбиты. Прецессия вызывает смещение долготы восходящего узла в западном направлении, и скорость этого процесса определяется высотой, наклонением и эксцентриситетом орбиты. Другими словами, орбитальные параметры актуальны для определенного периода времени (эпохи) и изменяются с каждым оборотом. Без постоянного наблюдения за конкретным спутником или космическим мусором его положение становится неопределенным и представляется как совокупность вероятностей.
По этой причине вокруг каждого искусственного объекта на околоземной орбите устанавливается зона безопасности. Для спутников на низкой околоземной орбите это, как правило, около километра во всех направлениях, для геостационарных аппаратов – 50 километров. Если траектория космического мусора или другого космического аппарата пересекает такую «сферу неопределенности», то сближение признается опасным. В таком случае оператор спутника должен, в соответствии с установленными правилами, выполнить маневр уклонения. Обычно это предполагает повышение высоты орбиты на несколько сотен метров.
В 2018 году эксперты, занимающиеся мониторингом объектов на околоземной орбите называли следующие примерные показатели точности отслеживания: 1,5-3 километра для НОО, 5-10 километров для геосинхронных орбит. И это американские службы и компании, которые используют для своей аналитики данные радаров и станций телеметрии по всему миру. За десять лет до этого точность была гораздо ниже, поэтому операторы спутниковой группировки «Иридиум» и проигнорировали все предупреждения, считая их лишней перестраховкой. Об этой ошибке теперь существует 2370 напоминаний (см.выше).
Со времени этого события произошли значительные изменения, и каждый год вводятся в эксплуатацию новые центры наблюдения. При этом, в связи с растущей тенденцией к коммерциализации космоса, подобные услуги пользуются высоким спросом, и не все из них являются государственными. В результате отдельные компании разрабатывают собственные радары и мультиспектральные трекеры, как для внутреннего использования, так и с целью продажи данных.
И как же их сбивать?
В заключение, рассмотрим сценарий выведения из строя космического аппарата потенциального противника. Эта задача состоит из двух этапов, каждый из которых является сложной инженерной и научной задачей:
- идентификация цели и уточнение ее орбитальных параметров;
- выполнение перехвата.
Если открытые каталоги околоземных объектов доступны, и мы можем найти в них нужный спутник (или у нас есть собственная база данных), вопрос выбора цели оставим военным – это их задача. Нас интересует исключительно техническая сторона вопроса. Тем не менее, необходимо убедиться, что обнаруженный объект в небе соответствует требуемому. Для этого потребуется использовать средства радиотехнической разведки (перехват передаваемых данных, сопоставление сигнатур излучения), а также, желательно, оптические методы (например, телескоп).
Вместе с определением цели уточняются и ее орбитальные характеристики. Например, посредством измерения эффекта Доплера для испускаемого аппаратом сигнала определяется его скорость. Сложнее всего — снизить погрешность измерения орбитальных параметров цели хотя бы до сотен метров. Проблема в том, что даже самый чувствительный радар на поверхности Земли получит мало отраженных от спутника фотонов. И по этому слабому сигналу за несколько минут (время прохождения орбитальной дуги над местом наблюдений) станция отслеживания должна выдать целеуказание.
Факторы, определяющие разрешающую способность радиолокационных систем, заслуживают отдельного, подробного рассмотрения. Однако в данной ситуации ключевым является тот факт, что чем дольше ведется наблюдение за целью, тем выше его качество. В идеале требуется не менее двух проходов, но лишь немногие спутники на низкой околоземной орбите совершают пролет над одним и тем же участком местности ежедневно. Таким образом, возникает необходимость в наличии нескольких наблюдательных станций, расположенных в различных полушариях. Без специальных кораблей измерительного комплекса тут не обойтись, но по состоянию на 2022 год в достаточном количестве они есть только у Китая и США. Россия после распада СССР все подобные суда отправила в музей или на металлолом, кроме «Маршала Крылова». И лишь у Соединенных Штатов вместе с партнерами (ЕС, Канада, Австралия) есть развитая сеть наземных радарных комплексов и телескопов для таких целей.
Цель определена, выявлена и локализована. Какие средства использовать для её нейтрализации? Если исключить лазерное оружие, то доступные варианты ограничены. Средства поражения могут быть размещены на наземных объектах или базироваться в космосе. Однако, в случае космических средств, возникает проблема: для перехвата необходимо заранее вывести аппарат на орбиту, параметры которой близки к параметрам орбиты цели. Это не позволит осуществить незаметный запуск, а возможности для маневрирования у подобного аппарата крайне ограничены. Причины этого объясняются в разделе про орбитальную механику, расположенном выше. Хотя перехватчик может варьировать высоту и форму орбиты в определенных пределах, для изменения наклонения более чем на несколько градусов потребуется значительное количество топлива. Не стоит забывать и о долготе восходящего узла.
