Падение Голиафа: каким будет финал Международной космической станции

Международная космическая станция завершит работу в 2030 году. Как спустить ее с орбиты на Землю правильно, без угрозы и ущерба для землян? Это непростая задача, решения которой готовятся уже сегодня.

Международная космическая станция на орбите уже почти четверть века

Фото: Roscosmos / NASA

Полет МКС начался в конце прошлого тысячелетия запуском на орбиту 20 ноября 1998 года функционально-грузового блока «Заря». В конце грядущей осени длительность ее полета составит четверть века, а в 2030 году она дойдет до 32 лет. За этот срок металл в различных местах станции начнет терять свои конструкционные свойства из-за усталости. Хотя на станции невесомость, ее конструкция нагружена: надута давлением воздуха, растягивающим модули станции по всем направлениям. А где-то — например, в стыковочных узлах — есть и линейное сжатие, и кольцевое обжатие. Помимо статических нагрузок по материалам станции пробегают вибрации от работы различных устройств.

Со временем становится необходима замена оборудования, которое вырабатывает ресурс или устаревает. Снижаются характеристики уплотняющих, изоляционных и полупроводниковых материалов, электроники, оптических и других элементов. Нарастает микробиологическое загрязнение станции. Логично и неизбежно завершение работы станции, предварительно намеченное на 2030 год. Что делать дальше?

Варианты подъема станции на высокие орбиты захоронения мало реальны, они требуют огромного количества топлива. К тому же при своих рекордных размерах у МКС и самое большое «сечение захвата», как сказали бы ядерщики. Поэтому вероятность столкновения с другим объектом у станции больше, чем у малоразмерных спутников. А поток фрагментов от удара может быть огромным, массы для разлета на МКС много. Поэтому управляемое сведение с орбиты — единственный реальный вариант завершения работы МКС. Он задает ряд задач, и их набор определит выбор сценария спуска. В них можно выделить две большие части: космический и атмосферный этапы.

Снижение МКС и других спутников

Средняя высота почти круговой орбиты МКС составляет 418 км. Атмосфера, называемая здесь экзосферой, крайне разреженная. Тем не менее она тормозит движение станции. Это приводит к постепенному снижению высоты: МКС теряет за сутки в среднем около 10 м. В среднем, потому что состояние атмосферы на этой высоте зависит от солнечной активности. С ее усилением атмосфера раздувается и плотность среды на орбите МКС может сильно возрастать, увеличивая снижение на порядок, до 100 м в сутки (ноябрь—декабрь 2014 года) или 400 м в сутки (январь—февраль 2002 года).

Для поддержания высоты полета орбиту МКС поднимают в среднем каждые один-два месяца. Для этого используют двигатели российских грузовых «Прогрессов» или модуля «Звезда». Подъем орбиты выходит разным, от 18 до 1–2 км, и зависит от остатков топлива, расходуемых на подъем. Включением двигателя увеличивают орбитальную скорость станции, что приводит к росту высоты орбиты, с которой станция постепенно снижается до следующего подъема орбиты.

Постепенное снижение спутников атмосферным торможением без поддержания орбиты приводит их к высоте 160 км, примерной границе стабильности низких орбит. Здесь потеря высоты составляет уже 20–25 км за один виток. На высотах 150–140 км начинается последний оборот, завершающийся баллистическим спуском с неконтролируемым районом входа в атмосферу. Это подходит для небольших спутников, практически полностью сгорающих в атмосфере.

Другим нужен управляемый спуск — всем, чье ценное содержимое надо в целости доставить на Землю. Их движение на последних витках измеряется, и выдается тормозной импульс перевода на траекторию снижения с входом в атмосферу в заданном районе. И движение в ней без разрушения до финиша приземления. Есть и третий вариант: разрушение в атмосфере в заданном географическом районе. Он используется для массивных аппаратов, падение остатков которых может причинить разрушения, загрязнения и создать угрозу населению.

Атмосферная мясорубка

Японский астронавт Коити Вакато, участник пяти экспедиций на МКС, делает «небесное селфи» во время выхода в открытый космос

Фото: NASA

Аппараты, в задачу которых не входит посадка, разрушаются при входе в атмосферу. Их разрушение механическое и тепловое: разламывание на фрагменты аэродинамическими силами и обгорание или полное сгорание в обтекании раскаленным от гиперзвукового сжатия потоком. На поверхностях аппарата налетающий гиперзвуковой поток сжимается во много десятков раз ударным газодинамическим образом в скачке уплотнения. Он оттягивается назад под таким малым углом, что ложится на аппарат и плотно облегает его. Так на обтекаемых поверхностях аппарата образуется ударный вязкий пограничный слой, разогретый до нескольких тысяч градусов.

