Нет сомнений, что при конструировании КА и разработке программы миссии игнорирование угрозы со стороны КМ по меньшей мере безответственно. В современном проектировании КА необходимо получить количественную оценку этой угрозы. Для этого конструктор должен проанализировать конкретную среду на пути будущего КА и четко представить себе уязвимость КА в этой среде.

Уже создано много аналитических, экспериментальных методов и инструментов для решения этой задачи. Но, пользуясь ими, мы не должны забывать о связанных с ними допущениях, ограничениях и неопределенностях.

Проектирование КА и его миссии состоит из целого ряда этапов. Каждый из которых в определенной, иногда весьма значительной степени, связан ограничениями, следующими из решений, принятых на предыдущих этапах. Чтобы избавиться от некоторых ограничений, если в этом возникает необходимость, приходится возвращаться к более ранним этапам и выполнять перепроектирование, что увеличивает стоимость проекта. Чем раньше КМ вводится как фактор в процессе проектирования, тем дешевле обойдется проект и более органично будет учтена реальность космического мусора в окончательной версии проекта.

Для каждого КА решение индивидуально, отлично от решений, принятых для других, так как количественная мера угрозы со стороны КМ, допустимого риска, конструкции и стоимости защиты напрямую зависит от массы, размеров, конфигурации аппарата, его рабочей орбиты, решаемых им задач.

Проектирование КА военного назначения должно подчиняться требованиям, подчас радикально отличным от принятых при создании наземного вооружения. Например, при проектировании космического кинетического оружия поражения необходимо учитывать, что наземных условиях выстрел снарядом (или пулей) имеет результатом попадание или промах. Сразу после этого снаряд или пуля, как правило, перестают существовать как таковые, т. е. уже не представляют опасности. В космосе при промахе кинетический снаряд продолжает полет с огромной космической скоростью и, следовательно, продолжает сохранять опасность, в том числе и для стороны, осуществившей выстрел.

Общий поток км, который встретит на своем пути проектируемый КА, зависит от высоты и наклонения орбиты, его размеров и формы, ориентации по отношению к вектору скорости потока КМ, продолжительности миссии, текущего уровня солнечной активности. К настоящему времени создано множество моделей засоренности ОКП (и ее прогнозирования), которые могут быть использованы для оценки потока и они постоянно совершенствуются [Kessler et al., 1989, 1994; Krisko, 2009, 2010, 2011a; Sdunnus, Klinkrad, 1993; Xu et al., 2011].

Проект космической станции «Freedom» был разработан в 1980-х гг., как ответ на запуск советской станции МИР, но так и не был завершен ввиду своей дороговизны и распада СССР – как главной первопричины необходимости создания «Freedom’а».

В 1998 году модернизированный модуль «Freedom» был включен в состав МКС, и составил американский сегмент станции.

Как только поток КМ определен и построено распределение углов атаки его элементов, можно оценить ожидаемое количество ударов по каждой компоненте КА за заданный период времени. В расчете учитывается и взаимное расположение компонент, экранирование каждой другими. Для этого существуют методики, которые использовались еще для анализа проектов ОС «Фридом», МКК «Шаттл», КА LDEF, ОК «Мир», МКС [Christiansen, 1993; Orbital…, 1995].

Количество ударов и их характеристики — это лишь исходная информация для определения ожидаемых последствий и влияния на выполнение КА своей миссии, т. е. оценка вероятности отказов и сбоев компонент и аппарата в целом. При этом нужно рассматривать следующие виды последствий ударов:

• выход из строя критических компонент (часто приводящие к отказу всего КА);
  
• повреждения после ударов высокоскоростных фрагментов; воздействие импульсных нагрузок от удара; влияние плазмы;
  
• изменение влияния данного повреждения во времени;
  
• поверхностная деградация от ударов.
  

Уязвимость КА в потоке км может быть определена как комбинация вероятностей отказов его различных компонент вследствие ударов КМ с учетом важности (критичности) каждой компоненты и их дублирования (избыточности).

Оценка уязвимости КА считается основанием для определения степени и вида защиты КА. В настоящее время применяются три вида защиты — пассивная, активная и операционная («стандарт» IADC). Пассивная защита — это не что иное как бронирование КА или его компонент. Активная — предполагает использование средств наблюдения для обеспечения заблаговременного предупреждения о грозящем столкновении и последующее применение мер защиты критических компонент КА или совершение маневра уклонения от потенциального столкновения. Операционная защита предусматривает изменение дизайна КА с допущением возможности умеренной деградации КА или изменения его функций с целью снижения общего риска для миссии. Задача конструктора КА — найти компромисс между стоимостью реализации каждого метода и выигрышем.

Бронирование, с одной стороны, защищает КА от ударов мелкого и, в меньшей степени, среднеразмерного КМ, с другой, удорожает конструкцию и выведение аппарата в космос, уменьшает массу полезного груза. Разумеется, масса брони пропорциональна размеру и массе частиц, от которых она защищает. ‘К счастью’, с большей вероятностью КА подвергается ударам мелкого КМ, чем среднеразмерного и тем более крупного. Поэтому защищать броней от удара крупного КО не имеет смысла из-за малой вероятности столкновения и неспособности уберечь КА от разрушения, если столкновение все же произойдет.

Сам выбор конкретного защитного покрытия — это по сути компромисс между: допустимым уровнем риска повреждения КА или его критических компонент; добавленной массой щита и допустимым снижением массы полезного груза. Не следует также забывать, что добавление брони увеличивает не только массу аппарата, но и площадь его поперечного сечения. Это два больших минуса как с точки зрения повышения засоренности космоса в перспективе, так и увеличения вероятности столкновения с КМ.

Некоторую роль защиты КА выполняет его скелетная конструкция, которая должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать пусковые нагрузки.

В космической индустрии используются два типа щитов — монолитный и многослойный с промежутками. Достоинство первого — простота и малый объем. Многослойный — обеспечивает лучшую защиту от высокоскоростного КМ, чем монолитный, при той же массе. Монолитный щит естественно использовать для защиты от мелкого КМ при средних и низких скоростях удара, когда энергия атакующей частицы слишком низка, чтобы сама частица разрушилась. В этом случае щит эффективен потому, что его масса достаточно велика, чтобы абсорбировать и рассеять энергию удара.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Осмотр и первичный анализ повреждений от ударов КМ возможен непосредственно в космосе силами космонавтов. Так было на МКС, телескопе «Хаббл» и еще раньше на советских орбитальных станциях. Известно много случаев возвращения на Землю экспонированных в космосе поверхностей и самого тщательного их анализа в лабораторных условиях [LDEF., 1993]. Очень много полезной информации о воздействии КМ на космические аппараты дают наземные лабораторные испытания с применением сверхскоростных ударов. В качестве вспомогательного средства используется компьютерное (аналитическое и цифровое) моделирование.

Обшивка МКС, обстрелянная космическим мусором

В наземных лабораториях исследуются:

• непосредственные результаты ударов КМ или его имитаций;
  
• воздействие ударов КМ на функциональные характеристики КА и его компоненты, их надежность, живучесть;
  
• эффективность методов противодействия повреждениям от ударов КМ (защитные покрытия, их материалы, конструкция, компоновка); воспроизведение разрушений КО (КА, РН, крупного КМ) в результате взрывов и столкновений, образование осколков.
  

При этом главный метод моделирования — экспериментальный сверхскоростной удар, а его цель — выяснение, как КА или его компоненты смогут перенести столкновение в космосе с КМ, а также уточнение влияния этих факторов на процесс засорения ОКП. Поскольку практически нереально и экономически накладно построить целый КА для последующего разрушения в лаборатории, испытания в основном проводятся на отдельных его компонентах и их сборках (топливные баки, связки проводов, изоляционные материалы, структурные блоки). Подробнее см. [Christiansen, 1990; Christiansen, Ortega, 1990; Orbital…, 1995; Schneider, Stilp, 1993; Whitney, 1993].

Модель микроспутника с солнечными батареями, основная миссия которого – изучение поведения космического мусора

В рамках сотрудничества японского университета Кюсю и подразделения НАСА по проблемам техногенного засорения космоса недавно было проведено семь ударных тестов, где целями служили уже натурные КА — микроспутники размерами от 15x15x15 до 20x20x20 см. Масса этих аппаратов составляла примерно 1,5 кг. Каждая цель была полностью оборудована функциональной электроникой (батареи, приемники, передатчики). В двух последних тестах на спутниках монтировались солнечные панели и многослойное защитное покрытие корпуса. Все цели были обстреляны снарядами различных размеров и при разных скоростях ударов. Образовавшиеся фрагменты размером до 2 мм были собраны, изучены и каталогизированы. Результаты тестов использованы для улучшения модели разрушений НАСА [Hanada, Liou, 2009; Murakami et al., 2009].

Многие аналитические теории предсказания повреждений от ударов км основаны, с целью упрощения вывода математических зависимостей, на предположении сферичности формы КМ. Однако реальный КМ характеризуется большим разнообразием форм. Удар несферического тела может причинить значительно большее повреждение во многих ситуациях. Например, глубина проникновения и объем кратера от удара в толстую плоскую мишень сильно зависят от длины снаряда вдоль его оси полета в момент удара [Gehring, 1970]. Плоские снаряды в виде пластинок приводят к большим повреждениям, чем сферические той же массы и при такой же скорости [Boslough et al., 1993].

