Избежание столкновений космических аппаратов — это внедрение и изучение процессов, минимизирующих вероятность непреднамеренного столкновения космических аппаратов на орбите с другими орбитальными объектами. Наиболее распространенным предметом исследований и разработок по предотвращению столкновений космических аппаратов являются искусственные спутники на геоцентрических орбитах . Предмет включает процедуры, разработанные для предотвращения накопления космического мусора на орбите, аналитические методы прогнозирования вероятных столкновений и процедуры избежания для увода космических аппаратов от опасности.
Орбитальная скорость вокруг крупных тел (таких как Земля ) высока, что приводит к тому, что в столкновениях на орбите задействована значительная кинетическая энергия . Например, при низкой орбитальной скорости Земли ~7,8 км/с два перпендикулярно сталкивающихся космических корабля встретятся на скорости ~12,2 км/с. Почти ни один известный структурно твердый материал не может выдержать такого энергетического удара. Большая часть спутника мгновенно испарится при столкновении и разобьется на множество частей, выброшенных с силой во всех направлениях. Из-за этого любой космический корабль, сталкивающийся с другим объектом на орбите, скорее всего, будет критически поврежден или полностью уничтожен.
Каскадная серия столкновений между орбитальными спутниками и другими объектами может иметь место, если критическая масса космического мусора накопится на орбите Земли, что называется синдромом Кесслера . Больше столкновений создаст новые более мелкие фрагменты, которые вызовут больше столкновений и так далее. Результирующая положительная обратная связь создаст запретные области на орбите из-за риска столкновения и в конечном итоге полностью заблокирует доступ в космос из-за рискованного подъема через заполненные мусором орбиты во время запуска.
Очень немногие из всех спутников, запущенных с помощью созданных человеком ракет-носителей , которые остаются на орбите Земли сегодня, все еще функционируют. По оценкам Управления по космическому мусору ЕКА, по состоянию на сентябрь 2021 года чуть более половины спутников в космосе все еще функционируют. [1]
Хотя количество спутников, запущенных на орбиту, относительно невелико по сравнению с количеством доступного пространства на орбите вокруг Земли, случаются рискованные промахи и случайные столкновения. Столкновение спутников в 2009 году полностью уничтожило оба космических аппарата и привело к созданию примерно 1000 новых кусков космического мусора размером более 10 см (4 дюйма) и множества более мелких. [2]
На орбите вокруг Земли есть и другие более мелкие частицы материала, которые также могут нанести значительный ущерб спутникам. Это относительно небольшие объекты, такие как микрометеориты , остатки столкновений спутников или небольшие естественные спутники.
Эти объекты кажутся безобидными, но даже крошечные частицы, такие как случайные пятна краски, могут повредить космический корабль. [3] Пятна краски стали причиной необходимости замены окон после многих полетов космических челноков . [4]
Многие компании запускают крупные спутниковые группировки для предоставления высокоскоростной связи и доступа в Интернет с низкой околоземной орбиты , а именно Starlink от SpaceX и запланированные Amazon созвездия Project Kuiper . Каждая из этих систем, как планируется, будет использовать десятки тысяч спутников, что значительно увеличит общее количество спутников и усугубит проблемы космического мусора.
Для минимизации количества запущенных объектов, превращающихся в неконтролируемый космический мусор, используются несколько передовых методов, различающихся по технике в зависимости от орбиты объекта. Большинство защитных мер гарантируют, что спутники и другие искусственные объекты остаются на своих рабочих орбитах только до тех пор, пока они функциональны и контролируемы. Эти обязанности ложатся на оператора спутника, который связан международными соглашениями о том, как утилизировать орбитальные объекты.
Объекты, запущенные на суборбитальные траектории, будут быстро сведены с орбиты атмосферным сопротивлением. К ним относятся, например, спутники, запущенные на зондирующих ракетах, предназначенных для быстрого возвращения с орбиты, и ступени ракетных ускорителей, которые расходуют свое топливо до достижения орбитальной скорости. Спутники на суборбитальных траекториях обычно не требуют какой-либо преднамеренной заботы со стороны оператора для обеспечения возвращения и утилизации.