Первым проявляется силовое воздействие, когда обгорания еще нет. Плотность даже сжатого потока мала, он не может обжечь конструкцию и лишь давит на нее. С ростом плотности потока силы давления сжатого воздуха растут и начинают корежить, а затем разламывать конструкцию. При таком силовом действии сжатого потока его плотность уже очень высока, а поток тепла в обтекаемую поверхность уподобляется огню сварочной горелки.

В небе это создает яркую картину, в некоторых местах возникающую довольно регулярно. Например, на Камчатке на полигоне, принимающем боеголовки межконтинентальных ракет. Следом за боеголовками в их группе траекторий летит ступень разведения — специальный космический аппарат, только не орбитальный. Свою работу он делает в космосе, проводя траектории боеголовок через цели. Поднимаясь вслед за боеголовками до нескольких сотен километров, часто выше МКС (до 1000 км), ступень разведения падает оттуда со скоростью лишь немного ниже орбитальной. Но с близким уровнем энергии и полным спектром картины разрушения. Оно происходит в специальной зоне — «эллипсе падения блока "Ц"», прилегающем с северо-запада к боевому полю падения боеголовок.

Это похоже на летящий в небе факел. Вначале разгорается яркая желтая звезда, которая затем обзаводится длинным шлейфом, превращаясь в огненную комету. «Голова кометы» посверкивает белыми вспышками — это сгорают кусочки магниевых сплавов. Цвет «кометы» краснеет, она замедляется и растягивается в ровную линию оранжевых угольков, иногда образующих группы. Затем все тускнеет и теряется из виду. Еще 10–20 секунд в черном небе видна светящаяся зеленым полоска, образуемая рекомбинацией ионов в плазменном следе. Вскоре гаснет и она. А еще минут через десять на местность выпадают редкие рассеянные фрагменты — несгоревшие остатки ступени.

Чем выше скорость входа, тем сильнее разрушение. Болиды со скоростями в десятки км/с испытывают во много раз большее силовое и температурное воздействие. Поэтому даже большие глыбы массой в сотни тонн дробятся на много фрагментов. Большая часть таких болидов не долетает до земли, сгорая и размазываясь по небу дымопылевым шлейфом. Спуск же с более медленной низкой околоземной орбиты оставляет больше шансов достичь земли крепким, тяжелым и тугоплавким фрагментам. Поэтому падение крупных спутников требует выбора безлюдного места падения и управляемого спуска в этот район.

Таким районом выбран удаленный участок в южной половине Тихого океана, примерно посередине между Южной Америкой и Новой Зеландией, в 4000 км к востоку от последней. Он так и называется: «кладбище космических аппаратов». Этот район закрыт для судоходства и полетов авиации. Сюда сводятся с орбиты крупные аппараты: грузовые корабли «Прогресс», вторая по величине после МКС пилотируемая станция «Мир». Китайская орбитальная станция «Тяньгун-1» тоже упала здесь, хотя ее спуск был неуправляем.

Как затопили «Мир»

Советская орбитальная станция «Мир» массой 124 т и размерами около 20х30х30 м отработала в космосе 17 лет. После чего стала самым большим космическим аппаратом, управляемо сведенным с орбиты. Это было непростой задачей, разбитой на этапы и выполненной с приемлемой погрешностью.

Станция двигалась по близкой к круговой рабочей орбите со средней высотой 364 км и скоростью 7,7 км/с. За девять месяцев до финала ее покинул экипаж. За следующие семь месяцев действием атмосферного торможения орбита снизилась до средней высоты 240 км. На этом этапе, за два месяца до сведения, к станции пристыковался семитонный грузовой «Прогресс М1-5». Общая масса комплекса с учетом различных грузов на борту станции оценивалась в 140 т.

«Прогресс» с увеличенной заправкой топлива в 2,7 т был запущен с одной задачей сведения «Мира» с орбиты. От него требовался общий тормозной импульс (изменение скорости станции), который составлял около 42–44 м/с, остальное делала атмосфера. Для уменьшения ошибки падения и контроля над процессом торможение делалось тремя последовательными импульсами. С измерениями движения станции после импульса для уточнения параметров следующего импульса.

