Космический мусор (также известный как космический мусор , космическое загрязнение , [1] космические отходы , космический мусор , космический мусор или космический мусор [2] ) — это несуществующие искусственные объекты в космосе (в основном на околоземной орбите ), которые больше не служат полезная функция. К ним относятся заброшенные космические корабли (нефункциональные космические корабли и заброшенные ступени ракет-носителей), мусор, связанный с миссией, и особенно многочисленные осколки на околоземной орбите, образовавшиеся в результате распада заброшенных корпусов ракет и космических кораблей. Помимо заброшенных искусственных объектов, оставленных на орбите, космический мусор включает в себя фрагменты, образовавшиеся в результате распада, эрозии или столкновений ; затвердевшие жидкости, выброшенные из космического корабля; несгоревшие частицы твердотопливных ракетных двигателей; и даже пятна краски. Космический мусор представляет опасность для космических кораблей. [3]
Космический мусор обычно является негативным внешним эффектом . Это создает внешние издержки для других в результате первоначальных действий по запуску или использованию космического корабля на околоземной орбите, затраты, которые обычно не принимаются во внимание и не учитываются полностью [4] [5] владельцем ракеты-носителя или полезной нагрузки. [6] [1] [7]
Несколько космических кораблей, как с экипажем, так и без экипажа, были повреждены или уничтожены космическим мусором. Измерение, смягчение последствий и потенциальное удаление мусора проводится некоторыми участниками космической отрасли . [8]
По состоянию на ноябрь 2022 года [update]Сеть космического наблюдения США сообщила о 25 857 искусственных объектах на орбите над Землей, [9] включая 5 465 действующих спутников. [10] Однако это всего лишь объекты, достаточно большие, чтобы их можно было отслеживать, и находящиеся на орбите, которая делает отслеживание возможным. Обломки спутников, находящихся на орбите «Молнии» , такие как серия «Космос Око» , могут находиться слишком высоко над северным полушарием, чтобы их можно было отследить. [11] По состоянию на январь 2019 года [update]более 128 миллионов кусков мусора размером менее 1 см (0,4 дюйма), около 900 000 кусков мусора размером 1–10 см и около 34 000 кусков размером более 10 см (3,9 дюйма) были, по оценкам, находиться на орбите вокруг Земли. [8] Когда мельчайшие объекты искусственного космического мусора (пятна краски, твердые частицы выхлопных газов ракет и т. д.) группируются с микрометеороидами , космические агентства иногда называют их вместе MMOD (микрометеороиды и орбитальный мусор).
Столкновения с обломками стали опасными для космических кораблей. Самые маленькие объекты наносят ущерб, аналогичный пескоструйной очистке , особенно солнечные панели и оптика, такая как телескопы или звездные трекеры , которые нелегко защитить баллистическим щитом . [12]
На высоте ниже 2000 км (1200 миль) куски обломков плотнее метеороидов . Большинство из них представляют собой пыль от твердотопливных ракетных двигателей, обломки поверхностной эрозии, такие как хлопья краски, и замерзшую охлаждающую жидкость советских спутников с ядерными двигателями . [13] [14] [15] Для сравнения, Международная космическая станция находится на орбите в диапазоне 300–400 километров (190–250 миль), в то время как два последних события с крупным мусором, испытания китайского противоспутникового оружия в 2007 году и запуск спутника в 2009 году Столкновение произошло на высоте от 800 до 900 километров (от 500 до 560 миль). [16] МКС имеет защиту Уиппла для защиты от повреждений от небольших MMOD. Однако известные обломки с вероятностью столкновения более 1/10 000 можно избежать путем маневрирования станции.
Космический мусор начал накапливаться на околоземной орбите с запуском на орбиту первого искусственного спутника « Спутник-1» в октябре 1957 года. Но даже до этого события люди могли произвести выбросы, которые стали космическим мусором, как в августе 1957 года тест . [17] [18] Если вернуться назад, естественный выброс Земли вышел на орбиту.
