ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ОСВОЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.
Егоров Владимир Евгеньевич, студент 1 курса Радиотехнического отделения
Научный руководитель: Татарникова Людмила Николаевна, высшей категории
Освоение космического пространства является беспрецедентно дальновидным и прагматичным направлением развития современной науки и техники, которое влечёт за собой ряд, как и положительных, так и отрицательных последствий. К отрицательным последствиям в первую очередь относятся экологические. Большое количество углекислого газа, а также продукты сгорания зачастую ядовитых топлив, является только вершиной пирамиды экологических последствий запуска космических аппаратов, в основании которой, скапливающийся с каждым последующим запуском, на орбите земли, космический мусор.
Ключевые слова…………………………………………
ECOLOGICAL CONSEQUENCES OF SPACE EXPLORATION.
Egorov Vladimir Evgenievich, 1st year student of Radio engineering Department
Scientific adviser: Lyudmila Nikolaevna Tatarnikova, …………………..
The exploration of outer space is an unprecedented, far-sighted and pragmatic direction in the development of modern science and technology, which entails a number of both positive and negative consequences. The negative consequences are primarily environmental. A large amount of carbon dioxide, as well as the combustion products of often poisonous fuels, is only the top of the pyramid of environmental consequences of the launch of spacecraft, at the base of which, accumulating with each subsequent launch, in the orbit of the earth, space debris.
Ключевые слова………………………..............................
Ежегодно с поверхности нашей планеты в космос отправляются десятки космических кораблей. За 1957-2014гг. в космос было запущено 5424 ракеты, из них 347 до орбиты не долетели. Стартовая масса запущенных ракет-1777537 тонн, недолетевших-88914 тонн. За все это время на орбите скопилось огромнейшее количество космического мусора. На сегодняшний день зарегистрировано около 29000 космических объектов искусственного происхождения размером более 10 см, за которыми возможно слежение с помощью современных наземных средств. Это отработавшие верхние ступени ракета-носителей, разгонные блоки, выработавшие свой ресурс спутники, в том числе отделившиеся от них в космосе элементы конструкции типа переходников, крышек, пружинных толкателей, пироболтов и прочего. Общая масса обломков в околоземном пространстве оценивается в 6300 тонн, скорость их полёта может достигать 56 000 км/час. Европейское Космическое Агентство установило, что вокруг Земли сейчас вращается:
• около 29 000 обломков размером более 10 см,
• около 670 000 обломков от 1 до 10 см,
• более 170 млн обломков от 1 мм до 1 см.
За последние 50 лет было запущено около 6600 спутников, из них 3600 по-прежнему вращаются вокруг Земли, а 1000 находится в активном режиме.
На сколько же опасен космический мусор? На самом деле, околоземное пространство, на данный момент, не представляет собой свалку огромнейшего количества космического мусора, куски которого находятся близко друг к другу. На самом деле космический мусор очень сильно рассредоточен по огромнейшей площади орбиты Земли. Поэтому вероятность повреждения космическим мусором спутников, пилотируемых кораблей и МКС весьма мала. Однако, для того, чтобы минимизировать вероятность столкновения весьма недешёвых космических аппаратов и станций, иногда их приходится переводить на более высокие орбиты, так в 2012 году МКС была переведена на более высокую орбиту для предотвращения ее столкновения с обломками японского спутника. Инженеры предусмотрели немало средств защиты (МКС считается "наиболее защищённым космическим аппаратом в истории"). Однако скорость полёта и растущее количество обломков представляют всё большую угрозу. Если пустить ситуацию на самотек, то с каждым годом количество космического мусора на орбите земли будет увеличиваться, следовательно, вероятность повреждения космических аппаратов будет расти, что может привести к катастрофе обще планетного масштаба (см.рис.1).
Рис.1 
Современные компании предлагают много способов решения данной проблемы, о более прагматичных и реальных мы и поговорим.
Направлений решения проблемы две.
Первая, это создание кораблей многоразового использования, для того, чтобы не увеличивать количество мусора на орбите нашей планеты в виде отработавших ступеней ракет-носителей.
Вторая, и самая спорная в отношении реальности реализации, это создание специальных роботов-спутников, которые будут отлавливать куски космического мусора на орбите нашей планеты, и направлять их, для сжигания, в твёрдые слои атмосферы или как-то их перерабатывать во что-то полезное.
Рассмотрим эти пути решения проблемы по подробнее.
Концепция космических кораблей многоразового использования давно не нова, ещё в 70х годах 20го века 2 мировые сверхдержавы (СССР И США) начали задумываться о создании космических кораблей многоразового использования, апогеей развития этой темы стали космические корабли Spase Shuttle (космический челнок) и не заслуженно похороненный Энергия-Буран (см.рис.2). Однако их многоразовость ограничивалась возвращающимся летательным аппаратом (напоминающим сверхзвуковой самолёт или звездолёт из фантастических фильмов). Этот летательный аппарат мог, как и вывести на орбиту спутник, так и забрать с орбиты отработавшие свой ресурс спутники, а также и другой, движущийся с не большой скоростью, космический мусор. Однако эксплуатация таких кораблей была очень дорога. 