Сведение с орбиты началось 23 марта 2003 года в 3:31,39 ночи по московскому времени. Первое включение восьми малых двигателей причаливания и ориентации «Прогресса» сформировало перигей (нижнюю точку орбиты) над районом будущего падения в Тихом океане. Основной двигатель в этом «пристрелочном» торможении не включался. Точно отмеренное торможение маломощными двигателями позволило измерить реакцию перигея на этот импульс.

Через один виток и полтора часа времени провели второе включение этих двигателей, опустив перигей еще ниже, на высоту около 170 км. Следующие два прохождения перигея (два витка и три часа времени) и его атмосферное торможение понизили апогей, сформировав почти круговую орбиту высотой 165 км.

После чего начался третий, основной тормозной импульс. В 8:07,37 включились двигатели причаливания и ориентации и основной двигатель «Прогресса». Они работали до полной выработки топлива. Непрерывное торможение длилось 22 минуты, начавшись над Средиземным морем в районе острова Крит и закончившись над Байконуром, откуда стартовали все модули станции, транспортно-грузовые корабли и экипажи.

Спустя 14 минут над островами Фиджи в Тихом океане «Мир» пересек высоту 100 км — условную границу Кармана между космосом и атмосферой. В это время выносные антенны и панели солнечных батарей уже начали светиться от возникшей на них плазмы и согнулись под напором потока плотнеющей атмосферы. На высоте 80 км искореженные и обгорающие панели и антенны оторвались от станции и были сдуты потоком.

«Мир», объятый огнем, начал деформироваться и на высоте 70–60 км распался на отдельные части, которые разрушались дальше огненным дождем. В 9:00 (секунды здесь не имеют смысла, так как обломки падали с разбросом во времени) несгоревшие остатки станции упали в воду. Падение получилось с перелетом за расчетную точку на 1500 км, с центром эллипса рассеивания около 40° южной широты и 160° западной долготы.

Так закончилось сведение с орбиты самого тяжелого искусственного космического объекта. По разным оценкам, в воду упало от 12 до 25 т (оценка «Роскосмоса») остатков станции, или 9–18% ее орбитальной массы. Основная часть сгорела и развеялась над Тихим океаном. Опыт торможения тяжелой станции тремя импульсами показал верность этого выбора. А ошибка точки падения не вывела обломки за рамки заданного географического района.

Логика сведения МКС с орбиты

При сведении с орбиты МКС все будет масштабнее. Ее масса — 440 т, втрое с лишним больше «Мира». Массу фрагментов, которые дойдут до земной поверхности, можно оценивать и в сотню тонн. Сценарий сведения МКС, вероятно, будет похож на затопление «Мира». Район падения тот же самый — южная часть Тихого океана, «кладбище космических кораблей». И разбиение процесса сведения с орбиты на ряд этапов, которые могут иметь свои отличия от этапов завершения полета «Мира». Можно предположить, какими они окажутся.

Первый этап — разгрузка МКС на рабочей орбите. Речь идет о модулях, еще не выработавших свой плановый срок эксплуатации; их можно использовать дальше. Это российские «Наука» и «Причал», запущенные к МКС в 2021 году, или будущие модули, которыми может дополняться МКС. Отстыковав от станции, их можно использовать в составе новых орбитальных конструкций. Возможно сохранение отдельного ценного оборудования либо на орбите в остающихся модулях или при спуске на Землю возвращаемыми кораблями. Но нужно предусмотреть и сведение с орбиты МКС в полном составе, и даже с увеличением массы комплекса за счет буксира.

Второй этап — постепенное снижение высоты от рабочей до предспусковой орбиты действием тормозных импульсов и аэродинамического торможения. Можно увеличить его ориентацией МКС (и ее панелей на ночной стороне). Но одной аэродинамики не хватит. При темпе снижения 100 м в сутки МКС опустится за год лишь на 36,5 км. Чтобы снизиться с 419 км рабочей орбиты до 240–220 км предспусковой орбиты (снижение на 200 км) за год-полтора, понадобятся импульсы: те, что раньше шли на поддержание высоты, нужно использовать для снижения. На этапе постепенного снижения при достаточной для пилотируемых кораблей высоте орбиты в 400–300 км стоит планировать покидание МКС экипажем.