Несмотря на это, разработки подобных устройств велись, и некоторые из них были успешно реализованы. В качестве иллюстрации можно привести советский « Истребитель спутников» (ИС). Его точные параметры никогда не раскрывались в открытых источниках, известно лишь, что он мог изменять не только высоту и эксцентриситет, но и угол наклона. Однако, диапазон этих изменений не был указан. Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз» указывает запас «дельты» для ИС 1200 метров в секунду. Этого достаточно для изменения наклонения на 8 градусов для круговой орбиты высотой 400 километров (или подъема ее на высоту более чем 3 тысячи километров), но достоверность этих сведений под вопросом.
Противоспутниковые ракеты, являющиеся средствами поражения, базируются на Земле. Они запускаются по суборбитальной траектории для встречи с целью на наименьшем расстоянии. Следовательно, пусковые установки (или аэродромы, если ракеты выводятся в полет с самолетов) должны располагаться в непосредственной близости от трассы (проекции орбиты спутника на земную поверхность). В противном случае перехват будет невозможен. Однако присутствует фактор внезапности – от момента старта ракеты до попадания проходит всего несколько минут. Но такой «выстрел» потребует значительных затрат: для подъема боеголовки на тысячу километров вверх необходима высокая энергетика, а сама головная часть должна обладать маневренными способностями. Избежать погрешности «прицеливания» в километры все равно не удастся. Для максимизации вероятности поражения головка самонаведения должна быть мультиспектральной, например, оснащена инфракрасным датчиком и радаром).
Средства поражения и космический мусор
Эти вопросы взаимосвязаны. Выбор метода воздействия на вражеский космический аппарат в первую очередь обусловлен способностью противоспутниковой системы определять орбитальные характеристики цели. В наиболее критических ситуациях потребуется термоядерный заряд, воздействующий инфракрасным, рентгеновским и нейтронным излучением (в отсутствие атмосферы невозможно сформировать ударную волну). Тем не менее, даже для мощности, эквивалентной мегатонне тротила, желательно находиться на расстоянии не более пары километров от цели. Если боеголовка может детонировать на расстоянии нескольких десятков метров от объекта, тогда можно использовать осколочную боевую часть. Способность формировать пучок осколков расширяет диапазон допустимых отклонений, но важно обеспечить высокую плотность поражающих элементов.
Необходимо рассмотреть этот аспект более детально. Космический мусор, по сути, является шрапнелью. Фрагменты, превышающие 10 сантиметров в диаметре, уже можно отслеживать с достаточной точностью, что позволяет избегать столкновений. Это возможно, если оператор спутника использует услуги европейских и американских служб контроля за околоземным пространством и реагирует на их предупреждения о потенциально опасном сближении. Мусор размером от сантиметра до десяти сантиметров уже создает определенные трудности, а объекты еще меньшего размера попросту невозможно обнаружить. Поэтому большинство космических аппаратов, рассчитанных на длительный срок службы, спроектированы таким образом, чтобы выдерживать столкновения с подобными объектами. Критически важные системы защищены, распределены по конструкции и имеют дублирование, как в физическом, так и в программном обеспечении.
Повреждение спутника может быть вызвано как объектами диаметром более сантиметра, так и более мелкими, если они столкнутся со скоростью ниже трех километров в секунду (при условии попадания в критически важные компоненты). Это создает значительные трудности для разработчиков противоспутникового оружия. Для поражения цели потребуется либо массивный импактор, что сопряжено с необходимостью обеспечения исключительной точности наведения, либо использование осколочного поражения. Возможен вариант оснащения боеголовки поражающими элементами от 1 до 10 сантиметров в размере, однако это приведет к увеличению массы боеголовки.
Немедленно очевидно, насколько абсурдна идея вывести на орбиту ведро с гайками, гвоздями или песком. Безусловно, выступающие части спутника, такие как солнечные панели, антенны и датчики, могут быть повреждены. Однако это произойдет только в случае столкновения с аппаратом сразу после выброса содержимого из гипотетического ведра. Вскоре после выведения гайки или гвозди (песок даже не рассматривается из-за его полной нецелесообразности) начнут рассеиваться и хаотично распределяться. Плотность образовавшегося облака будет недостаточной, чтобы существенно повредить один спутник, не говоря уже о полноценном синдроме Кесслера на отдельно взятой высоте орбиты.