Экономически нереально испытывать все компоненты при всех возможных условиях ударов КМ. Поэтому критические элементы подвергают испытаниям в номинальных условиях, а затем обращаются к компьютерному моделированию с целью распространения полученных результатов на космический аппарат в целом.

Компьютерное моделирование служит связывающим звеном между результатами обследования поверхностей, реально подвергшихся воздействию КМ в космосе, и предположениями ученых, проверяя и калибруя последние. Модели также позволяют экстраполировать данные, полученные в лаборатории в ограниченном диапазоне, на широкий спектр условий, которые невозможно воспроизвести в лаборатории.

При проверке надежности броневых покрытий также прибегают к сочетанию натурных экспериментов и компьютерного моделирования. Сочетание сверхскоростных тестов и компьютерного моделирования представляется довольно мощным инструментом оценки выживаемости КА и КС при ударах км.

Ударные испытания применяются и для исследования механизма образования осколков разрушения при сверхскоростном столкновении в космосе. Знать это очень важно для прогнозирования эволюции популяции КМ. Однако такие эксперименты очень дороги и их проведено немного. Конечно, полученные результаты можно экстраполировать с помощью компьютерных моделей, но со значительной степенью неопределенности ввиду ограниченности имеющихся данных.

Существует множество экспериментальных средств для моделирования и изучения ударов КМ, с помощью которых можно воспроизвести испытания с довольно крупными снарядами, разгоняемыми до больших скоростей. Однако есть определенные границы возможностей в этом направлении. Все разнообразие форм, размеров и состава КМ пока не может быть испытано во всех диапазонах скоростей. Имеются трудности с разгоном крупных снарядов до типичных скоростей столкновений в низкоорбитальной области ОКП. Эти ограничения затрудняют проектирование защитных покрытий, адекватных действительной космической среде, снижают точность предсказания ущерба от столкновения со сред-неразмерными КО, добавляют неопределенность в прогнозирование будущей популяции засоренности ОКП.

При испытании броневых покрытий КА в лабораторных условиях обычно используются ударные частицы размером от 1 мм до 1 см и массой до нескольких грамм, но вполне возможно провести тест и с более крупными снарядами, разгоняемыми до типичных скоростей столкновений на высоких орбитах.

Стандартная лабораторная двухступенчатая газовая пушка на легком газе может разгонять объекты размером до 50 мм до скоростей около 8 км/с. Некоторые пушки ускоряют, правда более мелкие объекты, до 10 км/с и выше. Стандартный снаряд — сфера, но возможны и другие формы — тонкие пластинки, длинные стержни, цилиндры [Piekutovski, 1986].

Поскольку легкогазовая пушка не может разгонять снаряд до скоростей, типичных для столкновения НОКО (10…15 км/с), были созданы ультрасверхскоростные пушки с расширенным диапазоном скоростей специально для изучения воздействия КМ на КА, способные доводить скорость небольших титановых пластинок до 15,8 км/с [Chhabilidas et al., 1992].

В России существуют также крупные камеры, в которых можно квазинатурно моделировать экспериментальные орбитальные взрывы и столкновения в контролируемой среде [Fortov, 1993].

Конструкторы защитных покрытий в работе используют (как вспомогательный инструмент исследований) аналитические методы, включающие уравнения «баллистического предела» [Herrman, Wilbeck, 1986; Reimerdes et al., 1993; Ryan, Christiansen, 2010]. С их помощью рассчитываются размеры частицы, останавливаемой данным конкретным щитом в функции скорости удара, его угла, плотности атакующей частицы и уравнения размеров щита [Christiansen, 1992]. Есть и аналитические модели для предсказания повреждений от ударов и их последствий, но они несколько сложнее.

К сожалению, не хватает моделей стандартизированных оценок рисков для определения вероятностей выхода из строя компонент КА вследствие удара км и стандартизированных моделей ухудшения рабочих характеристик компонент КА. Из-за этого последствия ударов КМ для КА и его выживаемость приходится оценивать косвенно, прибегая к рискованной экстраполяции [Orbital___, 1995].

Следует иметь в виду, что диапазон возможностей разгона частиц нужной массы и формы при моделировании ударов КМ пока ограничен. Эти ограничения затрудняют проектирование броневого покрытия КА, адекватного действительной космической среде, снижают точность прогнозирования ущерба, добавляют неопределенность в предсказание будущей популяции КМ.

Исследовательская орбитальная лаборатория LDEF

Другим слабым звеном в конструкции щитов от КМ часто бывает предположение, что крупный км состоит из алюминия, а мелкий из окиси алюминия. В реальности некоторые КО состоят из материалов более высокой плотности. При обследовании поверхности КА LDEF, как уже говорилось выше, обнаружены следы ударов частиц из нержавеющей стали, серебра, меди [Horz, Bernhard, 1992]. Щит, готовый выдержать удары алюминиевого КМ, может оказаться неспособным противостоять ударам более плотных тел.

Конечно, нереально испытывать щиты и другие компоненты КА на удары км всех возможных размеров, масс, форм, составов во всех диапазонах космических скоростей. Здесь нужно обращаться за помощью к компьютерным моделям, откалиброванным по достаточному объему экспериментальных данных, для экстраполяции на недостающие условия испытаний.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Многие независимые модели будущей популяции КМ подтверждают, что каскадные столкновения уже происходят на околоземных орбитах [Назаренко, 2010; Kessler, 1991; Kessler, Cour-Palais, 1978; Kessler et al., 1993, 2010; Potter, 1993; Rex, Eichler, 1993; Rossi et al., 1993; Su, 1993; Talent, 1992].

Эти модели в своей основе имеют различные методологии, различаются ключевыми исходными данными и параметрами, такими как начальная популяция, количество и распределение осколков, образующихся при взрыве и столкновении. Однако их прогоны дают схожие результаты. Все они предсказывают «более чем линейный» (скажем прямо, экспоненциальный) рост популяции КМ в области низких орбит на следующее столетие.

Рис. 6. частота столкновений с частицами различных размеров на высотах 900…1000 км

Еще в 1993 г. Э. Поттер [Potter, 1993] привел свидетельства уже начавшегося каскадного процесса в некоторых областях орбит, в частности, на высотах между 900 и 1000 км. Результаты наблюдений, анализа, расчета и моделирования указывают на значительный рост частоты столкновений в этом диапазоне высот. На рис. 6 в логарифмическом масштабе дано сравнение количества столкновений в год с частицами размером от 1 мм до 1 см в 1990 и 2020 гг.

По мнению некоторых экспертов [Назаренко, 2010], каскадный эффект уже начался для малоразмерной фракции. Э. Поттер [Potter, 1993] считает, что для крупных КО каскадный эффект пока не наблюдается, но конструкторы уже вынуждены бронировать КА. Достаточно взглянуть на возвращенные на Землю экспонированные в космосе поверхности, посмотреть историю зарегистрированных столкновений, результаты прогнозирования засоренности космоса и эти опасения становятся убедительными. Практически в каждом номере периодического (ежеквартального) журнала НАСА «Orbital Debris Quarterly News» публикуются сообщения об очередных столкновениях в космосе.

Каскадный процесс столкновений не обязательно будет охватывать полностью все ОКП. Орбитальная область, в которой он начнется, должна отвечать определенным требованиям:

• достаточно высокая плотность КО;

• не очень сильные атмосферные возмущения;

• достаточно высокие скорости столкновений.

Смысл второго требования — количество выбывающих из данной области КО не должно снижать плотности потока км в ней. Перечисленные условия обеспечивают достаточно большое число высокоэнергетических столкновений.

Коль скоро каскадный процесс столкновений начался, его нельзя остановить снижением частоты запусков новых КА и даже их прекращением, поскольку этот процесс самодостаточен и поддерживает сам себя. Если в орбитальную область, где начался цепной процесс столкновений, прекратить приток новых масс извне, количество столкновений начнет снижаться, но не ранее чем через сотни и тысячи лет. В то же время, несмотря на то, что большинство крупных объектов постепенно разрушатся, и из-за резко возросшего количества осколков, вероятность столкновений действующих КА с км может оказаться очень высокой.

После начала каскадного процесса при достижении некоторой критической плотности засоренности ОКП его развитие поддерживается тремя главными факторами: большим количеством образующихся при столкновении осколков (из-за высокой энергии столкновений даже при небольшой массе одного из участвующих в нем КО); высокой скоростью осколков, которая не только квадратично усиливает энергию столкновений, но и позволяет им за короткое время «пронизывать» гигантское пространство, тем самым повышая вероятность столкновения; орбитальной замкнутостью КМ в ОКП, из-за чего продукты разрушения (т. е. «размножившийся» км) в основной своей массе остаются в ОКП, увеличивая вероятность дальнейших столкновений.