С высоты 240–220 км снижение до падения на Землю продлится около четырех-пяти суток. Мы писали об этом в материале «Первая пилотируемая»: «Орбита, на которую планировалось вывести корабль "Восток", должна была получить перигей (нижнюю точку) с высотой 180 км и апогей (верхнюю точку) с высотой 235 км. Плотность остатков атмосферы на этих высотах удовлетворяла сразу двум задачам: краткосрочной задаче выполнения витка и долгосрочной задаче схода с орбиты.

Аэродинамическое торможение на этих высотах достаточно слабое и легко позволяет сделать не только один полный оборот корабля вокруг Земли, но и более полусотни оборотов. Одновременно торможение атмосферы здесь достаточно сильное, чтобы свести аппарат с орбиты за четверо суток полета».

Поэтому с этой высоты рационально начинать управляемый спуск, чтобы не перейти вскоре к неуправляемому падению. Серия тормозных импульсов, как в схеме сведения с орбиты «Мира», позволит оптимально построить процесс. Первые импульсы формируют перигей над будущим районом падения в Тихом океане. Они же покажут реакцию перигея на величину тормозного импульса: на сколько километров он опустится при данной, конкретной, текущей массе МКС. Откалибровав движение перигея в зависимости от величины тормозного импульса, можно точнее снижать перигей следующим тормозном импульсом. А последним включением двигателей опустить перигей так глубоко в атмосферу, чтобы путь после него закончился в заданном районе падения. В этом и заключается задача наведения.

Но масса МКС очень велика. Для уменьшения скорости на те же 44 м/с, как при сведении «Мира», нужно в три с лишним раза больший импульс (ведь импульс — это умножение изменения скорости на массу). Отсюда возникают две задачи: нужно иметь достаточное количество топлива и достаточную мощность двигателя. Если для затопления «Мира» требовалось 2,7 т топлива в тормозном «Прогрессе М1-5», то для МКС такого топлива потребуется втрое с лишним больше — около 8,5 т.

Так сценарий сведения МКС с орбиты подводит к задаче выбора средства торможения с достаточно большой мощностью двигателя и запасом топлива и со стыковочным узлом для надежного силового крепления к МКС. Решение задачи возможно в нескольких вариантах. Например, использование корабля «Прогресс» одновременно с российским модулем «Заря», с которого началась МКС. Он оснащен 12 малыми и 24 средними реактивными двигателями корректировки и причаливания и еще двумя более мощными двигателями орбитального маневрирования. Кроме того, топливные баки на «Заре» вмещают 6 т топлива, большую часть общего необходимого запаса.

Запланированное на 2030 год управляемое сведение МКС с орбиты будет непростой задачей

Фото: Roscosmos / Flikcr.com

Сценарий NASA

Как главный оператор МКС, ранее NASA планировало сведение российскими транспортными «Прогрессами». Однако в силу возникших аспектов, от технических до политических, включая заявления главы «Роскосмоса» Юрия Борисова о возможном досрочном выходе из проекта МКС для строительства собственной орбитальной станции РОСС, NASA выбрало путь создания своего космического буксира специально для сведения станции с орбиты. 19 августа 2022 года NASA опубликовало «запрос на информацию» (request for information, RFI) в адрес представителей американской аэрокосмической промышленности. В нем NASA попросило проинформировать о возможности разработки, постройки и запуска задуманного буксира. И для этого обрисовало свою схему сведения МКС с орбиты, которую можно рассматривать как контурное техническое задание для разработчиков.

Согласно этому сценарию, тормозной буксир будет прикреплен к переднему стыковочному узлу американского модуля Node 2 за год до сведения с орбиты. Номинальная высота полета станции оценивается в 416 км, возможная стыковка буксира с МКС прогнозируется в диапазоне высот от 460 до 370 км с минимальной высотой стыковки в 330 км. Эта же высота определена нижним рубежом покидания МКС ее последним экипажем. После стыковки с буксиром МКС будет снижаться за счет атмосферы и тормозных импульсов российского сегмента станции.

На высоте 270 км планируется четырехдневная отстройка наземной трассы станции с ее повторными прохождениями по будущему району падения; с этой высоты МКС упала бы на Землю за месяц. При дальнейшем снижении будут расти аэродинамические моменты, стремящиеся развернуть, зафлюгировать МКС. Они могут парироваться гиродинами (силовыми гироскопами) станции лишь до высоты 220 км, ниже которой ориентация должна вестись уже реактивными двигателями с расходом топлива. Эту роль предлагается выполнять также российскому сегменту.