Рис.2
С 1981го года (год первого запуска Spase Shuttle) по 2011й год (год последнего запуска Spase Shuttle) было выполнено 134 успешных запусков (был и 1не успешный), в процессе которых, с помощью космических челноков на орбиту было выведено большое количество спутников и иных космических аппаратов.
15 ноября 1988 года состоялся первый и последний полет Советского многоразового орбитального корабля "Буран". Впервые в истории "челнок" успешно приземлился в автоматическом режиме ("Шаттлы" сажают исключительно вручную). Полет продолжался 205 минут, "Буран" совершил два витка вокруг Земли. Беспилотный полет "Бурана" занесен в Книгу рекордов Гиннеса. Для транспортировки "Бурана" был создан самый большой в мире грузовой самолет АН-225 «Мрiя» (см. рис 3), который и по сей день выполняет коммерческие грузовые перелеты. 
Рис.3
Так же и в СССР, и в США до программ Энергия Буран и Spase Shuttle разрабатывались «космические корабли», похожие на сверхзвуковые самолёты (опять же для военных целей)-ракетопланы (в СССР программа называлась «спираль» (см.рис.4)) которые поднимались на большие высоты самолётом-носителем, после чего отстыковывались от него, включались ракетные двигатели и на сверхзуковых, а то и гиперзвуковых, скоростях ракетопланы выходили в космическое пространство, после чего возвращались на землю. Однако от самолёта-носителя в последствии отказались в пользу ракета-носителя.
Рис.4
В 21 веке инициативу на создание космических кораблей многоразового использования взяли на себя ниши коллеги из США, вместе с компанией SpaceX (Space Exploration Technologies Corporation). Специалисты из SpaceX активно разрабатывают ракета-носители, первые ступени которых возвращяются на землю и после капитального ремонта сново запускаются в космос (см.рис.5). Конечно, SpaceX разработкой такого вида ракета-носителей в первую очередь занимаются для удешевления запусков, ведь использовать первые ступени несколько раз выгоднее, нежели изготавливать новые. Так же компания SpaceX в ближайшем будущем планирует возвращять на землю и головные обтекатели ракет-носителей, опять же с экономической точки зрения. Однако «возвратность» и «невозвратность» ракет-носителей очень сильно влияет на их грузоподъемость. На пример ракета-носитель falcon 9 ft в «невозвратном» варианте может вывести на низкую опорную орбиту 22.8т, а на геопереходную орбиту 8.3т. полезного груза. А в «возвратном» варианте та же ракета-носитель может вывести на низкую опорную орбиту 9.6т, а на геопереходную орбиту 5.3т. полезного груза.
Разумеется, возвращение первых ступеней ракет-носителей на землю ни коем образом проблему с увеличением космического мусора на орбите земли не решит. Ведь первые ступени ракет-носителей и так и так падают на землю.
Но будем надееться, что в обозримом будующем появятся ракета-носители, которые, после вывода спутника в космос, целиком смогут возвращаться на землю, а выведенные ими спутники можно будет забирать обратно, на землю, такими же ракета-носителями. Но концепция таких ракет врядли будет схожа с теми ракета-носителями, которые производятся и эксплуатируются в наши дни.
Рис.5
Идея создания роботов-уборщиков, которые будут летать по орбите земли и «собирать» космический мусор относительно нова. Она появилась тогда, когда человечество начало осозновать, что космический мусор становится большой проблемой, с которой необходимо бороться. Разработкой подобных роботов занимается много стран.
Не отстает в этом направлении и Россия. «Российские космические системы» (РКС) ведут разработку космического комплекса, способного не только захватывать на орбите Земли вышедшие из строя спутники (по подсчетам их около 5000) и другие крупные объекты космического мусора, но и перерабатывать их в топливо для своей подпитки (см. рис.6).
Специальная система тросов позволит космическому уборщику захватывать и притягивать объекты (на высоте от 500 до 700 километров над поверхностью планеты) и направлять их в двухвалковый измельчитель. Далее в дело вступать барабанно-шаровая мельница, в которой мусор будет перерабатываться до состояния мелкодисперсного порошка.
Перетертый внутри измельчителя космический аппарат затем будет смешиваться с кислородом и водородом и превращаться в топливо. Топливо будет использоваться в двигателях комплекса для маневров и перелета к следующему отработавшему спутнику или другому фрагменту космического мусора. Бортовой компьютер и роботизированные системы управления аппаратом РКС будут питаться от солнечных батарей.
На данный момент проект ожидает получения патента. Заявка на внутренний вид комплекса была подана в 2018 году, на внешний — в 2019. По оценкам специалистов, стоимость создания аппарата составит около 7,5 миллиарда рублей.
