Орбита нашей планеты всё больше напоминает оживлённую магистраль в час пик. Действующие аппараты, отработавшие своё спутники, обломки ступеней и прочие объекты скопились в таком количестве, что уже мешают астрономическим наблюдениям с Земли. Если прибавить к этому амбициозные планы по запуску сотен тысяч новых аппаратов в ближайшие годы, становится очевидно: проблема космического мусора перестала быть теоретической. Однако никакие, даже самые продвинутые технологии очистки орбит не отменяют простого инженерного принципа — топливо в баке спутника должно быть рассчитано так, чтобы аппарат мог корректно завершить свою миссию и покинуть рабочую зону. Российская космическая программа предлагает собственные подходы к решению этой задачи, и о них стоит поговорить подробнее.
Ситуация, когда бак спутника пуст, а сам он продолжает вращаться вокруг Земли, может длиться годами и десятилетиями. Топливо аппарату нужно вовсе не для поддержания полёта как такового, а для манёвров — корректировки положения, изменения высоты, уклонения от столкновений. Когда горючее заканчивается, спутник превращается в неуправляемый объект, и дальнейшая его судьба целиком определяется законами небесной механики и параметрами орбиты.
Природа орбитального движения: вечное падение мимо Земли
Суть движения спутника вокруг планеты можно описать одним парадоксальным образом: аппарат непрерывно падает на Землю, но из-за огромной горизонтальной скорости постоянно промахивается. Гравитационное притяжение тянет объект вниз, а инерция движения вперёд не позволяет ему достичь поверхности. На высотах порядка двухсот-четырёхсот километров необходимая для этого скорость составляет около 7,8 километра в секунду — почти двадцать восемь тысяч километров в час. Для такого «вечного падения» двигатель действительно не требуется: спутник движется по инерции, а сопротивление среды на этих высотах минимально, хотя и не равно нулю.
Мне нередко приходилось слышать вопрос: если спутник и так летает без двигателя, зачем ему вообще топливо? Ответ кроется в слове «управление». Двигательная установка позволяет аппарату менять свою траекторию — подниматься выше, опускаться ниже, разворачиваться нужной стороной к Земле или Солнцу, а также оперативно уклоняться от опасных сближений с другими объектами. После исчерпания топлива эти возможности исчезают полностью. Электронные системы при этом могут продолжать функционировать: солнечные панели вырабатывают энергию, а ориентацию частично поддерживают маховики или магнитные катушки. Но полноценно «рулить» в пространстве аппарат больше не способен.
Ключевой фактор — высота орбиты
Дальнейшая судьба спутника с пустым баком определяется прежде всего тем, на какой высоте он находится. Разница между низкой околоземной и геостационарной орбитами здесь принципиальна.
На низких орбитах, в диапазоне нескольких сотен километров, ещё присутствуют разреженные следы атмосферы. Плотность её ничтожна, однако даже такое сопротивление постепенно отнимает у аппарата энергию. Орбита медленно снижается, и рано или поздно спутник входит в плотные слои атмосферы, где разогревается до температур, разрушающих конструкцию. Процесс от момента потери топлива до полного сгорания может занимать от нескольких месяцев до десятков лет. На скорость деградации орбиты влияют масса и форма аппарата, исходная высота, а также солнечная активность: разогретая Солнцем атмосфера «раздувается», усиливая торможение. В отдельных случаях особо термостойкие фрагменты долетали до поверхности планеты, но это скорее исключение, чем правило.
Геостационарная орбита высотой около 35 786 километров — совсем другая история. Атмосферы там практически нет, поэтому спутник может оставаться в космосе неопределённо долго. Но без топлива он перестаёт удерживаться в назначенной точке стояния и начинает дрейфовать. Такой неуправляемый дрейф представляет серьёзную угрозу для работающих аппаратов на соседних орбитах: столкновение на таких скоростях может породить целое облако новых обломков.
Правильная утилизация: запас топлива решает всё
Опыт подсказывает: ждать полного опустошения бака ни в коем случае нельзя. Если топливо закончится, безопасно увести спутник с рабочей орбиты уже не получится. Поэтому операторы планируют завершение миссии заранее, оставляя в баках необходимый резерв. Объём этого резерва напрямую зависит от типа орбиты.
