Ближний космос
Околоземная среда далеко не пуста.
Помимо природного метеорного материала, плазмы солнечного ветра и космических лучей пространство над земной атмосферой содержит несколько сотен спутников и тысячи тонн космического мусора.
Космический мусор на орбите Земли состоит в основном из нефункциональных искусственных объектов, многие из которых представляют собой фрагменты спутников или ракет и остатки от запусков.
1 февраля 2003 года космический шаттл «Колумбия» трагически завершил свой 16-дневный полет при входе в атмосферу Земли.
Одним из первых вопросов, которые исследовало научное сообщество, был вопрос о том, не пострадала ли Колумбия от космического мусора.
Вокруг Земли вращается около 600 активных спутников.
Они используются для связи, дистанционного зондирования погоды, топографической съемки, национальной безопасности, навигации и поддержки научных миссий.
Эти спутники расположены лишь в нескольких орбитальных областях, в основном на полусинхронной орбите или низкой околоземной орбите (НОО) и геосинхронной орбите (ГСО).
Также именно в этих регионах находится большая часть космического мусора.
Космический мусор вокруг Земли представляет опасность не только для активных спутников, но и для космических миссий и астрономических наблюдений.
Космический мусор является основным источником светового загрязнения при широкоугольной съемке астрономических объектов.
Одной из основных проблем, связанных с космическим мусором, является его продолжительность жизни.
В отличие от метеороидов, которые либо сгорают в атмосфере Земли, либо пересекают околоземную область, чтобы продолжить свое путешествие по Солнечной системе, космический мусор потенциально может оставаться на орбите миллионы лет.
В отношении космического мусора крайне важны три вопроса: как его можно очистить, как избежать столкновения мусора с активным космическим кораблем и как свести к минимуму образование большего количества мусора.
Еще в 1970-х годах НАСА начало исследовать возможность принудительного выброса космического мусора в атмосферу Земли, где остатки, не уничтоженные при входе в атмосферу, упадут на землю.
Основная идея этого проекта, известного как «Орион», заключалась в том, чтобы сфокусировать мощный лазерный луч на отдельных фрагментах обломков, заставив их внешние слои испариться и создав тягу, которая отклонила бы их орбиты.
Исследования для проекта Орион показали, что очистка будет чрезвычайно дорогой, в основном из-за высокой мощности, необходимой для лазера, и высокой стоимости адаптивной оптики, необходимой для фокусировки энергии на небольших объектах на больших расстояниях от земли.
Эта идея все еще может служить будущему, когда технология сможет оснастить спутники мощными лазерами и позволить им «подметать».
Объекты, повторно входящие в атмосферу Земли, связаны с двумя основными рисками.
Во-первых, если они слишком велики, чтобы полностью испариться при входе в атмосферу, они могут нанести ущерб земле.
Во-вторых, если падающие обломки содержат радиоактивный материал, атмосфера или земля могут быть заражены.
В настоящее время вокруг Земли вращается около 50 ядерных устройств, несущих в общей сложности 1300 кг (1,3 тонны) радиоактивного материала.
Было по крайней мере два подтвержденных ядерных происшествия из космоса.
В 1964 году орбита американского спутника впала в атмосферу Земли, выпустив радиоактивное излучение над Индийским океаном, а в 1978 году советский спутник потерял орбиту и потерпел крушение на севере Канады, рассеивая более 30 кг (66,1 фунта) обогащенного урана.
Ядерные реакторы были очень популярны в космосе, потому что они обеспечивают большие источники энергии в очень малых и легких объемах.
Все эти устройства были построены и запущены до 1988 года, и с тех пор ядерные реакторы в составе спутников не использовались.
Поскольку плотность земной атмосферы уменьшается с высотой, объекты на НОО испытывают большее трение о воздух, чем объекты на больших высотах.
Со временем орбиты нефункциональных объектов смещаются к более низким высотам.
Значительно повторное попадание крупных предметов с поперечным сечением в один квадратный метр и более: около одного объекта возвращается ежедневно, и некоторые из них пережили тепло, создаваемое трением воздуха при повторном входе.
Два печально известных примера повторного входа обломков относятся к бакам ракеты «Дельта».
В 1997 году один из баков приземлился возле дома, недалеко от оживленной трассы в Техасе, а второй бак с ракеты «Дельта» приземлился в ЮАР недалеко от Кейптауна в 2000 году.
На сегодняшний день известно только об одном случае столкновения человека с космическим мусором: в 1997 году, женщину в г. Талсе, штат Оклахома, ударил в плечо 6-дюймовым куском металла, и, к счастью, это не привело к серьезным травмам.
И метеороиды, и космический мусор представляют серьезную опасность для космических кораблей и космонавтов.
Подавляющее большинство метеороидов представляют собой мелкие пылевые частицы с характерными размерами в десятые доли миллиметра.
Несмотря на свои небольшие размеры, из-за своих высоких скоростей, до 70 км/с, они представляют опасность в космосе.
Нынешние спутники хорошо защищены, чтобы выдерживать удары метеоритов.
Тем не менее, столкновения метеоритов с космическими кораблями могут иметь разрушительные последствия для их работы.
При столкновении метеороида он частично или полностью испаряется, что может вызвать испарение небольшого участка внешнего материала на космическом корабле.
В результате получается плазма из электронов и ионов.
Эти частицы способны индуцировать сильные электрические токи на космических кораблях, мешая их основным операциям управления.
Размеры космического мусора охватывают широкий диапазон размеров, от крошечных частиц пыли до больших неработающих ракет.
Некоторыми из основных источников космического мусора были взрывы ракет.