Не следует забывать о затратах, связанных с выведением требуемого количества поражающих элементов на заданные орбитальные плоскости. Всегда можно рассмотреть возможность изменения материала для компонентов боевой части, например, для «гаек и гвоздей». Это утверждение применимо и к осколочной боевой части противоспутниковой ракеты. Использование углеродных композитов или вольфрама для изготовления этих элементов, другими словами, повышение температуры их испарения, позволит повысить опасность для космической техники, однако это приведет к резкому увеличению стоимости. В любом случае вероятность столкновения спутников с подобными поражающими элементами останется невысокой. Кроме того, ожидания относительно каскадного эффекта, заключающегося в увеличении количества осколков, представляются несколько преувеличенными — формирование большого числа новых объектов при столкновениях на гиперскоростях маловероятно, так как для этого требуется сопоставимость массы или сложная форма объектов)
Чтобы создать реальную угрозу всем аппаратам на низкой околоземной орбите, необходимо сформировать рукотворное кольцо из достаточно крупных поражающих элементов, расположенных в экваториальной плоскости, которую пересекают все спутники. Мы предлагаем читателям самостоятельно оценить, какое количество таких элементов потребуется для создания диска шириной 1800 километров при плотности не менее одной «гайки» на квадратный метр, поскольку наш калькулятор не способен отображать числа, превышающие 12 разрядов.
Зачем тогда это нужно
Кинетическое противоспутниковое оружие представляется чрезмерно сложным и затратным для уничтожения спутников. Эффективное поражение возможно лишь при выполнении определенных условий и внезапном нападении. Ничто не препятствует аппарату, потенциально находящемуся в зоне поражения, в военное время начать произвольно изменять свою траекторию на расстояние до нескольких километров. Действительно, это приведет к значительному сокращению срока его эксплуатации, но может быть приемлемым компромиссом. В настоящее время спутники становятся дешевле (и меньше), а возможности их вывода в космос – оперативнее. Однако любая противоспутниковая ракета, по сути, проходит испытания не на спутниках. Она является важной составляющей системы защиты от межконтинентальных баллистических ракет, и в этой роли кинетическим перехватчикам пока нет достойной альтернативы.
Напоследок — про синдром Кесслера и мусор
Синдром Кесслера описывает потенциальный сценарий, при котором накопление космического мусора в околоземном пространстве вызывает цепную реакцию столкновений, делая невозможным использование близких к Земле орбит. Полгода назад опасения по поводу такого развития событий были оправданы, поскольку средства отслеживания объектов на орбите обладали ограниченными возможностями. Однако сейчас спутники способны к маневрированию, а при их создании учитываются методы выведения с орбиты или захоронения, что значительно уменьшает количество мусора в космосе. Также мониторинг и своевременное предупреждение позволяют избегать столкновений, при условии, что оператор взаимодействует в рамках международного сотрудничества. Судя по всему, Yunhai-1 (02) стал жертвой политики. Этот аппарат, предположительно, двойного назначения, и китайской стороне отказали в использовании американо-европейских каталогов. Или в Поднебесной сами решили к ним не подключаться.
Только одна частная космическая компания SpaceX вывела за последние несколько лет больше спутников, чем большинство стран за предыдущие десятилетия. И все эти аппараты, за некоторыми исключениями, работают. А те, что нет, плавно и контролируемо спускаются в атмосферу. При правильном менеджменте такого «созвездия» вероятность серьезных инцидентов на орбите исчезающе мала. А те, что случаются, редко остаются замеченными кем-то, кроме оператора спутника. Потому что повреждения почти никогда не становятся критическими. Максимум — несколько ячеек солнечной батареи выбьет или оставит зрелищный след на обшивке.
Даже внимательный читатель сразу обратит внимание на то, что общий успокаивающий тон нашей статьи сильно отличается от широко распространенных опасений, связанных с космическим мусором информационную кампанию Европейского космического агентства (ЕКА) или реакцию международного сообщества на российские испытания противоспутникового оружия. С одной стороны, это объясняется сложностью понимания всех связанных с этой темой тонкостей (надеемся, данный текст помог их прояснить). С другой — в разных ситуациях применимы совершенно разные подходы к оценкам рисков. Да, космический мусор это проблема, пусть и немного преувеличенная. Но лучше реагировать на нее так, чем игнорировать вовсе.
В отношении МКС и столкновения с «Космосом-1408» в прошлом году, вызванный алармизм был вполне оправдан: наименьшее расстояние между прогнозируемыми траекториями обломков и зоной безопасности станции составило всего 40 километров по высоте. Это крайне незначительное расстояние – всего десятки метров в секунду «дельты» (броски в бейсболе мощнее). Не могли ли в первые дни после испытаний с уверенностью заявить, что ни один из обломков не вызвал достаточного замедления? Нельзя, поскольку физически подтвердить это без длительных наблюдений не представляется возможным. Для МКС опасным считается любое столкновение, вне зависимости от размера объекта.