После запуска «Спутника» Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (НОРАД) приступило к составлению базы данных ( Каталог космических объектов ) всех известных запусков ракет и объектов, выходящих на орбиту, включая спутники, защитные щиты и разгонные блоки ракет-носителей . Позже НАСА опубликовало модифицированные версии базы данных в двухстрочных наборах элементов [19] , а начиная с начала 1980-х годов они были переизданы в системе доски объявлений CelesTrak . [20]
Трекеры НОРАД, которые заполнили базу данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых были результатом орбитальных взрывов. [21] Некоторые из них были преднамеренно вызваны во время испытаний противоспутникового оружия (ASAT) в 1960-х годах, а другие стали результатом взрыва ступеней ракеты на орбите, когда остатки топлива расширились и разорвали их баки. Постепенно были разработаны более подробные базы данных и системы отслеживания, включая диаграммы Габбарда, для улучшения моделирования эволюции и распада орбит. [22] [23]
Когда база данных NORAD стала общедоступной в 1970-х годах, [ необходимы разъяснения ] методы, разработанные для пояса астероидов, были применены к исследованию [ кем? ] известных искусственных спутниковых объектов. [ нужна цитата ]
Время и естественные гравитационные/атмосферные эффекты помогают очищать космический мусор. Также были предложены различные технологические подходы, хотя большинство из них не были реализованы. Ряд ученых отмечают, что системные факторы — политические, правовые, экономические и культурные — являются наибольшим препятствием на пути очистки околоземного пространства. Коммерческих стимулов к сокращению космического мусора было мало, поскольку связанные с этим затраты не возлагаются на организацию, производящую его. Скорее, издержки ложатся на плечи всех пользователей космической среды, которые получают выгоду от космических технологий и знаний. Был сделан ряд предложений по усилению стимулов к сокращению космического мусора. Это побуждает компании увидеть экономическую выгоду от более агрессивного сокращения мусора, чем того требуют существующие правительственные мандаты. [24] В 1979 году НАСА основало Программу по борьбе с космическим мусором на околоземной орбите. [25] [26]
В 1980-х годах НАСА и другие группы США пытались ограничить рост мусора. Одно пробное решение было реализовано компанией McDonnell Douglas в 1981 году для ракеты-носителя «Дельта», когда ракета-носитель отошла от полезной нагрузки и выпустила все топливо, оставшееся в ее баках. [27] Это устранило один источник повышения давления в баках, который ранее вызывал их взрыв и образование дополнительного орбитального мусора. [28] Другие страны медленнее принимали эту меру, и, особенно из-за ряда запусков Советского Союза , проблема росла на протяжении десятилетия. [29]
Затем последовала новая серия исследований, когда НАСА, НОРАД и другие попытались лучше понять орбитальную среду, каждый из которых увеличивал количество обломков в зоне критической массы. Хотя в 1981 году (когда была опубликована статья Шефтера) число объектов оценивалось в 5000, [21] новые детекторы наземной электрооптической системы наблюдения за дальним космосом обнаружили новые объекты. К концу 1990-х годов считалось, что большая часть из 28 000 запущенных объектов уже распалась, а около 8500 остались на орбите. [30] К 2005 году это число было увеличено до 13 000 объектов, [31] а исследование 2006 года увеличило это число до 19 000 в результате противоспутникового снаряда и столкновения спутников. [32] В 2011 году НАСА заявило, что отслеживается 22 000 объектов. [33]
Модель НАСА 2006 года предполагала, что, если не будет новых запусков, окружающая среда сохранит известную на тот момент популяцию примерно до 2055 года, а затем она увеличится сама по себе. [34] [35] Ричард Кроутер из Британского агентства оборонной оценки и исследований заявил в 2002 году, что, по его мнению, каскад начнется примерно в 2015 году. [36] Национальная академия наук, суммируя профессиональную точку зрения, отметила широко распространенное мнение о том, что две полосы НОО пространство - от 900 до 1000 км (620 миль) и 1500 км (930 миль) - уже прошло критическую плотность. [37]
На Европейской аэрокосмической конференции 2009 года исследователь из Саутгемптонского университета Хью Льюис предсказал, что угроза от космического мусора вырастет на 50 процентов в следующее десятилетие и увеличится в четыре раза в следующие 50 лет. По состоянию на 2009 год [update]еженедельно отслеживалось более 13 000 опасных звонков. [38]
В докладе Национального исследовательского совета США за 2011 год НАСА предупредило, что количество космического мусора на орбите находится на критическом уровне. Согласно некоторым компьютерным моделям, количество космического мусора «достигло переломного момента: в настоящее время на орбите его достаточно, чтобы постоянно сталкиваться и создавать еще больше мусора, повышая риск сбоев космических кораблей». В докладе содержится призыв к принятию международных правил, ограничивающих количество мусора, и исследованию методов его утилизации. [39]
По оценкам, по состоянию на январь 2019 года [update]насчитывалось более 128 миллионов кусочков мусора размером менее 1 см (0,39 дюйма) и примерно 900 000 кусочков размером от 1 до 10 см. Количество крупных обломков (определяемых как 10 см в поперечнике или больше [44] ) составило 34 000 в 2019 году [8] и не менее 37 000 к июню 2023 года. [45] Предел технических измерений [ необходимы разъяснения ] составляет c. 3 мм (0,12 дюйма). [46]