Некоторые продукты разрушения из-за большого разброса начальных орбитальных параметров могут покинуть окрестность Земли, но такая возможность нарушает замкнутость ОКП лишь теоретически и не может считаться определяющей в рассматриваемом процессе. Тем более что пока эти частицы будут избавляться от земного притяжения, они смогут успеть еще неоднократно столкнуться с КМ или с действующими КА.

Рис. 7. «Автору» каскадного эффекта Дональду Кесслеру вручают награду имени Джерома Ледерера «Пионер космической безопасности» 2008 г. международной ассоциации оценки достижений в области космической безопасности (Don Kessler wins the Jerome Lederer — Space Safety Pioneer Award, 2008)

Итак, главной потенциальной опасностью со стороны КМ представляется мрачная перспектива развития каскадного эффекта, который приведет к практической невозможности использования ОКП в исследовательских, хозяйственных, коммерческих, военных и других целях. При этом может сильно пострадать экологическая обстановка на Земле. Возможно, это уже не перспектива, а реальность. Катастрофические столкновения действующих КА CERISE в 1996 г. и «Иридиума-33» с «Космосом-2251» в 2009 г. свидетельствуют о начале «синдрома Кесслера» [Liou, 2011a] (рис. 7).

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Мебельный салон предлагает Вам приобрести продукцию фирмы KLER , которая считается эталоном стиля и качества. Кожаные диваны, мягкие пуфики, стильные реклайнеры, удобные кровати — вот лишь малая толика того, что Вы сможете приобрести, если прямо сейчас посетите сайт www.klermoscow.ru.

Пока столкновения в космосе не выводили из строя дорогостоящие, выполняющие важные государственные, социальные, экономические и даже стратегические функции КА, они оставались незамеченными в прямом и переносном смысле. Но после гибели французского КА CERISE и американского «Иридиума-33» проблема опасности столкновений и их предотвращения стала выходить на передний план.

Столкновения, как и взрывы, особенно неприятны своими последствиями — образованием множества осколков и расширением занимаемой ими орбитальной области вследствие разброса векторов начальных скоростей фрагментов. Но этим дело не ограничивается. Дональд Кесслер из Джонсоновского космического Центра НАСА первым обратил внимание на то, что при достижении определенной критической плотности мусора в той или иной орбитальной области в результате все возрастающего числа столкновений может начаться процесс образования вторичных осколков, т. е. так называемый «каскадный эффект», или «синдром Кесслера». По сути, космический мусор приобретает некий агрессивный характер, которому уже мало что можно противопоставить. Это как пожар, который легче предотвратить, чем тушить.

Впервые свою гипотезу Дональд Кесслер опубликовал в 1978 г. [Kessler, Cour-Palais, 1978]. Первые исследования каскадного эффекта были проведены в [Eichler, Rex, 1992; Kessler, 1991; Kessler, Cour-Palais, 1978; Potter, 1993], а одни из последних в [Назаренко, 2010; Kessler et al., 2010].

Вероятность столкновений в любой орбитальной области растет приблизительно пропорционально квадрату количества КО. При этом каждая орбитальная область имеет свою «критическую плотность» КО. Другими словами, там должно присутствовать достаточное количество объектов с большой массой для обеспечения в результате столкновений прироста фрагментов, превышающего убыль КО в результате схода с орбиты (например, под действием атмосферного торможения или принудительного снятия КО с орбит). Когда эта критическая плотность будет достигнута, фрагменты мусора становятся главной причиной все возрастающей частоты новых столкновений, хотя их временной масштаб может быть растянут здесь на десятки и сотни лет.

Рис. 1. Критическая плотность в низкоорбитальной области

В 1990-х гг. уже существовали отдельные орбитальные области, в которых пространственная плотность КМ превышала критический уровень. На рис. 1 показано, как изменяется с высотой критическая плотность КМ в низкоорбитальной области, зависящая от таких факторов, как сопротивление атмосферы, размеров КО, распределения наклонений орбит и др. [Kesler, 1991]. Районы, в которых реальная плотность км превышает критическую, заштрихованы (от 900 до 1000 км и около 1500 км). Популяция КМ там будет увеличиваться количественно, даже если не будет притока новых КО извне, а количество фрагментов от столкновений в соответствии с синдромом Кесслера — расти экспоненциально. Это видно из сравнения распределений каталогизированных КО по высоте по состоянию на 1999 и 2010 гг. (см. рис. 2 и 3). Для среднеразмерного и мелкого КМ эта разница была бы еще более впечатляющей, так как в результате столкновений КО мелких осколков образуется значительно больше, чем крупных, и еще больше, чем при взрыве (см. рис. 4).

Рис. 2. Сравнение распределений каталогизированных КО в диапазоне высот 100…3000 км по высоте апогея орбиты

Рис. 3. Сравнение распределений каталогизированных КО в диапазоне высот 3000…40 000 км по высоте апогея орбиты

Рис. 4. Сравнение выхода фрагментов различных размеров в результате взрыва и сверхзвукового столкновения

Конечно, запуски новых КА (вместе с их РН и сопутствующим КМ) и взрывные разрушения также вносят вклад в рост популяции КМ в этих районах, тем более, что они наиболее привлекательны для функционирования многих типов КА и поэтому пользуются повышенным спросом. Соответственно «оптимизация» условий возникновения каскадного процесса столкновений КО там будет поддерживаться постоянно.

в низкоорбитальных районах ОКП, в которых еще не достигнута критическая плотность КО, она может возрасти за счет фрагментов от столкновений в соседних. Ранее уже говорилось о том, что многие фрагменты, особенно при взрывах, отделяются с очень высокими скоростями, и их орбиты распределяются довольно широко в пространстве. За счет этого, а также постепенного снижения КМ в нижележащие районы из-за сопротивления атмосферы, реальная плотность там будет повышаться. Кроме того, фрагменты от столкновений ВЭКО с НОКО будут пересекать низкоорбитальные районы на очень высоких скоростях, вызывать дополнительную угрозу столкновений и соответственно провоцировать каскадный эффект.

Рис. 5. Приращение скорости, необходимое для вывода ИСЗ на орбиту захоронения (для трех классов орбит)

Высокие орбитальные районы обычно менее засорены, чем низкие и скорости столкновений там ниже, что обусловливает образование меньшего числа фрагментов при столкновении. При этом осколки распространяются там шире, чем на низких орбитах (см. рис. 5), что снижает вероятность новых столкновений. Все это препятствует развитию каскадного эффекта на высоких орбитах.

На ГСО, в окрестности которой скорость столкновений еще меньше и векторы скоростей КО при их сближении в своем большинстве близки к коллинеарным, даже если столкновение случится, осколки распространятся в гораздо большем объеме, чем на низких орбитах, и каскадного эффекта придется ждать, возможно, тысячи и десятки тысяч лет [Kessler, 1993]. Следовательно, в отличие от низкоорбитальных областей на ГСО популяция КМ будет расти в основном за счет взрывов и запусков новых КА, а не столкновений.

Процесс протекания синдрома Кесслера. Крупные обломки космического мусора, соударяясь, порождают большое количество более мелких, которые сталкиваются и образуют еще больше космического мусора более малого размера

Начало цепной ядерной реакции не заметить трудно, хоть и развивается она очень стремительно. С синдромом Кесслера дело обстоит иначе из-за масштаба времени. Оказывается не так просто понять, начался цепной процесс или нет. Ввиду растянутого масштаба времени судить приходится и по косвенным признакам. именно поэтому нет единодушного мнения ученых на этот счет. трудность осмысления этого явления двойная: нельзя точно предсказать начало процесса и нужно уяснить временной масштаб его развития. и то, и другое сильно зависят от многочисленных исходных неопределенностей.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Холодные глубины и сказочные красоты космического пространства, сотрясаемые взрывами сверхновых и освящаемые светом бесчисленных галактик, не могут не вселять ужас и восхищение в сердца всех жителей крошечной планеты по имени Земля.
Именно поэтому в наше неспокойное время многие стали задумываться, что происходит после смерти… Существует ли Вознесение, растворяется ли энергия наших душ космическом вакууме или за смертью следует одно бескрайнее НИЧТО?
Получить ответ на этот вопрос Вы сможете только на сайте www.bcoreanda.com.

Космический аппарат НАСА UARS

10 ноября 2007 г. случился довольно загадочный инцидент. Спутник НАСА для исследования верхней атмосферы UARS (Upper Atmosphere Research Satellite), после успешного выполнения своей 14-летней миссии в 2005 г. был пассивирован (топливные баки опустошены и аккумуляторы разряжены) и переведен на более низкую орбиту захоронения с целью сокращения срока существования. В течение последующих двух лет его высота постепенно снижалась, как вдруг 10 ноября 2007 г. от 5,7-тонной конструкции неожиданно отделилось, по крайней мере, четыре фрагмента (с умеренной скоростью). Два из них упали на Землю в конце ноября, остальные оставались на орбите до конца года. По мнению оператора, взорваться спутник не мог, поскольку был полностью пассивирован, если не считать мизерного количества сжатого газа в баллончике. Единственной объяснимой причиной разрушения могло быть столкновение с небольшим ненаблюдаемым элементом КМ [Two…, 2008].