Внешний бак Space Shuttle разработан так, чтобы быстро утилизировать себя после запуска. Большой внешний бак остается прикрепленным к орбитальному аппарату Space Shuttle с момента старта до тех пор, пока он и орбитальный аппарат не будут двигаться со скоростью чуть ниже орбитальной и не достигнут высоты примерно 113 км (70 миль), после чего он отсоединяется и следует по баллистической траектории, быстро входя в атмосферу. Большая часть внешнего бака распадается из-за тепла при входе в атмосферу, в то время как орбитальный аппарат использует двигатели управления реакцией для завершения своего выхода на орбиту. [5]
Подавляющее большинство искусственных спутников и космических станций вращаются по низким околоземным орбитам (LEO), [6] со средней высотой менее 2000 км (1200 миль). Спутники LEO находятся близко к более плотным частям атмосферы, где безопасный вход в атмосферу практичен, поскольку Delta-v, необходимая для торможения с LEO, мала. Большинство спутников LEO используют остатки своего оставшегося на борту топлива для удержания станции (используемого для поддержания орбиты спутника против таких сил, как атмосферное сопротивление, которое постепенно нарушает орбиту), чтобы выполнить выгорание при сходе с орбиты и утилизировать себя. [7]
Простота доступа к выводу спутников с низкой околоземной орбиты по окончании срока службы делает этот метод успешным для контроля риска космического мусора на низкой околоземной орбите.
Орбиты со средними высотами выше LEO (такие как средние околоземные орбиты (MEO), геосинхронная орбита / геостационарная орбита (GSO/GEO) и другие виды) находятся далеко от более плотных частей атмосферы, что делает полное сгорание при сходе с орбиты значительно более непрактичным. Немногие конструкции спутников имеют достаточные запасы топлива, чтобы позволить себе такой маневр в конце своего срока службы.
Спутники на высотах ближе к нижней границе MEO могут использовать «правило 25 лет» для замедления с помощью бортовой тяги, чтобы сойти с орбиты в течение 25 лет, но это положение допускается только в том случае, если операторы спутников могут доказать статистическим анализом, что вероятность того, что возвращение в атмосферу приведет к травмам людей или повреждению имущества, составляет менее 1/10 000. Спутники, утилизированные таким образом, возвращаются в атмосферу в районе южной части Тихого океана, удаленном от населенных пунктов, называемом кладбищем космических аппаратов . [8]
Космические аппараты, вращающиеся на более высоких высотах между LEO и высокой околоземной орбитой (HEO), чаще всего на высокоспецифичной и переполненной GSO/GEO, находятся слишком далеко, чтобы использовать «правило 25 лет». GSO и GEO требуют, чтобы плоскость орбиты была почти идеально экваториальной, а высота была максимально приближена к идеальной окружности 35 786 км (22 236 миль), что означает, что пространство ограничено, и спутникам нельзя позволять оставаться дольше срока их полезной службы. Вместо того, чтобы замедляться для входа в атмосферу, большинство спутников на этих высотах немного ускоряются до более высоких орбит захоронения , где они навсегда останутся вне взаимодействия с действующими спутниками.
Исторически сложилось так, что многие многоступенчатые конструкции ракет-носителей полностью расходовали свое топливо для достижения орбиты и оставляли отработанные ступени ракеты на орбите, как в бывшем советском семействе ракет «Зенит» . [9] Эти верхние ступени представляют собой большие искусственные спутники, которым в зависимости от орбиты может потребоваться много лет для повторного выхода на орбиту.