По состоянию на 2020 год [update]на орбите находилось 8000 тонн мусора, и ожидается, что эта цифра увеличится. [47]
На ближайших к Земле орбитах ( высота менее 2000 км (1200 миль)) , называемых низкой околоземной орбитой (НОО), традиционно существовало несколько «универсальных орбит», на которых несколько космических аппаратов удерживаются на определенных кольцах (в отличие от до GEO , единой орбиты, которая широко используется более чем 500 спутниками ). Ситуация начинает меняться в 2019 году, и несколько компаний начали развертывать ранние этапы группировок спутникового Интернета , которые будут иметь множество универсальных орбит на НОО с 30–50 спутниками на орбитальную плоскость и высоту. Традиционно наиболее густонаселенными орбитами НОО были несколько солнечно-синхронных спутников , которые поддерживают постоянный угол между Солнцем и плоскостью орбиты , что упрощает наблюдение за Землей благодаря постоянному углу Солнца и освещению. Солнечно-синхронные орбиты полярны , то есть пересекают полярные регионы. Спутники LEO вращаются по орбите во многих плоскостях, обычно до 15 раз в день, что приводит к частым сближениям объектов. Плотность спутников – как активных, так и заброшенных – на НОО гораздо выше. [48]
На орбиты действуют гравитационные возмущения (к которым на НОО относятся неравномерность гравитационного поля Земли из-за изменений плотности планеты), и столкновения могут происходить с любого направления. Средняя скорость столкновения при столкновениях на низкой околоземной орбите составляет 10 км/с, а максимальная скорость достигает более 14 км/с из-за эксцентриситета орбиты . [49] Столкновение спутников в 2009 году произошло на скорости сближения 11,7 км/с (26 000 миль в час), [50] в результате чего образовалось более 2000 крупных фрагментов обломков. [51] Эти обломки пересекают многие другие орбиты и увеличивают риск столкновения с обломками.
Предполагается, что достаточно крупное столкновение космических кораблей потенциально может привести к каскадному эффекту или даже сделать некоторые отдельные низкие околоземные орбиты практически непригодными для долгосрочного использования орбитальными спутниками - явление, известное как синдром Кесслера . [52] Предполагается, что теоретический эффект будет представлять собой теоретическую неконтролируемую цепную реакцию столкновений, которая может произойти, экспоненциально увеличивая количество и плотность космического мусора на низкой околоземной орбите, и, как предполагалось, может последовать за пределами некоторой критической плотности. [53]
Космические миссии с экипажем в основном проводятся на высоте 400 км (250 миль) и ниже, где сопротивление воздуха помогает очистить зоны от фрагментов. Верхняя атмосфера не имеет фиксированной плотности на какой-либо конкретной орбитальной высоте; он меняется в результате атмосферных приливов и расширяется или сжимается в течение более длительных периодов времени в результате космической погоды . [54] Эти долгосрочные эффекты могут увеличить сопротивление на меньших высотах; расширение 1990-х годов стало фактором снижения плотности мусора. [55] Еще одним фактором было меньшее количество запусков со стороны России; Советский Союз произвел большую часть своих запусков в 1970-х и 1980-х годах. [56] : 7
На больших высотах, где сопротивление воздуха менее значительно, спад на орбите занимает больше времени. Небольшое атмосферное сопротивление , лунные возмущения , гравитационные возмущения Земли, солнечный ветер и давление солнечной радиации могут постепенно опускать обломки на более низкие высоты (где они разлагаются), но на очень больших высотах это может занять столетия. [57] Хотя высотные орбиты используются реже, чем LEO, и проблема возникает медленнее, цифры быстрее приближаются к критическому порогу. [ противоречиво ] [ нужна страница ] [58]
Многие спутники связи находятся на геостационарных орбитах (GEO), группируются над конкретными целями и используют одну и ту же орбитальную траекторию. Хотя скорости между объектами GEO низкие, когда спутник выходит из строя (например, Telstar 401 ), он переходит на геостационарную орбиту; наклонение его орбиты увеличивается примерно на 0,8°, а скорость увеличивается примерно на 160 км/ч (99 миль в час) в год. Максимальная скорость удара составляет около 1,5 км/с (0,93 мили/с). Орбитальные возмущения вызывают дрейф по долготе вышедшего из строя космического корабля и прецессию плоскости орбиты. Близкие подходы (в пределах 50 метров) оцениваются в одном случае в год. [59] Обломки столкновения представляют меньший краткосрочный риск, чем столкновение на околоземной орбите, но спутник, скорее всего, выйдет из строя. Крупные объекты, такие как спутники, работающие на солнечной энергии , особенно уязвимы для столкновений. [60]
Хотя МСЭ теперь требует доказательств того, что спутник может быть выведен из орбитальной позиции по окончании срока его службы, исследования показывают, что этого недостаточно. [61] Поскольку геоорбита слишком далека для точного измерения объектов размером менее 1 м (3 фута 3 дюйма), природа проблемы не совсем известна. [62] Спутники можно будет перемещать в пустые места на ГСО, что потребует меньше маневрирования и облегчит прогнозирование будущего движения. [63] Спутники или ракеты-носители на других орбитах, особенно на геостационарной переходной орбите , вызывают дополнительную озабоченность из-за их обычно высокой скорости пересечения.
Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических кораблей все же произошли. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства «Олимп-1» подвергся удару метеорита 11 августа 1993 года и в конечном итоге переместился на орбиту кладбища . [64] 29 марта 2006 г. российский спутник связи «Экспресс-АМ11» был сбит неизвестным объектом и выведен из строя; [65] у его инженеров было достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту кладбища.
В 1958 году Соединенные Штаты Америки запустили «Вэнгард-1» на среднюю околоземную орбиту (СОО). По состоянию на октябрь 2009 года это верхняя ступень ракеты-носителя «Вэнгард-1 »[update] и связанный с ней обломок являются старейшими сохранившимися искусственными космическими объектами, все еще находящимися на орбите, и, как ожидается, они останутся там до 2250 года . В мае 2022 года Союз обеспокоенных ученых перечислил 5465 действующих спутников из известной популяции в 27 000 фрагментов орбитального мусора, отслеживаемых НОРАД. [70] [71][update]
Иногда спутники остаются на орбите, когда они больше не нужны, многие страны требуют, чтобы спутники прошли пассивацию в конце своего срока службы. Затем спутники выводятся либо на более высокую, «кладбищную» орбиту, либо на более низкую, кратковременную орбиту. Тем не менее, спутники, которые были правильно переведены на более высокую орбиту, имеют восьмипроцентную вероятность прокола и выброса охлаждающей жидкости в течение 50-летнего периода. Охлаждающая жидкость замерзает, образуя капли твердого натриево-калиевого сплава, образуя еще больше мусора. [13] [72]
Несмотря на использование пассивизации или до ее стандартизации, многие спутники и корпуса ракет взорвались или развалились на орбите. Например, в феврале 2015 года рейс 13 метеорологической спутниковой программы Министерства обороны США (DMSP-F13) взорвался на орбите, образовав по меньшей мере 149 объектов мусора, которые, как ожидалось, останутся на орбите в течение десятилетий. [73] Позже в том же году NOAA-16 , выведенный из эксплуатации после аномалии в июне 2014 года, развалился на орбите как минимум на 275 частей. [74] Для более старых программ, таких как советские спутники «Метеор-2» и «Космос », конструктивные недостатки привели к многочисленным сбоям (по меньшей мере 68 к 1994 году) после вывода из эксплуатации, что привело к увеличению количества мусора. [40]
Помимо случайного образования мусора, некоторые из них были созданы намеренно путем преднамеренного уничтожения спутников. Это было сделано в качестве испытания противоспутниковой или противоракетной технологии или для предотвращения изучения чувствительного спутника иностранной державой. [40] Соединенные Штаты провели более 30 испытаний противоспутникового оружия (ASAT), Советский Союз / Россия провели как минимум 27, Китай провел 10 и Индия провела как минимум одно. [75] [76] Самыми последними противоспутниками были китайский перехват FY-1C , российские испытания PL-19 Nudol , американский перехват USA-193 и перехват Индией неустановленного действующего спутника . [76]
.jpg/1280px-Black_Knight_Satellite_(cropped).jpg)
Космический мусор включает в себя перчатку, потерянную астронавтом Эдом Уайтом во время первого американского выхода в открытый космос (EVA), камеру, потерянную Майклом Коллинзом возле «Джемини-10» , тепловое одеяло, потерянное во время STS-88, мешки для мусора, выброшенные советскими космонавтами во время полета «Мира ». 15 лет жизни, [77] гаечный ключ и зубная щетка. [78] Сунита Уильямс из STS-116 потеряла камеру во время выхода в открытый космос. Во время выхода в открытый космос STS-120 для укрепления порванной солнечной панели была потеряна пара плоскогубцев, а во время выхода в открытый космос STS -126 Хайдемари Стефанишин-Пайпер потеряла сумку для инструментов размером с портфель. [79]
Значительная часть мусора образуется из-за разрушения верхних ступеней ракеты (например, инерционной верхней ступени ) из-за разложения невытесненного топлива. [80] Первый такой случай связан с запуском спутника «Транзит-4а» в 1961 году. Через два часа после запуска разгонный блок Ablestar взорвался. Но даже бустеры, которые не разваливаются, могут стать проблемой. Крупнейшее известное столкновение произошло с (неповрежденной) ракетой-носителем Ariane . [56] : 2