Через день после этого инцидента США провели первый пуск РН «Дельта-IV» в 2007 г. Предыдущий ее полет в 2006 г. закончился незапланированным разрушением второй ступени с образованием 60 фрагментов.

На этот раз вторая ступень РН также произвела две дюжины обломков размером более 10 см. как и в предыдущем случае, образование фрагментов не помешало РН успешно выполнить свою функцию — вывести полезный груз на запланированную орбиту.

В марте 2008 г. по неизвестной причине взорвался российский «Космос-2421» (точнее, в марте — июне этот КА испытал три последовательных взрыва — 14 марта, 28 апреля и 9 июня [ISS Maneuvers…, 2008; The Multiple., 2008]) с образованием 506 фрагментов, 90 % которых имели размеры от 5 до 20 см. Взрыв произошел всего лишь в 60 км над МКС. К счастью, основная масса осколков уже сгорела в атмосфере к началу 2009 г. (рис. 6).

Рис. 6. КА «Космос-2421»

В течение нескольких месяцев многочисленные обломки и осколки от разрушения «Космоса-2421» проходили близко от МКС, и каждый раз приходилось планировать маневры ухода от столкновений, которые отменялись лишь, когда уточненные вероятности столкновений опускались ниже «красного» порога 0,0001. Один маневр (27 августа) пришлось совершить при расчетной вероятности столкновения 0,014 (расчетный промах 1,6 км). Его осуществили с помощью пристыкованного в то время к МКС Европейского автоматического модуля (АММ) «Жюль Верн». За два часа до предполагаемого столкновения включили его двигатели с целью замедления движения станции (на 1 м/с), чтобы чуть-чуть снизить среднюю высоту орбиты станции, предварительно повернув МКС на 180° относительно первоначальной «нормальной» ориентации.

Это был восьмой маневр за полетную программу МКС [ISS Maneuvers., 2008; ISS Crew…, 2009; The Multiple…, 2008; Orbital…, 2008].

Модель облака космического мусора, образующегося при разрушении космического аппарата

В начале июля 2008 г. 21-летний «Космос-1818» с законсервированным ядерным реактором на борту стал источником нового облака КМ, 30 его фрагментов были обнаружены СККП США и еще множество небольших металлических сфер — с помощью специальных СН. Это был первый из двух однотипных спутников, испытывавших новую ядерную энергетическую установку. Причина взрыва до сих пор остается невыясненной (вполне возможно было столкновение с КМ). По мнению некоторых экспертов, образовавшиеся металлические сферы могли быть каплями натрий-калиевого охладителя, который использовался в предыдущих версиях реактора [Kessler et al., 1997; New Debris…, 2009].

Неожиданное даже для операторов столкновение американского «Иридиума-33» (рис. 7) с российским «космосом-2251» (рис. 8), так же как и, в свое время, столкновение французского CERISE с обломком РН Arian), нанесло удар по скептикам, утверждавшим, что, вероятность серьезных катастроф мала, и апеллировавшим к факту редких регистраций столкновений. Вместе с тем, известный специалист Пулковской обсерватории А. Сочилина, исследуя орбитальное поведение КА на ГСО, показала, что, по крайней мере, 40 из них испытали столкновение с относительно крупными КО [Sochilina et al., 1998].

Рис. 7. КА «Иридиум-33»

Рис. 8. КА «Космос-2251»

Итак, 10 февраля 2009 г. действующий КА обеспечения глобальной спутниковой связью объектов США «Иридиум-33» (70 спутников в системе «Иридиум» на одной рабочей высоте) столкнулся с уже нефункционирующим российским ИСЗ «Космос-2251» (класса «Стрела-2м», диаметр 2,05 м, гравитационная штанга длиной 18 м, масса 900 кг) (рис. 9). Размеры «Иридиума-33» оцениваются как 2×1 м, масса 560 кг. Столкновение произошло над районом крайнего севера Сибири на высоте около 790 км при относительной скорости 11,646 км/с с образованием большого числа обломков. Наклонения орбит спутников составляли 86,4 и 74,0°, соответственно. Плоскости орбит в момент столкновения пересекались почти под прямым углом. Летом 2010 г. СККП США было зарегистрировано более 2100 фрагментов от обоих аппаратов.

Количество фрагментов, образовавшихся от разрушения «Космоса-2251», более чем вдвое превысило таковое от разрушения «Иридиум-33», что приблизительно соответствует соотношению масс исходных объектов. После столкновения объем каталога КО СККП США увеличился на 15,6 % (на 2347 КО), а количество не каталогизированных, но сопровождаемых СН, возросло на 6000 КО [Space…, 2010].

Рис. 9. Положение орбитальных плоскостей аппаратов «Иридиум-33» и «Космос-2251» в момент столкновения [Satellite…, 2009]

Рис. 10. Эволюция орбит фрагментов разрушения ИСЗ «Иридиум-33» и «космос-2251» через шесть месяцев после столкновения

Более детальный анализ столкновения КА «Иридиум-33» и «Космос-2251» можно найти в [Kelso, 2009; Makarov et al. 2011; Matney, 2010; Nazarenko, 2009b, 2011; Satellite…, 2009] (рис. 10).

Суммарное количество мелких фрагментов (размером около 1 см) от ИСЗ «Фенгюн-1С», «Иридиум-33» и «Космос-2251» по данным радиолокаторов «Хэйстэк» и ХЭкС составляет около 250 000, а крупных (свыше 10 см) — порядка 5500 [Update., 2010]. Объем каталога КО скачком увеличился на 60 % (см. рис. 4)!

Насколько серьезно было воспринято это событие, можно судить по тому факту, что уже в апреле 2009 г. в конгрессе США проводятся слушания под девизом «Сохранение космической среды для гражданского и коммерческого использования». Перед комитетом палаты конгресса по науке и технологиям (Подкомитет по космосу и аэронавтике) выступили генерал-лейтенант Ларри Джеймс от Стратегического командования США, Николас Джонсон — руководитель подразделения НАСА по проблемам техногенного засорения космоса, Ричард Дарбелло от Генеральной корпорации Интелсат и Скотт Пэйс от Института космической политики Университета им. Джорджа Вашингтона (рис. 11) [Congressional., 2009].

Рис. 11. Слева направо: генерал-лейтенант Ларри Джеймс, Николас Джонсон, Ричард Дарбелло, Скотт Пэйв

В июне 2009 г. в Вене на своем ежегодном собрании комитет ООН по мирному использованию космоса (COPUOS) заслушал ряд докладов, инициированных столкновением «Иридиума» и «космоса». бригадный генерал Сьюзен Хелмз (бывшая космонавтка) объявила, что Стратегическое командование США изыскивает возможности проведения оценки опасных сближений для большего числа действующих КА. Николас Джонсон сообщил последние данные о природе облака осколков от столкновения спутников и его возможной эволюции [United…, 2009].

Единственная польза от историй, происшедших с КА «Фенгюн-1С», «Иридиум-33» и «Космос-2251», в том, что они помогают понять процесс фрагментации крупных КО при столкновениях и предоставляют редкую возможность для проверки и калибровки моделей фрагментации по реальным данным.

Более полный обзор событий в космосе, происшедших с самого начала космической эры, можно найти в выпускаемых НАСА сериях Chronology и Orbital Debris Quarterly News [Accidental…, 2005; Cizek, 2001; History…, 2004; Johnson et al., 2008; Krisko, 2006; Portree, Loftus, 1993, 1999 и др.].

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Не желаете идти на поводу у вашей судьбы и хотите знать, что Вас ждет в будущем? Тогда я хочу порекомендовать Вам сайт astrogenc.ru, где Вы найдете самые точные гороскопы, которые помогут Вам узнать, какие испытания на вашем жизненном пути уготовила Вам судьба.

Японский ракета-носитель H-IIA

В 2006 г. было еще несколько взрывов, в том числе разрушение второй ступени японской РН H-IIA; вспомогательного двигателя РН; верхней ступени РН «молния» [Significant…, 2007; Three…, 2006].

19 февраля 2007 г. взорвался разгонный блок «Бриз-М» РН «Протон». В результате не удалось вывести спутник связи «Арабсат-4А» на геостационарную орбиту. Он почти с полным баком топлива остался на орбите 495×14 750 км и наклонением 51,5° [Four Satellite___, 2007]. После взрыва образовалось более 1000 осколков.

В 2007 г. было восемь взрывов.

Рис. 3. КА «Фенгюн-1С» до разрушения

11 января 2007 г. при испытаниях китайского кинетического противоспутникового оружия была атакована и взорвана мишень — метеорологический китайский ИСЗ «Фенгюн-1С» (Fengyun—1C) (международный номер 1999-025А) массой почти 960 кг, на почти круговой солнечно-синхронной орбите высотой ~850 км и наклонением 98,8° (рис. 3). В результате кинетического удара с относительной скоростью ~9 км/с в интенсивно используемой области орбит образовалось облако осколков, из которых в течение первой недели было обнаружено более 600. к 11 июля 2007 г. 129 было каталогизировано уже 2347 осколков. К середине сентября 2010 г. их было 3037 [Chinese Debris…, 2010]. По данным [Fengyun-1C.., 2008, 2009; Stokely, Matney, 2008], радар «Хэйстэк» зарегистрировал еще более 150 000 не каталогизированных осколков от взрыва размером до 1 см.

