Чем защитить орбитальные аппараты от космического мусора

В Институте физической химии и электрохимии РАН проведены эксперименты по созданию энергетических композитов — материалов, проявляющих значительную механохимическую активность в условиях высокоскоростных деформаций. Эксперименты показали, что в составе дискретного защитного экрана эти материалы значительно увеличивают эффективность защиты космического аппарата от сверхмелких метеороидов.

Освоение космического пространства началось 4 октября 1957 года, когда на орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли. За 65 лет было сделано более 15 тыс. запусков.

Космическая свалка

Тогда же, 65 лет назад, началось и захламление космического пространства техногенным мусором: это и оставшиеся на орбите ракеты-носители, и нефункционирующие спутники, и обломки разрушенных космических аппаратов. В 2019 году, выступая на конференции «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы» в Институте космических исследований РАН, научный руководитель Института астрономии РАН, член-корреспондент РАН Борис Шустов сказал, что проблема космического мусора рассматривается в настоящее время как основной вид космической опасности.

При угрозе столкновения с крупным объектом орбитальные аппараты выполняют маневр уклонения. При маневрировании неизбежно расходуется топливо, что уменьшает срок службы космического аппарата. Кроме того, маневрирование меняет орбиту аппарата, может привести к существенному изменению его полетной программы и осложняет управление. Но это лучше, чем потерять аппарат.

Как правило, наблюдение и обсуждение посвящено крупным объектам, но главную опасность для космических полетов представляют мелкие. Частицы космического мусора размером от 1 мм до 1 см слишком малы, чтобы можно было заблаговременно их обнаружить и уступить им дорогу. Однако столкновение с такой частицей на относительной скорости 7–13 км/c в состоянии уничтожить аппарат или в лучшем случае повредить внешние выносные устройства (солнечные панели, телескопы, антенны), то есть также сделать его непригодным к использованию.

Источники космического мусора

«По данным ГК “Роскосмос” современная частота разрушений космических аппаратов составляет не менее одного случая в год»,— сообщил Борис Шустов. Уже присутствующие на орбитах частицы космического мусора сталкиваются друг с другом и дробятся на все более мелкие осколки. Эти столкновения — основной источник мелкого космического мусора.

Например, 10 февраля 2009 года на орбите столкнулись недействующая российская станция «Космос-2251» и действующая американская станция «Иридиум-33». После их разрушения удалось зафиксировать 1800 крупных обломков, из них два — размером больше 1 м. Мелкие обломки не поддаются ни наблюдению, ни точному подсчету. Предполагается, что в размерном классе от 1 до 2,5 мм их было более 6 млн.

В августе 2018 года произошел взрыв второй ступени американской ракеты-носителя ATLAS V, которая двигалась по высокоэллиптической орбите. Удалось обнаружить и рассчитать орбиты 581 осколка; следовательно, число опасных каталогизированных объектов на геопереходных орбитах в результате этого взрыва увеличилось на 25%. Можно только предполагать, как увеличилось количество некаталогизированных мелких объектов, облако которых вытянулось вдоль траектории разрушенной ракеты.

28 февраля 2018 года на геостанционарной орбите разрушилась верхняя ступень американской ракеты-носителя Titan IIIC, которая была запущена в 1969 году. Объект, 50 лет вращавшийся по орбите, вдруг по неизвестной причине распался на части. Зафиксировано 183 крупных обломка.

Проблема разрушения объектов на геостанционарных орбитах особенно актуальна по двум причинам. Во-первых, если не принимать в расчет космические катаклизмы, на такой орбите у аппарата нет причин менять свою траекторию, и он может оставаться на ней практически вечно. Получается, что «консервация» на орбите неэксплуатируемого аппарата подобна бомбе с часовым механизмом: аппарат может неожиданно превратиться в облако космического мусора. Во-вторых, в последнее время выросло число запусков кластерных спутников, когда одна ракета-носитель выводит на орбиту несколько аппаратов (точнее — несколько десятков, рекордное число — 104). Среди них есть сверхмалые аппараты, не имеющие даже системы отделения, тем более в них не предусмотрена система управления. Их удел — в скором будущем пополнить собой список космических обломков. Сначала, конечно, каталогизируемых, но это только до первого столкновения.