Хотя НАСА и ВВС США теперь требуют пассивации верхней ступени, другие ракеты-носители, такие как китайское и российское космические агентства, этого не делают. Нижние ступени, такие как твердотопливные ракетные ускорители космического корабля «Шаттл» или ракеты-носители «Сатурн IB» программы «Аполлон» , не достигают орбиты. [81]
Примеры:
Бывшим источником мусора были испытания противоспутникового оружия (ПСС), проводившиеся США и Советским Союзом в 1960-х и 1970-х годах. Североамериканское командование воздушно-космической обороны (НОРАД) собирало данные только о советских испытаниях, а обломки американских испытаний были идентифицированы впоследствии. [94] К тому времени, когда проблема обломков была понята, широкомасштабные испытания противоспутниковых систем уже закончились. Американская программа 437 была закрыта в 1975 году. [95]
США возобновили свои программы противоспутниковой защиты в 1980-х годах, выпустив противоспутниковую систему Vought ASM-135 . Испытание 1985 года уничтожило спутник массой 1 тонну (2200 фунтов), находившийся на орбите на высоте 525 км (326 миль), создав тысячи обломков размером более 1 см (0,39 дюйма). На этой высоте атмосферное сопротивление за десятилетие разрушило орбиту большинства обломков. За испытанием последовал фактический мораторий . [96]
Правительство Китая было осуждено за военные последствия и количество мусора в результате испытания противоспутниковой ракеты в 2007 году, [97] крупнейшего инцидента с космическим мусором в истории (в результате образовалось более 2300 частей размером с мяч для гольфа или больше, более 35 000 на 1 см ( 0,4 дюйма) или больше и один миллион деталей размером 1 мм (0,04 дюйма) или больше). Целевой спутник находился на орбите между 850 км (530 миль) и 882 км (548 миль), частью околоземного пространства, наиболее густонаселенной спутниками. [98] Поскольку сопротивление атмосферы на этой высоте мало, обломки медленно возвращаются на Землю, и в июне 2007 года космический корабль НАСА «Терра» совершил маневр, чтобы избежать удара обломков. [99] Брайан Уиден, офицер ВВС США и сотрудник Фонда «Безопасный мир», отметил, что взрыв китайского спутника в 2007 году создал орбитальный мусор из более чем 3000 отдельных объектов, которые затем потребовалось отслеживать. [100] 20 февраля 2008 года США запустили ракету SM-3 с авианосца « Лейк-Эри» , чтобы уничтожить неисправный американский спутник-шпион, предположительно несущий 450 кг (1000 фунтов) токсичного гидразинового топлива. Событие произошло на высоте около 250 км (155 миль), и образовавшиеся обломки имеют перигей 250 км (155 миль) или ниже. [101] Ракета была нацелена на минимизацию количества обломков, которые (по словам главы Стратегического командования Пентагона Кевина Чилтона) разложились к началу 2009 года. [102]
27 марта 2019 года премьер-министр Индии Нарендра Моди объявил, что Индия сбила один из своих собственных спутников на околоземной орбите с помощью ракеты наземного базирования. Он заявил, что операция, являющаяся частью миссии «Шакти» , защитит интересы страны в космосе. После этого Космическое командование ВВС США объявило, что отслеживает 270 новых обломков, но ожидает, что их число будет расти по мере продолжения сбора данных. [103]
По данным Госдепартамента США , 15 ноября 2021 года Минобороны России уничтожило «Космос-1408» [104] , находившийся на орбите около 450 км, создав «более 1500 отслеживаемых обломков и сотни тысяч неотслеживаемых обломков». [105]
Уязвимость спутников к обломкам и возможность нападения на спутники LEO с целью создания облаков обломков вызвали предположения о том, что это возможно для стран, неспособных совершить точную атаку. [ необходимы разъяснения ] Атака на спутник массой 10 т (22 000 фунтов) или более нанесет серьезный ущерб окружающей среде на околоземной орбите. [96]
Космический мусор может представлять опасность для активных спутников и космических кораблей. Было высказано предположение, что орбита Земли может даже стать непроходимой, если риск столкновения станет слишком велик. [106] [ не удалось проверить ]
Однако, поскольку риск для космического корабля увеличивается при воздействии высокой плотности мусора, правильнее будет сказать, что орбитальный корабль станет непригодным для использования на околоземной орбите. Угроза прохождения корабля через НОО для выхода на более высокую орбиту будет намного ниже из-за очень короткого промежутка времени пересечения.