Рис. 6
Конечно, практическая реализация такого проекта очень сложна, и вероятность того, что проект будет реализован, весьма мала. Ведь металлической сетью ловить обломки спутников, и другого космического мусора, которые летают по орбите земли зачастую с огромнейшими скоростями, идея весьма спорная. И измельчать их в космических условиях будет очень проблематично, ведь памимо пластмесс в спутниках есть и стекло, и металлы, и кампозиционные материалы, которые перемолоть в состояние песка, пожалуй, не возможно.
С другой стороны, спутник, отработавший свой ресурс, в космосе вещь не нужная, а на земле весьма ценная и дорогая. Ведь в спутниках часто применяются драгоценные и редкоземельные металлы, которых на земле с каждым годом все меньше и меньше. В связи с этим «молотить» этот огромный экономический ресурс в бесполезный песок-есть идея не прагматичная и с экономической точки зрения.
Похожие, или такие же, проекты разрабатываются и в США и в Китае. Выдвигаются идеи создания роботов-уборщиков, которые будут «ловить» космический мусор, и направлять его в верхние слои атмосферы для сжигания, проектов этих огромнейшее количество и описывать каждый безсмысленно. Опять же эти проекты не предпологают возвращения спутников на землю, а это опять же не прагматично.
Я считаю, что у современных проектов, которые не предпологают возвращения спутников, и иного космического мусора, на землю будущего нет.
Я считаю, что экологичная космонавтика нового поколения должна опираться на такой принцип:
1- Самолет-носитель, вместе с космическим кораблем, на подобии «Бурана», в котором находятся спутники* «нового поноления», взлетает с земли, набирает высоту и скорость.
2- Космический корабль взлетает с самолета-носителя, который уже сообщил ему определенную скорость, и поднял его на определенную высоту.
3- Самолет-носитель приземляется.
4- Космический корабль выходит на запланированную орбиту.
5- Космический корабль «выгружает» спутники.
6- Спутники стыкуются друг с другом.
7- Космический корабль приземляется на Землю.
8- Спутники нарабатывают свой ресурс.
9- Тот же самолет-носитель,с тем же космическим кораблем но с новыми спутниками взлетает с земли, набирает высоту и скорость.
10- Выполняются пункты 2-3-4-5-6.
11- Космический корабль «загружает» в себя старые, выработавшие свой ресурс, спутники.
12- Космический корабль возвращается на землю.
13- Спутники с космического корабля выгружаются.
14- Процес повторяется.
*Спутники «нового поколения» должны будут иметь стыковочные устройства унифицированного, международного, стандарта. При момощи которых они будут соединятся в одно целое, как звенья оброзовывать своеобразную «цепочку» спутников. Соединение спутников в «цепочки» имеет много преймуществ. Во первых, соединенные между собой спутники не будут разлетаться на большие рассояния друг от друга, во вторых в такой конфигурации за ними будет проще следить с земли, в третьих, после выработки их ресурса, их будет проще «поймать», для дальнейшего возвращения на землю. В принципе преймуществ такой канфигурации спутников много, но есть и недостатики.
При развитии космонавтики по предложенному мной сценарию на Землю будет возвращаться все то, что когда-то с нее улетело-это, как я считаю, самое главное. Ведь ресурсы Земли, используемые человеком для создания космических аппаратов-исчерпаемы, и до «бесконечности» отправлять с земли в космос то, чего на земле с каждым годом все меньше и меньше-невозможно.
Современная наука и техника уже давно способна изготовить и самолет-носитель, и космический корабль, и стыковочное устройство.
Разумеется, космонавтика «по моему сценарию» будет очень дорога, и в капиталистическом обществе, где самое главное- деньги и время, в обозримом будущем, явно не приживется. Ведь куда проще и дешевле в одну сторону запустить десяток проверенных временем ракет со спутниками, нежели тратить деньги и время на разработку совершенно новой космической техники, которая к тому же, вероятно, будет не конкурентноспособна старым образцам.
Похожая участь постигла сверхзвуковые пасажирские самолеты Concorde и ТУ-144, после их изготовления оказалось, что «перевозить» относительно маленькое количество пассажиров, но на сверхзвуковых скоростях не выгодно, а выгодно «перевозить» большое количество пасажиров,но на «меленьких» скоростях. Таким образом несколько десятков самолетов, на долго опередивших время, в которое были изготовлены, отправились в музеи, не успея полетать. А в месте с ними в прошлое ушла и вся гражданская сверхзвуковая авиация.
Но может быть, когда-нибудь, появятся энтузиасты,поддерживаемые какой нибудь крупной финансовой компанией, которые вдохнут жизнь в эту идею.
Я считаю что предложенный мной сценарий развития космонавтики очень прагматичен и с экологической и с экономической точки зрения.