Интересно, что общее количество фрагментов от разрушения КА «Фенгюн-1С» (обнаруженных СККП США и радаром «Хэйстэк») превысило предсказанное Стандартной моделью разрушения от столкновения НАСА [Stansbery, 2008].

Рис. 4. История изменения количества КО в ОКП

Это событие расценивается специалистами как самое драматическое в истории «размножения» КМ, и наглядно демонстрируется резким его скачком на диаграмме рис. 4 над абсциссой 2007 г. количество каталогизированного км, который накапливался в течение 50 лет, в одно мгновение возросло более чем на треть, а фрагментов разрушений — сразу на 75 % [Detection., 2007]. Ничего подобного за всю историю освоения космоса не наблюдалось.

Произошедшее усугубляется еще и тем, что по оценке специалистов [Chinese Debris…, 2010; Johnson et al., 2007] основная масса образовавшихся осколков (~95 %) продолжит свое орбитальное существование в течение, по крайней мере, нескольких десятков лет, а часть из них — сотни лет [Space., 2008]. к июлю 2007 г. сгорело только 13 из каталогизированных обломков. к середине сентября 97 % всех обнаруженных и каталогизированных на тот момент обломков от взрыва (3067) все еще оставались на орбитах [Chinese Debris…, 2010].

И все это в области орбит, насыщенных действующими КА, в частности, метеорологическими, океанической разведки: российские «Метеор-1», «Метеор-2», американские NOAA, DMSP, китайские серии «Фенгюн» и др.

Из-за огромного числа образовавшихся фрагментов и большого разброса векторов начальных скоростей уже в первые шесть месяцев после взрыва некоторым действующим КА пришлось совершить маневры ухода от столкновения с ними. КА НАСА Terra, движущемуся по почти круговой орбите со средней высотой 705 км, 22 июня была дана команда на маневр ухода от 35-сантиметрового обломка (расчетное сближение составило 19 м). Спустя несколько дней МКС приготовилась к подобному маневру, который был отменен перед самым включением двигателя после того, как уточненное значение промаха оказалось приемлемым.

После разрушения КА «Фенгюн-1С» орбиты образовавшихся осколков были ограничены достаточно узким диапазоном наклонений и прямых восхождений. Однако различные скорости прецессий орбит привели со временем к существенному расширению этого диапазона. На рис. 5 показана эволюция всего пучка орбит фрагментов за шесть месяцев. Облако осколков охватило диапазон по высоте от 200 до 4000 км [Detection…, 2007; Chinese Anti-satellite…, 2007; Liou, Johnson, 2008a, b].

Рис. 5. Расплывающийся тороидальный пучок орбит осколков от разрушения ИСЗ «Фенгюн-1С» с интервалом в три, шесть, девять и двенадцать месяцев

Для сравнения напомним об аналогичном событии годом позже. 21 февраля 2008 г. США провели испытание противоспутникового оружия АСАТ, в результате которого ракетой SV-3 был разрушен ИСЗ USA-193 [Kaufman, White, 2008]. Спутник вышел из строя сразу после вывода на околоземную орбиту. Его топливный бак остался заполненным не использованным гидразином, а анализ выживаемости показал, что он может достичь поверхности Земли и создать серьезные проблемы в зависимости от того, куда бак упадет.

По мнению американцев, кинетический удар по спутнику и его разрушение на орбите убивали сразу двух зайцев: c одной стороны, проводилось испытание кинетического оружия, с другой, устранялась угроза падения на Землю бака, заполненного гидразином. 21 февраля спутник был разрушен на множество мелких осколков (360 было обнаружено и сопровождалось до их входа в атмосферу), большая часть которых сгорела в атмосфере в течение одного часа после удара ракеты. К концу марта на орбитах оставалось всего несколько фрагментов, последний сгорел а атмосфере летом того же года [Satellite___, 2008].

Эксперимент, проводившийся на высоте 250 км (гораздо меньшей, чем в первом испытании АСАТа и, тем более чем в китайском), был построен таким образом, что 99 % образовавшихся осколков сгорели в атмосфере в течение недели.

F-15 — убийца спутников

Как известно, первое испытание АСАТа состоялось 13 сентября 1985 г. Противоспутник запустили с борта самолета F-15 и разрушили ИСЗ Solwind на орбите 545×515 км. Образовалось 285 фрагментов разрушения цели, многие из которых просуществовали в космосе более 15 лет. Некоторые из них прошли на расстоянии 1,3 км от МКС. Последний из 131 осколков сгорел в феврале 2004 г. [Grego, 2006].

Спустя месяц после разрушения китайского «Фенгюн-1С» произошли еще четыре взрыва. Двух китайских КА и двух российских компонентов запуска: Beidou 2A, CBERS-1; двигатель осадки топлива российской РН «Протон» и разгонного блока «Бриз-М».

Последний взрыв заслуживает особого внимания. В феврале 2006 г. РН «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М» был использован для вывода ИСЗ «Арабсат-4А» на низкую парковую орбиту. Через 50 мин после вывода двигатель «Бриза-М» снова был включен (второе включение из четырех запланированных). Однако из-за возникшей неисправности отработал меньше положенного времени и не включился снова. КА в результате не вышел на штатную операционную орбиту, отделился от РН, и позже была отдана команда на его управляемый вход в атмосферу. 19 февраля 2007 г. двухтонная конструкция «Бриза-М» взорвалась и разлетелась на более чем 1000 различимых с Земли обломков, находясь на орбите 495×14 705 км с наклонением 51,5°.

По счастливой случайности, взрыв наблюдался, по крайней мере, тремя астрономами в разных частях Австралии и был сфотографирован. На нескольких снимках ясно видно распространение облака обломков малой яркости. Причина взрыва — скорее всего неизрасходованное топливо на борту разгонного блока. Хотя все четыре взрыва непреднамеренные, по крайней мере, три из них можно было предотвратить. Как рекомендовано во многих национальных и интернациональных руководствах по снижению засоренности ОКП, КА и ступени РН в конце своего активного существования должны быть пассивированы (например, путем сброса остатков топлива) [Four Satellite___, 2007].

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Момент взрыва шаттла «Челленджер»

Самое первое разрушение, причиной которого стал взрыв на орбите, случилось 29 июня 1961 г. [Johnson, 2011]. Верхняя ступень американской РН «Эйблстар» взорвалась примерно через час после того, как вывела на орбиту КА «Транзит-4А» вместе с двумя другими научными спутниками «Инджун-1» и «Солрад-3». Образовалось приблизительно 300 обломков. Вся официальная орбитальная популяция в то время составляла всего 54 КО. Тогда еще не существовало систем ККП, обнаружение и сопровождение КО осуществлялось эпизодически отдельными СН или операторами нескольких действующих КА. На сегодняшний день официально зарегистрировано более чем 200 разрушений КО. С 1984 г. НАСА регулярно публикует «Историю разрушений КО на орбитах», которую можно найти на веб-сайте программного подразделения НАСА по проблемам техногенного засорения космического пространства.

К 1995 г. было известно уже о 120 взрывах на орбитах (серьезных столкновений КО тогда еще не было зарегистрировано), которые привели к образованию более 8000 каталогизированных (т. е. крупных) фрагментов. К 2006 г. их было обнаружено уже 190, а к 2011 — более 200. Одних только зарегистрированных преднамеренных взрывов КА и верхних ступеней РН с 1964 г. произошло 56 и 2, соответственно [Johnson, 2010]. На самом деле их было гораздо больше.

До разрушений КА «Фенгюн-1С», «Иридиум-33» и «Космос-2251» фрагменты разрушений КО составляли около 40 % от объема всего каталога КО. После взрывов этих спутников доля фрагментов подскочила до 57 % и продолжает расти в результате обнаружения все новых и новых осколков. При этом из не каталогизированных, но сопровождаемых СККП США КО размером более 1 см, подавляющее большинство (приблизительно 95 %) составляют осколки от разрушений КО. Исследования показывают, что такая же доля приходится на фрагменты разрушений и среди всей популяции КО размером более 1 см, т. е. включая не сопровождаемые СККП. Более 4 % всех космических миссий в той или иной степени сопровождались разрушениями КА или РН [Satellite___, 2002].

Остановимся на официально зарегистрированных и имевших серьезные последствия событиях такого рода.

С 1963 по 1982 г. СССР провел 23 испытания противоспутникового оружия, из которых семь завершились перехватом. В результате образовалось 736 каталогизированных осколков, из которых до сих пор на орбитах остаются более 30 % [Johnson et al., 2007; History…, 2004; Russia…, 2009; Space…, 2008; Zak, 2008].

С 1964 г. прошла целая серия катастроф КА, имевших радионуклеиды на борту, которые в результате достигли земной поверхности.

Американский космический аппарат Transit VBN-3

Закончился аварией РН запуск американского КА Transit VBN-3 в апреле 1964 г. После разрушения аппарата на высоте 80 км около 100 г плутония было рассеяно в атмосфере.