Хотя космические корабли обычно защищены щитами Уиппла , солнечные панели, которые подвергаются воздействию Солнца, изнашиваются от ударов малой массы. Даже небольшие удары могут привести к образованию облака плазмы , которое представляет опасность для панелей. [107]
Считается, что спутники были уничтожены микрометеоритами и (небольшими) орбитальными обломками (MMOD). Самой ранней предполагаемой потерей был «Космос 1275», который исчез 24 июля 1981 года (через месяц после запуска). В «Космосе» не было летучего топлива, поэтому внутри спутника не было ничего, что могло бы вызвать произошедший разрушительный взрыв. Однако дело не доказано, и выдвинута еще одна гипотеза: аккумулятор взорвался. Отслеживание показало, что он распался на 300 новых объектов. [108]
С тех пор были подтверждены многие воздействия. Например, 24 июля 1996 г. французский микроспутник Cerise был сбит осколками разгонного блока ракеты-носителя Ариан-1 Н-10, взорвавшегося в ноябре 1986 г. [56] : 2 29 марта 2006 г. российский спутник связи «Экспресс АМ11» был поражен неизвестным предметом и стал неработоспособным. [65] 13 октября 2009 года на Терре произошла аномалия отказа одного элемента батареи и аномалия управления нагревателем батареи, которые впоследствии были сочтены вероятными результатом удара MMOD. [109] 12 марта 2010 года на Ауре отключилась половина одной из 11 солнечных панелей, что также было связано с ударом MMOD. [110] 22 мая 2013 года GOES 13 был поражен MMOD, из-за чего он потерял счет звезд, которые он использовал для поддержания боевого положения. Чтобы космический корабль вернулся в работу, потребовался почти месяц. [111]
Первое крупное столкновение спутников произошло 10 февраля 2009 года. Заброшенный спутник « Космос 2251» массой 950 кг (2090 фунтов) и действующий спутник «Иридиум 33» массой 560 кг (1230 фунтов) столкнулись в 500 милях (800 км) [112] над северной Сибирью. Относительная скорость удара составила около 11,7 км/с (7,3 мили/с) или около 42 120 км/ч (26 170 миль в час). [113] Оба спутника были уничтожены, в результате чего образовались тысячи новых, более мелких обломков, а вопросы юридической и политической ответственности не были решены даже годы спустя. [114] [115] [116] 22 января 2013 года БЛИТС (российский спутник лазерной локации) был поражен обломками, предположительно оставшимися в результате испытаний китайской противоспутниковой ракеты в 2007 году , что изменило как его орбиту, так и скорость вращения. [117]
Спутники иногда [ необходимы разъяснения ] выполняют маневры по предотвращению столкновений, а операторы спутников могут отслеживать космический мусор в рамках планирования маневров. Например, в январе 2017 года Европейское космическое агентство приняло решение изменить орбиту одного из трёх своих [118] космических кораблей миссии Swarm на основе данных Объединенного центра космических операций США , чтобы снизить риск столкновения с «Космос-375». , заброшенный российский спутник. [119]
Пилотируемые полеты особенно уязвимы к скоплениям космического мусора на орбитальной траектории космического корабля. Случайные маневры уклонения или длительный износ космического мусора повлияли на космический челнок, космическую станцию Мир и Международную космическую станцию.
С первых миссий шаттла НАСА использовало возможности космического мониторинга NORAD для оценки орбитального пути шаттла на наличие мусора. В 1980-х годах это потребляло значительную часть мощностей НОРАД. [28] Первый маневр по предотвращению столкновения произошел во время STS-48 в сентябре 1991 года, [120] семисекундное включение двигателя , чтобы избежать обломков заброшенного спутника «Космос-955» . [121] Подобные маневры были выполнены в миссиях 53, 72 и 82. [120]
Одно из первых событий, ставших известными о проблеме мусора, произошло во время второго полета космического корабля "Челленджер " STS-7. Пятно краски попало в переднее окно, образовав ямку шириной более 1 мм (0,04 дюйма). На STS-59 в 1994 году лобовое окно Endeavour было изрыто примерно на половину своей глубины . С 1998 года количество незначительных обломков увеличилось. [122]
Сколы окон и незначительные повреждения плиток системы теплозащиты (ТПС) уже были обычным явлением в 1990-х годах. Позже «Шаттл» был запущен хвостом вперед, чтобы принять на себя большую часть нагрузки на двигатели и задний грузовой отсек, которые не используются на орбите или во время спуска и, следовательно, менее критичны для работы после запуска. Во время полета на МКС шаттл переворачивался, чтобы лучше бронированная станция защищала орбитальный аппарат. [123]
Исследование НАСА 2005 года пришло к выводу, что обломки составляют примерно половину общего риска для Шаттла. [123] [124] Решение о продолжении действий на уровне руководства требовалось, если вероятность катастрофического воздействия была выше 1 из 200. При обычной (низкоорбитальной) миссии на МКС риск составлял примерно 1 из 300, но телескоп Хаббл Ремонтная миссия выполнялась на более высокой орбитальной высоте 560 км (350 миль), где риск изначально рассчитывался как 1 из 185 (отчасти из-за столкновения спутников в 2009 году). Повторный анализ с более точным числом обломков снизил предполагаемый риск до 1 из 221, и миссия продолжилась. [125]