Аппаратам на низких орбитах достаточно сравнительно небольшого количества топлива, чтобы выполнить финальный манёвр и ускорить вход в атмосферу. В идеальном сценарии падение рассчитывается так, чтобы несгоревшие обломки упали в безлюдный район океана. Для геостационарных спутников схема иная: их переводят на орбиту захоронения, расположенную на несколько сотен километров выше рабочей зоны. Там отработавшие аппараты не создают помех действующим. Такой манёвр требует существенно большего запаса топлива, чем в случае с низкоорбитальными спутниками.
Интересный момент — процедура пассивации после вывода на орбиту захоронения. Оператор сливает остатки топлива, стравливает давление в баках, отключает или разряжает аккумуляторы. Это делается для того, чтобы спутник случайно не взорвался и не превратился в облако опасных фрагментов. Если же аппарат потерял способность маневрировать раньше запланированного срока, он может десятилетиями оставаться «миной замедленного действия», и другим операторам приходится учитывать его положение при планировании траекторий.
Российские подходы к очистке орбит
В России над проблемой космического мусора работают сразу несколько организаций — от государственных структур до частных космических компаний. Комплексный подход включает и наблюдение, и предотвращение засорения орбит, и разработку технологий активного удаления обломков.
Первый уровень — мониторинг. За отслеживанием объектов в околоземном пространстве в нашей стране отвечает Роскосмос. По его инициативе был одобрен федеральный проект «Млечный путь», цель которого — создание системы наблюдения за космическим мусором с использованием наземных и орбитальных средств, включая оптические и радиолокационные комплексы. Кроме того, действует Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС), которая отслеживает объекты и помогает заранее выявлять риски столкновений.
После обнаружения опасного объекта дальнейшие действия зависят от орбиты. Для навигационных спутников ГЛОНАСС существуют специально рассчитанные орбиты захоронения, куда аппараты переводятся после завершения работы. Отечественные учёные подобрали такие параметры, при которых отработавшие спутники не будут мешать рабочим орбитам в течение очень долгого времени — порядка ста семидесяти лет.
Иллюстрация, показывающая концепцию орбитального движения и проблему накопления объектов в околоземном пространстве.
Отдельного внимания заслуживает разработка многоразового спутника-сборщика космического мусора. Этот аппарат использует модульную систему и сетку, способную выдерживать сверхвысокие температуры, для захвата обломков. Один из его модулей может возвращаться на Землю для технического обслуживания, а собранный мусор сгорает в атмосфере. Ключевое преимущество — многоразовость: большинство существующих зарубежных аналогов рассчитаны на однократное применение.
Учёные Самарского университета предложили схему захвата крупных объектов, таких как многотонные отработавшие ступени ракет, с помощью гарпуна. После захвата предполагается буксировка «улова» в плотные слои атмосферы, где он безопасно сгорит. Без подобных мер через несколько десятилетий эти ступени могут начать бесконтрольно падать на Землю, создавая угрозу для людей и инфраструктуры.
Есть и более амбициозные проекты, которые пока существуют только на бумаге. В РКК «Энергия» прорабатывается концепция космического аппарата с ядерной энергоустановкой для утилизации мусора. Рассматриваются также ионные «пушки» и другие методы, позволяющие мягко сталкивать обломки с орбиты, не создавая новых фрагментов. Все эти идеи объединяет общий принцип: воздействие должно быть контролируемым и не порождать дополнительный мусор.
Реальность, с которой нужно считаться
Космические пробки на околоземной орбите — это уже не сценарий фантастического фильма, а повседневная реальность для операторов спутниковых систем. К счастью, страны с развитой космической программой, включая Россию, располагают передовыми методами решения этой проблемы. Существенным условием при выводе спутника из эксплуатации и удалении космического мусора остаётся высота орбиты: именно она определяет и необходимый запас топлива, и способ утилизации, и потенциальную опасность неуправляемого аппарата для других объектов. Чем ответственнее мы подойдём к планированию завершения миссий сегодня, тем чище и безопаснее будет орбита для будущих поколений космических аппаратов.