Большинство современных конструкций включают достаточные запасы топлива для сжигания при сходе с орбиты после выведения полезной нагрузки на орбиту. Falcon 9 от SpaceX — это ракета-носитель, разработанная для минимизации воздействия ее верхней ступени на космический мусор. Ракета состоит из двух ступеней, первая из которых является суборбитальной. Она возвращается в атмосферу в течение нескольких минут после запуска, либо намеренно используя топливо, зарезервированное для возвращения ступени, для приземления для повторного использования, либо остается продолжать движение по своей баллистической траектории и распадается при входе в атмосферу.
Вторые ступени Falcon 9 обрабатываются с использованием различных методов в зависимости от орбиты. Для низких околоземных орбит вторая ступень использует оставшееся топливо для выполнения схода с орбиты и распадается в атмосфере. Ступени, застрявшие на средних околоземных орбитах , таких как геостационарные переходные орбиты (GTO) и геостационарная орбита (GEO), как правило, не имеют достаточного количества топлива для схода с орбиты. Траектории GTO спроектированы таким образом, что орбита второй ступени естественным образом затухает и возвращается в атмосферу через несколько месяцев, в то время как ступени из миссий, нацеленных на прямой выход на GEO, остаются намного дольше. [10]
Большинство прогнозов риска столкновения рассчитываются с использованием баз данных орбитальных объектов с параметрами орбиты, такими как положение и скорость, измеренными с помощью наземных наблюдений. Сеть космического наблюдения Министерства обороны США ведет каталог всех известных орбитальных объектов, приблизительно равных по размеру софтбольному мячу или больше. Информация о более мелких элементах космического мусора менее точна или неизвестна. [4]
Как только точная орбита объекта становится точно известной, SSN Министерства обороны публикует известные параметры для публичного анализа на space-track.org Министерства обороны Архивировано 17 ноября 2020 г. на Wayback Machine и в NASA's Space Science Data Coordinated Archive. Затем орбиту объекта можно спроецировать в будущее, оценив, где он будет находиться, и вероятность того, что он столкнется с другим объектом на орбите. Долгосрочные проекции орбиты имеют большие погрешности из-за сложных гравитационных эффектов, которые постепенно возмущают орбиту (подобно эффектам задачи трех тел ), и ошибок измерений наземного оборудования слежения. По этим причинам методы более точного измерения и оценки являются активной областью исследований.
NASA проводит орбитальные проекции и оценивает риск столкновения для известных объектов размером более 4 дюймов (10 см). Для критически важных объектов, таких как Международная космическая станция , оценки проводятся для риска того, что любой объект будет пересекать прямоугольную область в полумиле (1,25 км) выше/ниже и в 15 милях (25 км) впереди/позади на орбите и по обе стороны от космического корабля. Эта зона высокого риска известна как «коробка для пиццы» из-за формы, которую она напоминает. [4]
Современные методы избегания основаны на небольшом изменении орбиты для минимизации риска столкновения, а затем возвращении космического корабля на его предыдущую орбиту после того, как рискованное событие прошло. Точный метод, используемый для внесения корректировок орбиты, отличается в зависимости от того, какие элементы управления доступны на космическом корабле. Маневры избегания столкновений иногда также называются маневрами избегания мусора (DAM), когда объект-нарушитель является частью космического мусора.
NASA использует маневры избегания, если риск столкновения определен достаточно заранее и риск высок. Политика NASA для пилотируемых космических аппаратов, которые все имеют бортовые двигатели, такие как Space Shuttle и Международная космическая станция (согласованная всеми международными партнерами), требует планирования маневров избегания, если вероятность столкновения [4]
По состоянию на август 2020 года МКС провела 27 маневров по предотвращению столкновений с момента своего первоначального запуска в 1999 году, и со временем их число растет. Наиболее опасным для американского орбитального сегмента является класс мусора размером от 1 до 10 см. [3] Популяция мусора в этом диапазоне размеров значительна и ее трудно точно отслеживать с помощью текущих методов, что заслуживает дальнейшего исследования.