Запасы топлива для ориентации не безграничны; чтобы не увеличить его расход, тормозной буксир начнет работу на высоте 200 км после суточной проверки положения наземной трассы. Несколькими включениями двигателя буксир уменьшит скорость МКС на 17 м/с и переведет ее на эллиптическую орбиту 200х145 км. С таким перигеем снижение апогея составит 2 км за виток; за 16 суточных оборотов он снизится на 32 км, еще через 15 часов высота апогея сравняется с перигейной, образовав круговую орбиту высотой чуть ниже 145 км.

Для оперативного управляемого сведения с этой орбиты нужно уменьшить скорость на 30 м/с. Буксир проработает 40–60 минут, погрузив перигей в атмосферу на высоту 50 км. Это необходимая высота перигея в соответствии с требованиями стандарта NASA 8719.14. для прицеливания при сведении с орбиты во всех новых программах; она позволяет ограничить размеры полосы падения остатков. Перигей на высоте 75–70 км обеспечивает падение фрагментов МКС в полосе длиной не более 6000 км. Снижение высоты перигея до 50 км повышает надежность контроля полосы падения и уменьшает ее размеры.

В ходе основного тормозного импульса будет пройдена высота 130 км, минимальная расчетная высота работы внешних радиоэлектронных устройств МКС, ниже которой они уже откажут. На высоте 120–110 км прогнозируется отделение солнечных батарей и радиаторов, которые отломит и сдует растущим потоком воздуха. Эта оценка сделана по наблюдениям разрушения «Мира» с поправкой на больший размер панелей МКС, из-за чего отрыв солнечных батарей произойдет раньше и выше. Здесь продолжающий работать тормозной буксир должен уже самостоятельно обеспечивать ориентацию падающей МКС, а себя — электроэнергией. Для ориентации на этом этапе на борту буксира закладывается до 1,7 т топлива. На высоте 90–84 км (выше разрушения «Мира» из-за большего размаха МКС и изгибающих аэродинамических моментов) модули станции оторвутся друг от друга, и МКС распадется на части с дальнейшим их разрушением и падением остатков в пределах заданного района.

Появление буксира в бюджете

Из этого сценария понятны некоторые числа как по баллистике сведения с орбиты, так и по требованиям к буксиру. Он должен обеспечить суммарное торможение не менее 47 м/с для МКС массой 450 т. Минимальная общая тяга двигательной установки должна быть 3236 ньютонов, или 0,33 т силы; для обеспечения конструктивной целостности МКС максимально допустимая тяга задается 6178 Н, или 0,63 тс.

По этим контурным значениям можно начинать предварительную оценку и для этого предусмотреть средства в космическом бюджете. 13 марта текущего года NASA опубликовало свой бюджет на 2024 финансовый год (он начнется в октябре текущего года). В бюджете появилась строка, прописанная отдельным параграфом: «Includes $180M to partner with industry to develop a U.S. deorbit capability for ISS» («Включает 180 миллионов долларов США для партнерства с промышленностью для разработки возможностей США по своду с орбиты для МКС»).

Как сказала 13 марта на посвященной этому бюджету телеконференции для СМИ Кэти Людерс (Kathy Lueders), заместитель администратора (директора) NASA по космическим операциям, «это дает нам хороший старт в 2024 году» для проекта создания буксира. Всего же, по ее словам, NASA предполагает общий бюджет для космического буксира немного менее миллиарда долларов. Следующий шаг — отправка запроса предложений (request for proposals, RFP) в адрес предприятий-разработчиков. На основе их предложений NASA надеется снизить стоимость создания и запуска тормозного буксира.

До предварительной даты прекращения полета МКС, 2030 года, остается семь лет. За это время могут возникнуть новые решения, а сценарий затопления МКС — измениться или обрасти новыми деталями. Но старение и износ МКС не остановить, и ее сведение с орбиты будет столь же насущным. Каким в итоге станет падение Голиафа, покажет будущее. Нет сомнений, что решение этой нетривиальной задачи будет важным достижением в истории космонавтики. А также самым ярким (в буквальном смысле слова) и зрелищным завершением самого долгого полета пилотируемого космического аппарата.