Инциденты с обломками продолжались и в последующих миссиях Шаттла. Во время полета STS-115 в 2006 году фрагмент монтажной платы проделал небольшую дыру в панелях радиатора грузового отсека «Атлантиса » . [126] На STS-118 в 2007 году обломки проделали пулевое отверстие в панели радиатора Endeavour . [127]
Ударный износ был заметен на советской космической станции «Мир» , поскольку она долгое время оставалась в космосе со своими оригинальными панелями солнечных модулей. [128] [129]
МКС также использует защиту Уиппла для защиты своей внутренней части от мелкого мусора. [130] Однако внешние части (особенно солнечные панели ) защитить непросто. В 1989 году прогнозировалось, что панели МКС деградируют примерно на 0,23% за четыре года из-за «пескоструйного» эффекта от столкновений с небольшим орбитальным мусором. [131] Маневр уклонения обычно выполняется на МКС, если «вероятность столкновения с обломками превышает один из 10 000». [132] По состоянию на январь 2014 года [update]за пятнадцать лет пребывания МКС на орбите было проведено шестнадцать маневров. [132] К 2019 году на МКС было зафиксировано более 1400 столкновений метеороидов и орбитального мусора (MMOD). [133]
В качестве еще одного метода снижения риска для людей на борту оперативное руководство МКС трижды просило экипаж укрыться в « Союзе» из-за позднего предупреждения о близости мусора. Помимо шестнадцати запусков двигателей и трех приказов об укрытии капсулы «Союз», одна попытка маневра не была завершена из-за отсутствия предупреждения за несколько дней, необходимого для загрузки временной шкалы маневра в компьютер станции. [132] [134] [135] В марте 2009 года произошло событие, связанное с обломками, предположительно представляющими собой кусок спутника «Космос 1275» размером 10 см (3,9 дюйма). [136] В 2013 году руководство эксплуатации МКС не совершило ни одного маневра по обходу мусора после совершения рекордных четырех маневров по обломкам в прошлом году. [132]
.png/1280px-The_growth_of_all_tracked_objects_in_space_over_time_(space_debris_and_satellites).png)
Синдром Кесслера, [138] [139] , предложенный ученым НАСА Дональдом Дж. Кесслером в 1978 году, представляет собой теоретический сценарий, при котором плотность объектов на низкой околоземной орбите (НОО) достаточно высока, чтобы столкновения между объектами могли вызвать каскадный эффект. где при каждом столкновении образуется космический мусор, что увеличивает вероятность дальнейших столкновений. [140] Далее он предположил, что одним из последствий, если это произойдет, будет то, что распространение мусора на орбите может сделать космическую деятельность и использование спутников в определенных орбитальных диапазонах экономически непрактичными для многих поколений. [140]
Рост количества объектов в результате исследований конца 1990-х годов вызвал в космическом сообществе дебаты о природе проблемы и более ранних мрачных предупреждениях. Согласно выводам Кесслера 1991 года и обновлениям 2001 года, [141] среда НОО в диапазоне высот 1000 км (620 миль) должна быть каскадной. Однако произошел только один крупный инцидент со столкновением спутников: столкновение спутников Иридиум-33 и Космос-2251 в 2009 году. Отсутствие очевидного краткосрочного каскадного каскадирования привело к предположению, что первоначальные оценки преувеличивали проблему. [142] Однако, по мнению Кесслера в 2010 году, каскад может быть неочевиден до тех пор, пока он не достигнет достаточной стадии развития, что может занять годы. [143]
Хотя большая часть мусора сгорает в атмосфере, более крупные объекты мусора могут достичь земли неповрежденными. По данным НАСА, в среднем один занесенный в каталог обломок падает на Землю каждый день в течение последних 50 лет. Несмотря на их размеры, существенного материального ущерба от обломков не было. [144] Сгорание в атмосфере способствует загрязнению воздуха. [145] Были найдены многочисленные небольшие цилиндрические резервуары с космических объектов, предназначенные для хранения топлива или газов. [146]
Радар и оптические детекторы, такие как лидар, являются основными инструментами отслеживания космического мусора. Хотя объекты размером менее 10 см (4 дюйма) имеют пониженную орбитальную стабильность, можно отслеживать обломки размером всего 1 см, [147] [148] , однако определение орбит для повторного обнаружения затруднено. Большинство обломков остаются незамеченными. Обсерватория орбитального мусора НАСА отслеживала космический мусор с помощью транзитного телескопа с жидким зеркалом диаметром 3 м (10 футов) . [149] Волны FM-радио могут обнаруживать мусор после отражения от него на приемнике. [150] Оптическое слежение может быть полезной системой раннего предупреждения на космических кораблях. [151]
Стратегическое командование США ведет каталог известных орбитальных объектов, используя наземные радары и телескопы, а также телескоп космического базирования (первоначально для того, чтобы отличить их от вражеских ракет). В издании 2009 года было перечислено около 19 000 объектов. [152] Другие данные получены с телескопа космического мусора ЕКА , TIRA , [153] радаров Goldstone, Haystack, [154] и EISCAT, а также радара с фазированной решеткой Cobra Dane , [ 155 ] которые будут использоваться в моделях окружающей среды мусора, таких как Справочник ЕКА по наземной среде метеороидов и космического мусора (MASTER).