Для сравнения заметим, что в мае 1968 г. во время неудачного запуска американского экспериментального метеоспутника Nimbus B два плутониевых генератора упали в Атлантический океан. Их достали со дна и использовали повторно на следующем аппарате этой серии.

Ракета-носитель «Протон-к»

В результате аварии в феврале 1969 г. РН «Протон-к», при попытке запуска первого советского лунохода «Е-8», радиоизотопный генератор на полонии упал в районе полигона Байконур. Как рассказывает бывший сотрудник НПО им. С. А. Лавочкина В. П. Долгополов, генератор нашли солдаты и обогревались им в казарме.

В апреле 1970 г. при возвращении лунного модуля Aquarius экспедиции Apollo-13 контейнеры с плутонием упали в Тихий океан восточнее Новой Зеландии.

В январе 1978 г. потерпел аварию советский спутник морской космической разведки и целеуказания серии РОРСАТ «космос-954» с бортовой ядерной энергетической установкой, что привело к радиоактивному загрязнению обширного района на севере Канады.

Подобная катастрофа произошла в феврале 1983 г. со спутником той же серии «Космос-1402». Но на этот раз «повезло» в том смысле, что остатки активной зоны реактора упали не на Землю, а в Атлантический океан.

Обитаемая космическая лаборатория Skylab

В 1973 г. США начали разработку обитаемой космической лаборатории Skylab. Это была весьма массивная конструкция массой 77 т, длиной 24,6 м, с максимальным диаметром 6,6 м и внутренним объемом 352,4 м³. Запущена 14 мая 1973 г. для проведения технологических, астрофизических, биолого-медицинских исследований и наблюдения земной поверхности. С мая 1973 г. по февраль 1974 г. на борту станции работали три экспедиции. Стоимость программы «Скайлэб» составила 3 млрд. дол. в ценах того времени. 11 июля 1979 г. Центр управления полетами сориентировал ОС для входа в атмосферу с точкой затопления в 1300 км южнее Кейптауна. Но ошибка в расчетах в пределах 4 % и непредусмотренное более медленное разрушение станции привели к смещению точки падения. Часть обломков упала и была обнаружена в Австралии. С тех пор австралийское руководство очень болезненно реагирует на падение космических обломков на ее территорию [Portree, Loftus, 1999] («Новости космонавтики». 1996. № 22, 23).

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Хотите отправиться в кругосветное путешествие? Тогда Вам просто необходимо выучить самый распространенный язык на нашей планете – английский. Курсы английского языка в киеве помогут Вам в этом, и уже после нескольких занятий Вы сможете бегло разговаривать на английском.
Для того чтобы записаться на курсы посетите сайт americanenglish.ua.

МКС за время своего существования породила множество сопутствующего КМ, из которого около 70 фрагментов было каталогизировано. Это и потерянные камеры, стаканы, сумка с инструментами, а 117 также намеренно выброшенное за ненадобностью оборудование и другие предметы — в среднем 10 объектов в год. Это не считая более мелкого КМ. К счастью, он существовал на орбите не более 15 месяцев [Aksenov et al., 2010; Johnson, 2009].

Американские шаттлы, находясь на орбите, совершили до 2008 г., по крайней мере, восемь раз маневр уклонения от столкновения [Ailor, 2008]. Причем в конце ноября 1991 г., когда на угрозы со стороны КМ практически не обращали внимания, шаттл миссии STS-44 настолько приблизился к опасному коридору полета советской отработавшей ступени РН, что был вынужден совершить маневр уклонения, запустив сразу два маневровых двигателя на 7 с.

Шаттлы неоднократно подвергались ударам частиц размером более 1 мм. В первых 33 полетах они получали повреждения черепичного покрытия снизу. Несколько термозащитных иллюминаторов пришлось заменить из-за повреждений. В 1983 г. во время миссии STS-7 удар всего лишь кусочка краски размером 0,2 мм при относительной скорости 3…6 км/с привел к образованию 4-мм кратера в иллюминаторе корабля, и его также пришлось заменить.

При осмотре иллюминатора № 6 миссии STS-50 был обнаружен кратер диаметром 1 мм от удара частицы размером 100.150 мкм (рис. 22). Химический и спектральный анализ показал, что этот след оставил продукт работы твердотопливного двигателя состава Al₂O₃ [Jackson, Bernhard, 1997].

Рис. 22. кратер на иллюминаторе шаттла миссии STS-50 от удара частицы, выброшенной из сопла твердотопливного двигателя

В июне 1999 г. шаттл «Дискавери» (миссия STS-96) осуществил первую стыковку с МКС. Послеполетная инспекция выявила множество повреждений, 64 из которых были исследованы очень тщательно специальными методами (рис. 23). Размер кратеров колебался от 0,125 до 4,0 мм. На иллюминаторе командного отсека выявлено 50 повреждений. Материал КМ, вызвавшего эти повреждения, включал кусочки краски (50 %), алюминий (40 %) и нержавеющую сталь (10 %). На панелях радиатора и гибком изоляционном поверхностном слое обнаружено 12 следов от ударов КМ и метеороидов. В кратерах обнаружены частицы краски и алюминия [Kerr, 2000].

Рис. 23. Повреждение на иллюминаторе кабины шаттла миссии STS-97 от удара частицы из нержавеющей стали [ISS Space…, 2001]

Послеполетное обследование шаттла «Дискавери» (миссия STS-114) выявило 41 след от ударов микрометеороидов или КМ. 14 ударов пришлись на лобовые иллюминаторы модуля экипажа. Повреждено пять окон из восьми. Самый крупный кратер обнаружен на окне № 4. Его размер — 6,6×5,8 мм. Он был вызван ударом частицы диаметром 0,22 мм. Окно пришлось заменить.

Радиаторы дверей отсека полезного груза выдержали 19 ударов КМ. Один из ударов вызвал перфорацию в лицевом щите диаметром 0,61 мм.

Размер частицы, виновной в этом, оценен в 0,4 мм. На внешнем покрытии двери обнаружено повреждение размером 5,8×4,5 мм [Hyde et al., 2006].

Рис. 24. Пробоина и трещина на панели радиатора шаттла миссии STS-115

После возвращения из полета шаттла STS-115 в космическом центре Кеннеди при обследовании правого борта была обнаружена крупная пробоина на 4-й панели радиатора двери грузового отсека [Hyde et al., 2007]. Диаметр пробоины — 2,74 мм. Рядом с пробоиной — трещина длиной 6,8 мм (рис. 24). Надо отметить, что после каждого возвращения шаттлов НАСА проводила тщательный лабораторный анализ повреждений, полученных от ударов КМ [Hyde et al., 2010].

Рис. 25. Повреждение панели радиатора шаттла «Эндевор» миссии STS-118 к МКС

Рис. 26. Повреждение термозащитного одеяла под панелью радиатора

В августе 2007 г. во время полета шаттла «Эндевор» миссии STS-118 к МКС были пробиты насквозь задняя левосторонняя панель радиатора системы охлаждения. Толщина панели радиатора составляла 12,7 мм.

Размер входного отверстия от удара — 7,4×5,3 мм (рис. 25). Ударившийся КО разрушился при ударе, его осколки нанесли множественные повреждения вокруг основного отверстия. Пробившие панель частицы повредили затем и термозащитное одеяло (рис. 26). Послеполетный анализ показал, что столкнувшийся с шаттлом элемент КМ состоял из титанового сплава со следами цинка и имел размер от 1,5 до 2 мм [Lear et al., 2008].

В ноябре 2008 г. во время полета шаттла «Эндевор» миссии STS-126 к МКС от удара частицы КМ на иллюминаторе образовался кратер размером 12,4×10,3 мм глубиной 0,63 мм. Это был наибольший кратер из всех, обнаруженных на иллюминаторах шаттлов (рис. 27) [Herrin et al., 2009].

Рис. 27. Крупный кратер на иллюминаторе шаттла «Эндевор» миссии STS-126

В результате послеполетной инспекции шаттла «Дискавери» STS-128 было обнаружено 14 следов ударов на иллюминаторах кабины команды, 16 на переднем срезе крыла и носовой поверхности, 21 на панели радиаторов контура охлаждения. Среди них был кратер, представляющий особый интерес. Он оказался не самым крупным, но находился в стратегически важной точке — на алюминиевой защитной пластине, непосредственно прикрывающей трубы контура охлаждения электронного оборудования. Если бы не эта пластина, была бы пробита труба и произошла утечка фреона. В этом случае шаттл должен был приземлиться в течение 24 ч. Кстати, последующее моделирование подтвердило, что без защитной пластины контур охлаждения был бы пробит. [Christiansen et al., 1993; Orbital., 2010] (рис. 28, 29). Подробно история повреждений поверхности шаттлов с 1992 по 2000 г. изложена в [Hyde et al., 2000].

Есть и военные аспекты последствий техногенной засоренности ОКП. Во-первых, в результате столкновений с КМ КА военного ведомства уже несут ощутимый ущерб, как это было с очень дорогим экспериментальным кА минобороны Франции CERISE в 1996 г. Довольно часто происходят сбои в работе военных спутников, которые операторы затрудняются объяснить. В конце концов, большинство экспертов склоняется к версии столкновения с КМ.