Синдром Кесслера

Согласно публикациям (Адушкин В. В., Аксенов О. Ю., Вениаминов С. С., Козлов С. И. Об оценке опасности мелкого космического мусора для космической деятельности и экологии Земли // Воздушно-космическая сфера. 2019. №3. С. 72–81), от столкновений космических объектов ежегодно образуется свыше 30 млн фрагментов размером от 1 до 2,5 мм. 10% сгорает в атмосфере. Остальные 90% продолжают вращаться в околоземном пространстве.

Вполне вероятно, что скоро количество техногенных объектов в космосе превысит критический порог, и каждое столкновение будет вызывать цепочку столкновений и последующих дроблений. Количество осколков начнет нарастать лавинообразно.

Рассчитать орбиту и предсказать вероятность появления маленького обломка на траектории космического аппарата (или траектории ракеты-носителя, выводящей на орбиту космический аппарат) невозможно.

В какой-то момент мелких объектов в околоземном пространстве станет так много, что человечеству придется отказаться от космических запусков. Этот сценарий был описан в 1978 году советником NASA Дональдом Кесслером и получил название «синдром Кесслера».

Каждый потерянный в результате столкновения космический аппарат приближает наступление синдрома Кесслера. Поэтому защита аппаратов от мелких космических обломков является одной из важнейших задач.

Защитные экраны

Единственный способ защиты от мелких частиц космического мусора — создание защитных экранов, которые приняли бы на себя удар, раскололи летящую частицу и распределили ее осколки по как можно большей площади, чтобы снизить вероятность повреждения космического аппарата.

Защитный экран — это дополнительный груз, который надо доставить на орбиту. Доставка на орбиту 1 кг полезного груза оценивается в $10–15 тыс. в зависимости от орбиты и назначения груза. Поэтому при проектировании экранов приходится искать компромисс между эффективностью защиты (чем дальше от аппарата развернут экран, тем он эффективнее) и ее массой. На МКС масса защитных экранов составляет 8 кг на 1 кв. м, на станции европейского космического агентства — 12 кг на 1 кв. м.

Первая защитная конструкция для космического аппарата представляла собой сплошной экран, вынесенный на некоторое расстояние от защищаемой поверхности. Конструкция была простая, но неэффективная.

С конца 1980-х годов, когда уже были зафиксированы случаи безвозвратной потери орбитальных аппаратов из-за столкновения с частицами космического мусора, работы в этой области вышли на новый уровень. Были предложены разнесенные экраны. Потом выяснилось, что гораздо более эффективны сетчатые конструкции с разумно подобранными шагом и толщиной сетчатых элементов. Потом создали разнесенные сетчатые экраны.

Следующим этапом стало использование дискретных экранов, которые представляют собой маленькие частицы размером около 1 мм, закрепленные на легкой несущей основе. Такие экраны можно развернуть в космосе и отодвинуть от защищаемой поверхности на рациональное расстояние.

В лаборатории физико-химической механики и механохимии ИФХЭ РАН занимались созданием специальных покрытий для дискретных экранов — энергетических композитов, способных к значительному энерговыделению и газообразованию при высокоскоростных деформациях (возникающих от удара налетающей частицы). Свойства композитов подбирались так, чтобы при ударе выделенная энергия не только раскалывала частицу, но и придавала ее осколкам импульс в поперечном направлении.

В качестве материала для дискретных экранов были предложены композиционные порошки с вольфрамом и алюминием, помещенные в полимерную матрицу.

Эксперименты показали, что при использовании специальных покрытий у обломков расколотой частицы в 2–3 раза увеличивается скорость движения в поперечном направлении. Площадь разлета осколков увеличивается в четыре раза. «Улучшение качества защиты означает, что можно снизить ее массу — конечно, не в четыре раза, но существенно»,— пояснил заведующий лаборатории физико-химической механики и механохимии ИФХЭ РАН доктор физико-математических наук Александр Малкин. Вариант тканевой защиты с закрепленными на ней компактными активными элементами проверялся в ГосНИИ авиационных систем (ГосНИИАС) и показал хорошие результаты. Такие экраны представляются очень перспективными и могут найти применение при проектировании космических аппаратов нового типа.