Концентрация мусора
Самая большая концентрация мусора приходится на самые заселенные высоты – от 900 до 1500 км. Даже если прекратить новые запуски спутников, то примерно с 2055 года количество вновь образующихся объектов мусора начнет превышать его убыль (так называемое «самоочищение»).
Второй пояс мусора располагается в области орбит на высоте 32 000 – 40 000 км от поверхности Земли, здесь около 25% КМ (приложение 1).
На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты. Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.
9.Опасность космического мусора
В первую очередь от космического мусора страдают объекты, находящиеся на орбите. В июле 1983 года чешуйка краски размером менее миллиметра попала в иллюминатор американского челнока "Челленджер" и проделала в нем кратер диаметром 2,4 мм и примерно такой же глубины. После посадки корабля едва не треснувшее стекло пришлось заменить.
Опасность КМ заключается ещё и в том, что после старта ракеты топливные баки опустошаются и отделяются от корпуса ракеты, после чего осколками выпадают на землю. Если старт ракеты не удался, и она вместе со спутником взрывается - последствия куда более плачевны: миллионы маленьких осколков ракеты и спутника выпадают космическим дождем на землю.
7 сентября 2007 года российская ракета "Протон-М" взорвалась вместе с японским спутником на борту через 2 минуты после старта. Осколки космических кораблей обрушились недалеко от казахского города Джезказган. В паре метров от дома пастуха Бориса Урматова упал 3,5-метровый кусок топливного бака (Байконур находится в 1600 км!).
20 февраля 2008 г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник – шпион, имевший в баках около 400 кг ядовитого гидразина. Спутник потерял управление и возникла угроза его падения на Землю, место падения определить не представлялось возможным.
12 марта 2009 г. космический мусор заставил экипаж МКС укрыться в корабле «Союз», который выполняет роль спасательной капсулы. Предупреждение о приближении фрагмента «космического мусора» к МКС поступило слишком поздно для того, чтобы совершить маневр отклонения. Поэтому космонавты временно покинули станцию. В «Союзе» экипаж провел 10 минут, а затем вернулся на борт МКС, сейчас он возобновил свою нормальную работу, сообщает BBC, ссылаясь на агентство НАСА. По предположениям, космонавтам угрожали обломки старого маршевого двигателя.
Расчет силы соударения мелкой фракции КМ с действующим космическим аппаратом.
Чтобы представить, какую опасность представляет мусор для космических кораблей и их пилотов, приведем такие данные. Бронебойная пуля без взрывчатки имеет диаметр 1,2 сантиметра и длину 10 сантиметров и движется со скоростью до 1,5 километров в секунду. Аналогичные по размерам орбитальные частицы искусственного происхождения могут столкнуться со станцией на скорости до 15 километров в секунду, и это учитывая, что ее обшивка отнюдь не бронированная.
Исходные данные:
1) массу КА принимаем равной 50 т;
2) число фрагментов космического мусора от 60 000 до 100 000.
Расчет: используя формулы второго закона Ньютона и формулу ускорения получаем значения силы соударения в диапазоне от 50 000 до 83 000 Н!!! (приложение 4).
При скорости 10 км/с частица диаметром 0,5 мм пробивает многослойный скафандр!
Осколки на такой скорости прошивают алюминиевые листы в 10 раз толще их диаметра!
Но самое главное - почти невидимый рукотворный метеорит выбивает из мишени целое "облако" частиц, в 200 - 300 раз превышающее его по массе!
Некоторая статистика столкновений космических аппаратов с мусором.
При столкновении спутника с мусором часто образуется новый мусор (так называемый синдром Кесслера – образование нового мусора при столкновении КА с КМ), что в будущем может привести к неконтролируемому росту засорённости космоса. Вот лишь некоторые зафиксированные данные:
1) 1983 г. песчинка (менее 1мм в диаметре) оставила серьезную трещину на иллюминаторе шаттла Endeavour;
2) в 1996 г. на высоте около 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты Arian.
3) в 2001 г. МКС едва не столкнулась с семикилограммовым прибором, утерянным американскими астронавтами;
4) в октябре 2007 г. солнечная батарея станции «Мир» получила значительные повреждения от КМ.
11.Важнейшие события, повысившими засоренность космоса.
11 января 2007г. на высоте 865 км китайская ракета уничтожила отработавший свой срок китайский спутник «Фэнъюнь», столкнувшись с ним встречным курсом. В результате появилось более 2000 новых обломков размером в несколько сантиметров и более, то есть, засорённость космоса поднялась сразу на 22 %.
20 февраля 2008г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник-шпион, имеющий в баках около 400 кг ядовитого гидразина (а также из-за опасности рассекречивания). Из-за небольшой высоты большинство осколков, скорее всего, относительно быстро войдёт в атмосферу.
Спутник Iridium - аппарат коммерческой связи, запущен в 1997 году. Космический аппарат "Космос-2251" - аппарат военного назначения, запущен в 1993 году, с 1995 года этот космический аппарат выведен из состава российской орбитальной группировки и до настоящего времени не использовался.
10 февраля 2010 г. на высоте около 790 километров над северной частью Сибири зафиксирован первый случай столкновения двух искусственных спутников в космосе. Спутник связи «Космос-2251», запущенный в 1993 году и выведенный из употребления, столкнулся с коммерческим спутником американской компании спутниковой связи «Iridium 33». В результате столкновения образовалось около 600 обломков, большая часть которых останется на прежней орбите.
12. Методы борьбы с космическим мусором
1. Международные стандарты:
- «Общесистемный стандарт по предупреждению образования космического мусора»;
- «Увод космических аппаратов с геостационарной орбиты (ГСО) по завершении эксплуатации».
2. Лицензирование деятельности национальных и международных организаций.