Предотвращение столкновений с более крупным (более 10 см.) мусором осуществляется с помощью методов отслеживания с земли либо с помощью радара, либо с помощью оптических измерений.
Метеороиды, как правило, малы, слишком малы, чтобы их можно было надежно отслеживать.
Их потенциальные столкновения с космическими аппаратами учитываются в конструкции щитов космических аппаратов, и, поскольку их невозможно отследить, их столкновения с активными космическими аппаратами можно рассматривать только статистически.
Наземные радары в основном используются для наблюдения за космическим мусором на НОО, тогда как оптические наблюдения используются для отслеживания объектов на ГСО.
Оба метода имеют свои преимущества и ограничения.
На радиолокационные измерения не влияют ни погодные условия, ни условия дня и ночи, но из-за их узкой полосы пропускания они не могут обнаруживать небольшие объекты на больших расстояниях.
Оптическое отслеживание космического мусора с помощью телескопов требует, чтобы объекты освещались солнечным светом на фоне темного неба.
На НОО объекты можно наблюдать всего несколько часов, но для объектов на ГСО этот метод можно использовать в течение всей ночи.
Несколько стран в настоящее время используют радиолокационные и оптические методы для отслеживания и составления каталогов космического мусора.
Среди них Англия, Франция, Германия, Япония, Россия, Испания и США.
Радары Haystack Auxiliary и Goldstone в Соединенных Штатах предоставили достаточно данных о количестве обломков размером менее 30 см.
Международные коллективные усилия предоставили почти 9000 каталогизированных крупных объектов.
Эти каталоги необходимы для предотвращения катастрофических столкновений с активными космическими аппаратами.
Три каталога регулярно обновляются: один спутником космического командования США, один российским космическим наблюдением, а третий — информационной системой, характеризующей объекты в космосе Европейского космического агентства (ЕКА).
Взрывы космических аппаратов считаются основным источником крупных осколков космического мусора.
Часть ракеты Pegasus взорвалась в 1996 году, через два года после ее запуска, образовав 700 фрагментов, достаточно больших, чтобы их можно было каталогизировать.
При взрыве китайской ракеты Long March 4 образовалось более 300 крупных осколков.
Во избежание столкновений с космическим мусором было выполнено как минимум три маневра спутников: европейский спутник дистанционного зондирования (ERS-1) и спутник для наблюдения за Землей (SPOT-2) в 1997 г. Национальная космическая станция (МКС) в 1999 году.
Серьезная космическая авария произошла в 1996 году, когда французский космический корабль CERISE был сбит занесенным в каталог объектом, который, как считается, был фрагментом верхней ступени ракеты Ariane.
Чтобы получить более точные данные о количестве космического мусора, в 1984 году космический шаттл «Челленджер» развернул установку НАСА для длительного воздействия (LDEF).
Его поиск был запланирован на 1986 год, но из-за потери космического челнока «Челленджер» был отложен до 1990 года, когда он был найден Колумбией.
LDEF вращался вокруг Земли почти 6 лет, предоставляя данные об околоземной космической среде, и вернулся на Землю, покрытый более чем 30 000 вмятинами.
LDEF представлял собой большой цилиндр весом более 20 000 фунтов, один из самых тяжелых объектов, запускаемых любым космическим челноком.
Он содержал 86 лотков на своей периферии, где было проведено 57 экспериментов.
Эти эксперименты были разработаны НАСА, Министерством обороны, университетами и частными компаниями и были нацелены на изучение метеороидов и космического мусора, радиационные исследования и инфракрасные видеосъемки.
Основная задача при изучении лотков на LDEF заключалась в том, чтобы провести различие между вмятинами, образовавшимися в результате ударов метеороидов, и вмятинами, образовавшимися в результате столкновений с космическим мусором, что было выполнено с помощью обширного химического анализа.
Данные, собранные LDEF, оказали большое влияние на конструкцию космических кораблей после 1990 года.
Большинство конструктивных изменений касалось замены материалов, которые портятся в космосе, таких как тефлон, каптон, майлар и полимерные пленки.
Например, конструкция радиатора Международной космической станции была заменена с тефлона на керамическую краску.
В целом, керамические материалы лучше переносят эрозию из-за бомбардировки атомарным кислородом и УФ-излучением.
Одним из специфических видов потенциального космического мусора являются тросы.
Привязи — это цепи или веревки, которые соединяют астронавтов с космическим кораблем во время работы в космосе.
Они также используются в качестве связующих звеньев между компонентами космических аппаратов.
Привязи являются потенциальным источником мусора, если их сбросить с космического корабля, но они также могут помочь уменьшить количество космического мусора.
Когда трос пересекает силовые линии магнитного поля Земли, он становится электрическим генератором.
Этот источник энергии можно использовать не только для развертывания космических аппаратов, но и для создания необходимой тяги для снижения высоты нефункционирующих объектов.
НАСА разработало уникальный эксперимент для будущего использования тросов в космосе, Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS), тонкий провод длиной 5 км, соединенный с 10-километровой непроводящей веревкой.
Запуск ProSEDS был запланирован на 2003 г.
Все эффективные процедуры очистки от космического мусора все еще находятся на экспериментальной стадии, хотя были достигнуты большие успехи в замедлении роста космического мусора с течением времени.
Космические корабли теперь покрыты более стойкими красками, а их защитное покрытие гораздо меньше подвержено эрозии под действием мелких метеоритов, бомбардировки частицами и УФ-излучения.
Новые спутники становятся все меньше.
Это также снижает вероятность образования большего количества космического мусора, потому что чем меньше объект, тем ниже вероятность столкновения.