Во-вторых, незарегистрированное (недоказанное, «неофициальное») столкновение военного КА с элементом КМ, приведшее к внезапному прекращению его функционирования или выходу из строя хотя бы части его аппаратуры, может быть воспринято как нападение и спровоцировать военный конфликт со всеми вытекающими последствиями.

Рис. 28. Кратер от удара КМ в защитную пластину контура охлаждения

Рис. 29. 4-миллиметровый кратер от удара кусочка краски 0,2 мм в иллюминатор шаттла

В-третьих, с военной точки зрения, популяция КМ представляет собой мощную неуправляемую орбитальную группировку, которая представляет значительную опасность для функционирования не только национальных и зарубежных космических аппаратов, но и наземных объектов военного назначения.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Справиться с любыми типами загрязнений Вам поможет чистящее средство чистящее средство L.O.C. от компании Amway.
Данное чистящее средство, выпускаемое с 1959 года, нашло свое применение не только в быту, но так же в косметологии и медицине.
Получить более полную информацию по Liquid Organic Cleaner Вы сможете на сайте www.chel-life.ru.

В значительно меньшей степени вероятность столкновений зависит от наклонения орбит. Демпфирует эту зависимость тот факт, что две круговые орбиты с одинаковыми высотами пересекаются дважды за виток независимо от их наклонения. Более детальный анализ зависимости вероятности столкновений от наклонения [Kessler, 1981b] указывает на то, что она возрастает до максимального значения для объектов, движущихся по орбитам с комплементарными наклонениями. Например, КО на орбите с i = 80° имеет большую вероятность столкнуться из-за большого количества солнечно-синхронных орбит с наклонениями 100° с объектами на этих орбитах. Аналогично, КО с наклонением орбиты 100° имеет наибольший шанс столкнуться с КО на орбите с i = 80°. Так как орбит с наклонением более 120° очень мало, то КО с наклонением менее 60° свойственна меньшая вероятность столкновения.

Вероятность столкновения КО на высокоэллиптических орбитах сильно изменяется вдоль их траектории. ВЭКО типа «молния» почти не встречают потоков КМ на своем пути, лишь на короткое время погружаются в своем перигее в густо населенную область низких орбит. Они никогда не пересекают ГСО, а из-за значительных изменений высоты перигея все больше погружаются в область низких орбит, что сравнительно быстро приближает время завершения их орбитального существования.

КО на переходных эллиптических орбитах (GTO) периодически «ныряют» как в область низких орбит (в районе перигея на каждом витке), так и в область ГСО (в районе апогея, когда прецессия орбиты заставляет проходить через ГСО). Последнее происходит гораздо реже, и это хорошо, так как они проходят через ГСО на скорости около 2 км/с, что много больше типичной скорости столкновений на ГСО.

Прогноз роста количества столкновений крупных НОКО (крупнее 10 см), усредненный по 100 прогонам модели НАСА LEGEND

Чтобы убедиться, что вероятность столкновений крупных КО прогрессивно растет, необязательно ее рассчитывать. Достаточно посмотреть рост числа столкновений каталогизированных КО на рисунке выше, отображенный сплошной черной кривой (до 2011 г.). График построен на основе не расчетных, а свершившихся событий.

Как следствие опасности столкновений, действующим КА все чаще приходится прибегать к маневрам уклонения. Например, в 2009 г. только КА, контролируемым НАСА, пришлось совершить восемь маневров [Avoiding…, 2010]:

Последствия техногенного засорения ОКП ярко проявились в функционировании международной космической станции, которая в 2010 г. отпраздновала 10-летие непрерывного полета в пилотируемом режиме (рис. 20, 21).

Рис. 20. Последняя (предстартовая) конфигурация МКС (без солнечных панелей). Всего 90 000 элементов. Группы элементов образуют модули. Модули формируют полную сборку МКС и определяют ее поверхность [Lear, Christiansen, 1999]

Только в 2008 г. было зафиксировано 246 опасных сближений МКС с элементами КМ, в том числе 41 — в так называемой «красной зоне» (крайне опасной, когда вероятность столкновения оценивается выше 0,0001).

Ракета-носитель «Пегас»

Свой первый маневр ухода станция совершила 26 октября 1999 г. В ожидавшемся сближении МКС с отработавшей верхней ступенью РН «Пегас» вероятность столкновения составляла 0,003, что намного выше «красного» предела. Для ухода от столкновения нужно было «поднять» МКС, увеличив ее скорость на 1 м/с. Совместными действиями московского и хьюстонского ЦУПов станция была переориентирована. Включением двигателя российского модуля «Заря» на 5 с за 18 ч до максимального сближения ее орбита была изменена. Вместо рассчитанного промаха в 1 км оба КО прошли один мимо другого на расстоянии 140 км [ISS Performs…, 2000].

Рис. 21. Международная космическая станция

МКС вынуждена совершать маневры ухода от столкновений с КМ в среднем пока один раз в год.

После взрыва ИСЗ «Космос-2421» в марте 2008 г. орбиты некоторых его осколков стали пересекать траекторию МКС [The Multiple…, 2008]. 27 августа один из фрагментов должен был пролететь в непосредственной близости от станции (расчетный промах — 1,6 км, вероятность столкновения 1/72). В это время к МКС был пристыкован европейский межорбитальный модуль «Жюль Верн». С его помощью и был совершен маневр уклонения [ISS Maneuvers…, 2008].

Модуль «Звезда» с пристыкованным к нему космическим аппаратом «Прогресс»

26 октября 2010 г. МКС опять была вынуждена «уходить» от столкновения с крупным обломком американского ИСЗ UARS. За 10 дней до входа этого обломка в атмосферу объединенный центр космических операций Стратегического командования США (JSpOC) и ЦУП НАСА рассчитали, что 26 октября этот обломок недопустимо близко пройдет около МКС (может столкнуться с ней с вероятностью выше «красного порога»). За два часа до предельного сближения, после подтверждения превышения предельного риска столкновения, был осуществлен небольшой маневр скоростью (+0,4 м/с), выполненный с помощью транспортного корабля «Прогресс-07м», пристыкованного к кормовому порту модуля «Звезда» [International…, 2011b].

20 апреля 2011 г. уже в пятый раз за последние 2,5 года МКС совершила очередной маневр ухода от столкновения. На этот раз виновником оказался обломок размером 15…20 см ИСЗ «Космос-2251», образовавшийся в результате его столкновения с американским «Иридиум-33». Когда за несколько часов до сближения расчетная вероятность столкновения с МКС превысила «красный порог», был совершен маневр уклонения с помощью европейского межорбитального модуля ATV-2, изменившего скорость движения МКС на 0,5 м/с. Это был 12-й маневр уклонения МКС, проведенный с октября 1999 г. До 2008 г. все маневры имели целью уход от столкновения с целыми КА и ступенями РН. Последние пять маневров — уклонение от фрагментов разрушений [International…, 2011a].

До сих пор МКС удавалось уходить от столкновений, совершая маневр уклонения. В дальнейшем в связи с учащением опасных сближений на это может не хватить энергетического ресурса станции. Кроме того, невозможно предсказать сближение с малоразмерными, не каталогизированными КО, которые так же крайне опасны для МКС. Уже неоднократно экипажу МКС объявлялась аварийная готовность к экстренной эвакуации ввиду возможного столкновения с КМ.

Старт корабля «Союз ТмА-13»

Так, 12 марта 2009 г. космонавты были вынуждены временно переселиться со станции в эвакуационный корабль «Союз ТмА-13» с готовностью к расстыковке с МКС и возвращению на Землю. Причина была в болванке размером 13 см, двигавшейся по орбите 145×4230 км, которая пролетала в крайне опасной близости от МКС. Быстро меняющаяся орбита болванки (из-за очень низкого перигея) привела к большому запаздыванию оценки степени опасности и не оставляла времени на организацию маневра.

В конце июня 2011 г. расчетная вероятность столкновения с другим не каталогизированным, но наблюдаемым обломком оказалась равной 0,003 (расчетный промах 725 м). Из-за быстрого изменения эллиптической орбиты обломка было недостаточно времени на расчет и осуществление маневра ухода. По тревоге 28 июня космонавты переместились в пристыкованные тогда два транспортных корабля «Союз», на которых в случае столкновения должны были вернуться на Землю. К счастью, обломок пролетел мимо, не задев МКС, и команда вернулась на борт станции [International…, 2011a].

Спустя десятилетие после запуска можно считать, что МКС выдержала испытание временем и космическим мусором. Из первоначальной 20-тонной конструкции она превратилась в 300-тонный гигант со всеми вытекающими отсюда последствиями. Естественно, ввиду нынешних размеров она стала более уязвимой мишенью для КМ. Поверхность МКС никогда не была обследована полностью. Тем не менее, уже зарегистрирован большой объем повреждений от сверхскоростных ударов КМ. Кроме обычных и типичных следов ударов на больших по площади солнечных панелях, обнаружено множество кратеров, царапин, эрозий на иллюминаторах, поручнях, термопокрытиях, радиаторах, стыковочных портах и т. д.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».