3. Отслеживание и картографирование КМ.
4. Очищающий эффект атмосферы Земли (если высота орбиты не выше 600 км)
5. Сеть оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений космического мусора, которая объединяет 18 обсерваторий, 25 телескопов, в работе участвует более 50 наблюдателей и исследователей.
6. Сбор обломков КА при помощи американских шаттлов
7. Сжигание КМ лазером
8. Заменить многоступенчатые ракеты многоразовыми системами
Заключение
Эффективных способов уничтожения космического мусора на данный момент не существует. Пока они не появились, необходимо предотвращать дальнейшее загрязнение космоса. Иначе процесс загрязнения космоса станет необратимым и путь в космос человечеству будет закрыт на несколько сотен лет!!!
Именно поэтому международное сотрудничество по проблемам космического мусора находит свое развитие в следующих направлениях:
- экологический мониторинг околоземного пространства, в том числе и в районе геостационарной орбиты;
- прогноз засоренности околоземного пространства способом математического моделирования космического мусора;
- разработка методов защиты космических устройств от влияния частиц космического мусора;
- разработка, изучение и последующее внедрение мероприятий, которые направлены на снижение засоренности космического пространства.
Например, вооруженные силы США уже делают успехи во исполнении своих планов по превращению космического мусора в новые работающие спутники. Некоторое количество машиностроительных компаний заключили контракты с DARPA - агентством по перспективным научно-исследовательским разработкам в США.
Британские ученые также обеспокоены проблемой засорения околоземного пространства Земли, («Биржевой лидер», 03.10.2012). Они предлагают новую идею борьбы с космическим мусором, заключающуюся в сборке мусора специальным аппаратом, так называемым «космическим гарпуном», затем перемещать этот мусор в более низкие слои атмосферы, где он теоретически будет сгорать. Другие проекты по борьбе с мусором в космических просторах предполагают собирать его на орбите с помощью специальной сети.
Выше шла речь только о том "небесном мусоре", который образовался по вине человека, осваивающего космическое пространство. Но есть еще и "мусор", который допустила сама природа, - осколки естественно разрушившихся планет и других космических тел, несущихся в межпланетном пространстве. Считается, что не менее половины спутников, запущенных к Марсу, с большой долей вероятности, были погублены именно метеорными потоками.
Но все же человечество постепенно приходит к пониманию того, что сорить в космосе надо как можно меньше. Например, если на "Мире" экипаж складывал отходы в контейнер и периодически выбрасывал его в открытый космос, то на Международной космической станции все отходы убирают в грузовой корабль "Прогресс", который затем отстыковывается, и вместе с мусором бесследно сгорает в верхних слоях атмосферы.
С другой стороны, свалки отходов - самый характерный признак существования высокоразвитого общества. Об этом лучше всех знают археологи, раскапывающие останки исчезнувших цивилизаций. Возможно, что инопланетяне когда-нибудь найдут человечество по куче мусора космических масштабов.
Литература:
1. Акшинин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов//издательство Москва,1983 №4-64;
2. Федоров Е.К. Экологический кризис и социальный прогресс// Л.: Гидрометеоиздат,1977.-176с.;
Статьи из журналов и сборников:
3. Становление физики невесомости // Осипьян Ю., Регель Л. // Правда,1986-64с.;
4. Экологические перспективы и космонавтика/ А.Д.Урсул //Земля и вселенная.-1976.-№2.-с.32;
5. Ракеты – носители США А.К.Ивашкевич //Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.32;
6. Космический мусор «Магеллан», «Фридом» // Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.37;
7. Проблема космического мусора Л.В. Рыхлова // Земля и Вселенная.-1993 №6.-с.36.
Электронные публикации в Интернете:
8. Кричевский С.В., Черкасова М.В. Программа Международного Социально – экономического союза «За экономическую безопасность ракетно – космической деятельности» [Электрон. ресурс]-24 апреля 2000.- Режим доступа: https://www.ecoline.ru/books/raket/18.htm;
9. Прохоров Герман «Прогресс – М55» привез на МКС новогодние подарки [Электрон. ресурс]-12 февраля 2000.- Режим доступа: https://www.gazeta.ru /2005/12/24/last82962.shtml;
Приложение 1
Концентрация мусора
Первый пояс мусора
Высота: 300 – 2000 км от поверхности Земли
Количество космического мусора: 70%
Масса мусора: около 500 т технических объектов
Число объектов мусора поперечником не более 1 см (по статистическим оценкам): от 60 000 до 100 000. Из них:
а) 10% обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами;
б) только около 6 % отслеживаемых объектов — действующие;
в) около 22 % объектов прекратили функционирование;
г) 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей;
д) около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.
5. Средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с
Второй пояс мусора
Высота: 32 000 - 40000 км от поверхности Земли
На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты.
Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.
Приложение 2
Общий состав космического мусора
По данным РАН, около 85% космического мусора приходится на долю крупных частей ракет и разгонных блоков, с помощью которых искусственные спутники Земли выводятся на орбиту, а также самих отработанных спутников
Еще 12% мусора – это элементы конструкции, отделяющиеся в процессе запуска спутников и их эксплуатации.
Все остальное, около 3% – мелкие фракции и осколки, возникшие в результате их соударения
Состав космического мусора ракетного происхождения
Приложение 3
Виды орбит и их использование
Приложение 4
Расчет силы соударения мелкой фракции космического мусора с космическим аппаратом
Исходные данные:
M = 500 т = 500 000 кг
N (число фрагментов): N1 = 60 000, N2 =100 000
Время соударения принять равным 1 с
Формулы:
Второй закон Ньютона F = m· a
Ускорение
Сила соударения в пределах от 50 000 до 83 000 Н