Космический мусор — тема, которая очень часто обсуждается в СМИ. Это также стало главной проблемой для героев фильма «Гравитация». Благодаря этому фильму широкая аудитория узнала, что космический мусор представляет собой значительную угрозу для программы космических полетов Земли и для действующих спутников, находящихся на орбите вокруг Земли. Неудивительно, ведь на орбитальных скоростях даже маленькие частицы… способны привести к катастрофе. Однажды космический мусор может привести к невероятным разрушениям на орбите. Достаточно, чтобы их количество достигло критического уровня, что вызывает цепную реакцию последовательных столкновений все большего количества обломков с другими (синдром Кесслера). Однако многие люди не знают о том, что космический мусор постоянно снижает свою орбиту и попадает в атмосферу Земли, где происходит его дальнейшее дробление и частичное сгорание. Осколки, выжившие после входа в атмосферу, могут поразить любую точку Земли. Если не принять решительных мер, риск столкновения человека, автомобиля, судна или самолета с падающими обломками будет постепенно возрастать.

Растущая угроза космического мусора

Космический мусор на низкой околоземной орбите (НОО) на высотах от 160 до 2000 км обычно воспринимается как проблема, связанная только с орбитой. Однако в последние годы осознание опасности, связанной с угрозой неконтролируемого проникновения в атмосферу, начало расти. Вхождение космического мусора в атмосферу приводит к распаду объекта. Некоторые фрагменты полностью разрушаются при входе в атмосферу, но другие могут пережить полет и упасть на поверхность Земли.

Риск для людей от фрагментов космического мусора, выживших после полета через атмосферу, невелик, но не пренебрежим. Эксперты могут заверить, что риск минимален, и до сих пор никто не пострадал и не погиб от столкновения с космическим мусором. Ведь на сегодняшний день единственный контакт человека с падающим космическим мусором произошел в 1997 году в Талсе, штат Оклахома, США. Жительница Талсы, выгуливавшая свою собаку, была поражена в руку относительно медленно падающим металлическим предметом. Это оказался фрагмент второй ступени ракеты Delta II, которая только что вошла в атмосферу после восьми месяцев пребывания на орбите. Однако эксперты чаще всего не сообщают, что в это же время 250-килограммовый стальной топливный бак от той же ракеты упал в саду фермера в Джорджтауне, штат Техас.

Новости о «приземлении» подобного космического мусора регулярно появляются в прессе — особенно если речь идет об относительно крупных фрагментах. Это редкий случай? Ни в коем случае! В настоящее время в атмосферу Земли попадает около 100 крупных фрагментов космического мусора в год. Иногда эти обломки размером с легковой автомобиль, а иногда — с большой грузовик.

В течение многих лет только очень крупные космические объекты, такие как «Скайлэб» или станция «Мир», или спутники, содержащие радиоактивные или ядовитые материалы, считались значительной угрозой. Многие спутники и разгонные блоки ракет входят в атмосферу Земли, но лишь некоторые из них были зарегистрированы и восстановлены. Это связано с низкой вероятностью воздействия на обитаемые районы на поверхности Земли. Однако когда был отдан приказ о поиске обломков космического шаттла «Колумбия», оказалось, что найдено гораздо больше, чем ожидалось. Предполагается, что до 10-40% сухой массы, образовавшейся до входа в атмосферу, способно выжить и достичь Земли. Согласно некоторым исследованиям, проведенным в США, риск столкновения самолета со случайным космическим мусором составляет от 3 000 до 10 000. Это довольно большой риск, если рассматривать долгосрочную перспективу. Небольшие фрагменты космического мусора не представляют опасности для людей на Земле из-за низкой кинетической энергии при ударе, но они могут представлять смертельную опасность для самолетов. По оценкам ВВС США, фрагмент весом 300 г может привести к катастрофе при столкновении с пассажирским самолетом.

В ближайшие годы количество спутников, находящихся на низкой околоземной орбите, будет расти экспоненциально. По состоянию на январь 2015 года на НОО находилось 669 спутников, но в МСЭ (Международный союз электросвязи) в Женеве уже поданы заявки на запуск еще 11 000 спутников в ближайшие годы, включая мегаконсоли из 4 000 спутников, таких как спутники американской компании SpaceX и норвежской STEAM-1. Такие мегаконсоли являются частью так называемого космического интернета, цель которого — обеспечить интернетом 3 миллиарда пользователей в развивающихся странах. Такие интернет-спутники будут меньше, в среднем весом 150 кг, и будут иметь меньший срок службы, а значит, требовать частой замены.

Существует два основных способа вывода зондов и разгонных блоков ракет с орбиты НОО: естественное вырождение орбиты, приводящее к неконтролируемому сходу в атмосферу, и контролируемый сход в атмосферу в результате преднамеренного выталкивания объекта с орбиты. Самый дешевый метод сведения спутника с орбиты, не требующий дополнительного топлива или специальных систем, заключается в снижении высоты перигея, чтобы атмосферное сопротивление заставило орбиту быстрее деградировать. Поскольку неконтролируемые входы в атмосферу происходят под очень малыми углами, прогнозы подвержены огромной неопределенности относительно фактической плотности атмосферы в момент входа. Дополнительные неопределенности связаны с положением и динамикой входящего оборудования. Результатом этих неопределенностей является то, что невозможно точно предсказать момент и место входа в атмосферу. В лучшем случае ошибка составляет 10 процентов, и это означает, что за час до входа в атмосферу точка входа может быть определена с точностью….. ±2740 км.

Контролируемый вход в атмосферу обязателен для объектов, масса которых настолько велика, что количество обломков, которые могут выжить после полета через атмосферу, представляет собой риск, превышающий допустимый. Такой тип снятия объектов с орбиты позволяет точно определить точку входа в атмосферу, например, над огромным океаном. Таким образом, риск для человека может быть значительно минимизирован. Для осуществления управляемого возвращения в конце миссии необходима правильно функционирующая двигательная установка, способная изменять скорость объекта (дельта V), достаточный запас топлива и функционирующие бортовые системы.

В настоящее время не существует международных норм, регулирующих риски попадания космического мусора в атмосферу Земли. На данный момент стандарты ISO оставляют на усмотрение национальных властей решение о приемлемом уровне риска. Одна страна, Франция, законодательно запретила неконтролируемый вход в атмосферу спутников и верхних ступеней ракет. Законодательство вступит в силу с января 2020 года.

Учитывая, что онлайн-спутники предстоящих мегаконсолей представляют собой легкие конструкции — они легко удовлетворяют порогу риска, установленному в США на уровне 1 к 10 000. Однако, если посчитать разгонные ступени ракет, оставшиеся на орбите во время отправки этих мегаконсолей, вход в атмосферу неработающих спутников и компонентов ракет, то они вполне могут повторяться много раз в день. Таким образом, они будут представлять все большую опасность для населения на суше, на море или в самолетах. Если только неконтролируемое проникновение в атмосферу не будет своевременно полностью запрещено на международном уровне.

Источник: Журнал «Космическая безопасность