Замучили проблемы с желудком? Тогда Вам стоит знать, что кефир положительно влияет на всю микрофлору вашего организма, способен восстановить кислотно-щелочной дисбаланс и является действенным средством для борьбы с болезнетворными микробами.

Однако этот кисломолочный продукт из магазина не будет обладать теми же лечебными свойствами, что и тот, который Вы приготовите сами из заквасок Vivo, приобрести которые можно на сайте zakvaski.com.

Экипажи шаттла миссий STS-122 и STS-123 при внешнем осмотре МКС обнаружили целый ряд повреждений от ударов КМ [Hyde et al., 2008] (рис. 12).

В апреле 2010 г. экипажем шаттла (миссия STS-131) были доставлены для лабораторного анализа на Землю две защитные алюминиевые панели переходного шлюза МКС после почти девяти лет их пребывания в космосе. Размер каждой панели — 1,3×0,84 м, толщина —0,02 м. На них обнаружено 58 кратеров от ударов КМ (24 на одной и 34 на другой) размером от 0,3 мм и более. Самый большой кратер имел размер 1,8 мм. В кратерах обнаружены частицы силикагласса и тефлона. Возможно, это вторичные удары осколков от солнечных панелей, поврежденных КМ.

Шаттл «Дискавери»

В 1990 г. на орбиту с помощью шаттла «Дискавери» (миссия STS-31) был выведен телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), предназначенный для наблюдения электромагнитного излучения, для которого земная атмосфера непрозрачна прежде всего в инфракрасном диапазоне (рис. 14). Конструкция телескопа довольно защищенная. По расчетам Института космических телескопов ее соударения с КМ размером 5 мм и более должны происходить один раз в 17 лет, а с более мелким, конечно, гораздо чаще. При этом 40 % конструкции, включая солнечные батареи, могли получить лишь незначительные повреждения [Portree, Loftus, 1999].

Рис. 14. Телескоп ««Хаббл»» космического базирования

В течение длительного функционирования телескопа он многократно подвергался ударам КМ. Естественно, к нему периодически направлялись команды специалистов для осмотра и проведения ремонтных работ.

Рис. 15. Распределение количества ударов элементов КМ в оборудование космического телескопа «Хаббл» по размерам (от 1 мм до 5 см) за семь лет полета

Ремонтная бригада космонавтов, прибывшая на межорбитальном корабле через семь лет полета «Хаббла», насчитала 511 следов от ударов частиц КМ размером от 1 мм до 5 см. На рис. 15 представлена гистограмма распределения количества ударов в обшивку и внешнее оснащение телескопа по размерам столкнувшихся с ним частиц [Ailor, 2008]. Из нее видно, что чаще всего случались столкновения с КМ размером от 1 мм до 1 см. Чем крупнее частицы КМ, тем реже столкновения с ними. Однако не следует думать, как может показаться из гистограммы, что столкновения с частицами мельче 1 мм происходили редко. Просто следы от очень мелкого мусора не вошли в выборку, по которой она строилась (рис. 16).

Рис. 16. Пробоины от ударов мелких частиц на поверхности HST, выявленные с помощью снимков Скотта Келли и измеренные в лаборатории НАСА

В июне 2007 г. во время специального осмотра экипаж МКС доложил 109 о повреждении от удара КМ на блоке радиатора термозащитного покрытия российского модуля «Заря», охарактеризовав его как похожее на пулевое отверстие (см. рис. 10 и 11). Размеры разрыва наружного слоя — 6,7×3,3 см, отверстий в нижних слоях многослойного «одеяла» — приблизительно 1,0×0,85 см. Последующий лабораторный анализ показал, что подобное повреждение мог нанести КО размером от 0,2 до 0,3 см, атаковавший модуль почти вскользь (~70° от нормали к поверхности покрытия) на скорости менее 6 км/с [Christiansen et al., 2007].

Рис. 13. одно из повреждений МКС на поручне D

Одно из повреждений на алюминиевом D-образном поручне (рукоятке) довольно сильное. Это кратер диаметром около 5 мм. Кроме того, на противоположной стороне от ударной волны образовался скол. Все это хорошо видно на рис. 13 [Hyde et al., 2008].

Рис. 17. В центре — радиатор камеры 2, возвращенный на Землю. Снимок сделан из грузового люка шаттла «Атлантис», пристыкованного к HST

Рис. 18. крупный план радиатора

В мае 2009 г. командой шаттла «Атлантис» миссии STS-125 был снят с телескопа и возвращен на Землю радиатор (размером 2,2×0,8 м) широкоугольной камеры (радиатор был экспонирован в космосе с 1993 г.). Ввиду относительно большой площади его поверхности и значительного времени экспозиции, он может служить уникальным интегральным детектором ударов микрометеоров и КМ в области высот 560…620 км. Послеполетный анализ поверхности с помощью цифрового микроскопа выявил 685 кратеров от ударов частиц размером 300 мкм и крупнее [Liou and team, 2010]. Расположение радиатора на космическом телескопе показано на рис. 17 и 18 [MMOD…, 2009]. На рис. 18 красными кружками помечены повреждения, обнаруженные еще в инспекционной миссии 2002 г., зелеными — новые кратеры, выявленные в 2009 г.

После первых 10 лет работы телескопа «Хаббл» в антенне КА обнаружили дыру размером около 2 см от удара КМ. Во время миссии STS-103 в 1999 г. был произведен осмотр поверхности HST с фотографированием отдельных участков. Астронавт Скотт Келли сделал 99 снимков специальной камерой через иллюминатор из кабины корабля. Впоследствии исследователи выбрали для подробного анализа 571 след от ударов КМ и микро-метеороидов. Наибольшее отверстие имело размер 2…3 мм, а большинство пробоин — от 1 до 2 мм. Вокруг каждой пробоины образовалась вмятина вдвое большего диаметра [New Report…, 2002; Survey…, 2002].

Примеры повреждений показаны на рис. 16. Наибольшая плотность ударов на обследованной в этой миссии поверхности HST составила 45 ударов на квадратный метр. Это кумулятивный результат за 10 лет полета HST.

То, что удалось вернуть с HST (и не только с него), обычно тщательно исследуется в наземных лабораториях [Anz-Meador, 2011; Klinkrad, Stokes, 2006; Opiela et al., 2010].

Расплывающийся тороидальный пучок орбит осколков от разрушения ИСЗ «Фенгюн-К» с интервалом шесть месяцев

В результате взрыва или столкновения образуется во много раз больше осколков, чем при любом другом событии в космосе. Эти осколки занимают все более расширяющийся спектр орбит, которые постепенно группируются в тороидальное облако, трансформирующееся тем стремительнее, чем больше разброс начальных векторов скоростей фрагментов. Все это можно видеть на примере разрушения китайского КА «Фенгюн-1С» (см. рис. выше).

Характерная черта засорения ОКП — постоянное возрастание вероятности столкновений и их катастрофичности даже при небольших размерах частиц мусора (из-за гигантских относительных скоростях во время столкновения). Например, алюминиевый шарик массой в 1 г, движущийся со скоростью 10 км/с, несет такую же разрушительную силу, что и 160-килограммовый сейф, летящий со скоростью 100 км/ч [Interagency Report…, 1995; Report…, 1989].

Высокая вероятность столкновения функционирующих КА с элементами КМ вынуждает конструкторов прибегать к весьма дорогостоящей защите — бронированию корпуса КА и выведению в космос значительно большей массы, чем это необходимо для выполнения целевой задачи. При этом дополнительная масса сама в конце концов становится вкладом в КМ.

Но бронирование может спасти только от столкновения с мелким КМ (<< 1 см). Что же касается крупного, то здесь никакая броня не поможет. Известны многочисленные факты потери дорогостоящих КА в результате столкновений в космосе. Например, французского CERISE, американского «Иридиум-33».

Вероятность столкновения в космосе — очень растяжимое понятие: оно имеет смысл лишь при задании эпохи, интервала времени, размеров и формы КО, параметров их орбит и т. д. Например, вероятность столкновения КО диаметром 10 м с каталогизированным КО (т. е. размером более 10 см) на высотах 800…1000 км в течение 1997 г. составляла 0,0004, а в 2000 г. — уже 0,01! На высоте 400 км эта вероятность в пять раз меньше.

Рис. 19. Распределение потока Ноко по высоте (по данным Kaman Sciences Corporation)

На рис. 19 [Orbital___, 1995] показано изменение потока каталогизированного КМ в области низких орбит в зависимости от высоты. Но при этом не учитывался некаталогизированный КМ, а наблюдения «Хэйстэка» показали, что распределение КО размером порядка 1 см аналогично распределению крупного КМ в значительной части области низких орбит. Например, на типичной для шаттла и МКС высоте 300 км поток как крупного, так и среднеразмерного КМ в 50 раз меньше, чем на 113 высоте 1000 км. Причем на этих высотах вероятность столкновения изменяется более чем в два раза, в зависимости от уровня солнечной активности.

Расшифровку всех приведенных в статье условных сокращений смотреть здесь: «Исследование ближнего космоса: условные сокращения».