Эти маневры избегания почти всегда проводятся путем включения бортовых двигателей управления реакцией , хотя могут быть задействованы и некоторые другие системы ориентации спутников и космических аппаратов, такие как Magnetorquers , Reaction wheels и Control moment gyroscopes . МКС также может использовать основные двигатели пристыкованного грузового космического корабля — обычно космического корабля Progress или Automated Transfer Vehicle . Маневры немного изменяют траекторию орбиты и обычно проводятся за несколько часов до события риска, чтобы дать возможность эффектам изменения орбиты проявиться. [4]
Когда два оператора спутников уведомлены о потенциальном столкновении, один или оба оператора могут принять решение о маневрировании своим спутником, например, ESA и SpaceX в 2019 году. [11]
Недавние исследования разработали алгоритмы, помогающие избегать столкновений в крупных спутниковых группировках [12], хотя неизвестно, были ли такие исследования реализованы в какой-либо активной группировке GNC .
Другим применением маневра предотвращения столкновений является прерывание автоматизированной стыковки, и такая процедура встроена в программное обеспечение, которое управляет стыковкой автоматизированных транспортных средств с МКС. Это может быть инициировано экипажем на борту космической станции в качестве аварийного отключения в случае возникновения проблем во время стыковки. [13] Этот маневр был продемонстрирован вскоре после запуска первого ATV, Jules Verne , и впоследствии во время демонстрационных подходов к станции, которые он провел в конце марта 2008 года.
Большинство запускаемых человеком спутников без бортовой тяги — это небольшие CubeSats , которые полагаются на альтернативные устройства для управления ориентацией. В масштабе небольших объектов, таких как CubeSats, силы, связанные с большой относительной площадью поверхности по отношению к массе, становятся значительными. CubeSats часто запускаются на низкую околоземную орбиту , где атмосфера все еще обеспечивает небольшое аэродинамическое сопротивление.
Аэродинамическое сопротивление малых спутников на низкой околоземной орбите можно использовать для небольшого изменения орбиты с целью предотвращения столкновений с мусором путем изменения площади поверхности, подверженной атмосферному сопротивлению, чередуя конфигурации с низким и высоким сопротивлением для управления замедлением. [14]
Попытки смягчить потенциальные столкновения осложняются такими факторами, как:
Все эти события ограничивают стратегические возможности снижения риска столкновения различными способами. Очень мало что может предотвратить прогнозируемое столкновение, если оба объекта не имеют возможности управления. Если только один из объектов является действующим спутником, он будет единственным участником маневра уклонения, значительно сокращая или полностью израсходовав оставшиеся запасы топлива. У спутника также может быть недостаточно топлива для надлежащего завершения маневра, что снижает его эффективность.
Маневры по предотвращению столкновений требуют значительного времени на планирование и выполнение, что может стать проблемой, если риск не был спрогнозирован достаточно заранее. Двигательная установка космических аппаратов часто слаба, полагаясь на длительное включение для изменения орбиты, а изменение скорости часто требует значительной доли полной орбиты для получения требуемого эффекта.
Например, маневры, обычно проводимые Международной космической станцией для избежания столкновений, часто требуют примерно 150-секундных включений [15] и существенных помех для работы экипажа из-за обязательной медленной перенастройки солнечных панелей станции, чтобы избежать повреждения двигательными установками. Грубо говоря, предполагаемое самое быстрое время реакции МКС из нормального режима работы составляет около 5 часов и 20 минут [16] , чтобы учесть ~3-часовой период настройки реконфигурации станции и ~2 часа времени после включения, чтобы изменение скорости вступило в силу.
Избежание столкновений является проблемой во время стартовых окон космических полетов . Обычно перед запуском спутника необходимо провести и одобрить оценку столкновения при запуске (COLA). Говорят, что стартовое окно имеет период отключения COLA в течение интервалов, когда транспортное средство не может подняться, чтобы убедиться, что его траектория не приведет его слишком близко к другому объекту, уже находящемуся в космосе. [17]