Возвращенное космическое оборудование является ценным источником информации о направленном распределении и составе (субмиллиметрового) потока мусора. Спутник LDEF , развернутый миссией STS-41-C Challenger и поднятый STS-32 Columbia , провел на орбите 68 месяцев для сбора данных об обломках. Спутник EURECA , запущенный STS-46 Atlantis в 1992 году и возвращенный STS-57 Endeavour в 1993 году, также использовался для изучения обломков. [156]
Солнечные батареи Хаббла были возвращены миссиями STS-61 Endeavour и STS-109 Columbia , а ударные кратеры были изучены ЕКА для проверки своих моделей. Также были изучены материалы, возвращенные с «Мира», в частности полезная нагрузка «Мир» для воздействия на окружающую среду (которая также тестировала материалы, предназначенные для МКС [157] ). [158] [159]
Облако обломков, образовавшееся в результате одного события, изучается с помощью диаграмм рассеяния , известных как диаграммы Габбарда, где перигей и апогей фрагментов нанесены относительно их орбитального периода . Восстановлены диаграммы Габбарда раннего облака обломков до воздействия возмущений, если данные были доступны. Они часто включают данные о недавно обнаруженных, еще не каталогизированных фрагментах. Диаграммы Габбарда могут дать важную информацию об особенностях фрагментации, направлении и точке удара. [23] [160]
В среднем около одного отслеживаемого объекта в день выпадало с орбиты в течение последних 50 лет, [161] в среднем почти три объекта в день в солнечном максимуме (из-за нагрева и расширения земной атмосферы), но примерно каждый день три дня солнечного минимума , обычно пять с половиной лет спустя. [161] Помимо естественных атмосферных воздействий, корпорации, ученые и правительственные учреждения предложили планы и технологии борьбы с космическим мусором, но по состоянию на ноябрь 2014 года [update]большинство из них являются теоретическими, и бизнес-плана по сокращению мусора не существует. [24]
Ряд ученых также отмечают, что институциональные факторы – политические, правовые, экономические и культурные «правила игры» – являются самым большим препятствием на пути очистки околоземного пространства. Коммерческий стимул действовать незначителен, поскольку затраты не возлагаются на загрязнителей , хотя был предложен ряд технологических решений. [24] Однако на сегодняшний день эффект ограничен. В США правительственные органы обвиняют в отказе от предыдущих обязательств по ограничению роста мусора, «не говоря уже о решении более сложных проблем удаления орбитального мусора». [162] Различные методы удаления космического мусора были оценены Консультативным советом космического поколения , в том числе французским астрофизиком Фатуматой Кебе . [163]
Не существует международного договора о минимизации космического мусора. Однако в 2007 году Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных целях (КОПУОС) опубликовал добровольные руководящие принципы, [164] используя ряд более ранних попыток национального регулирования по разработке стандартов по уменьшению образования мусора. По состоянию на 2008 год комитет обсуждал международные «правила дорожного движения» по предотвращению столкновений между спутниками. [165] К 2013 году существовал ряд национальных правовых режимов, [166] [167] [168] обычно воплощавшихся в лицензиях на запуск, которые необходимы для запуска во всех космических странах . [169]
В 2001 году США опубликовали набор стандартных практик для гражданского (НАСА) и военного ( Министерство обороны и ВВС США) предотвращения образования орбитального мусора. [170] [171] [167] Стандарт предусматривал утилизацию с конечных орбит миссии одним из трех способов: 1) вход в атмосферу, при котором даже при «консервативных прогнозах солнечной активности сопротивление атмосферы ограничит продолжительность жизни не более чем 25 годами после завершения миссии»; 2) маневр на «орбиту хранения»: переместите космический корабль на один из четырех очень широких диапазонов стояночной орбиты (2 000–19 700 км (1 200–12 200 миль), 20 700–35 300 км (12 900–21 900 миль), выше 36 100 км (22 400 миль). миль) или полностью покинуть орбиту Земли и перейти на любую гелиоцентрическую орбиту ; 3) «Прямое возвращение: извлечь конструкцию и удалить ее с орбиты как можно скорее после завершения миссии». [166] Стандарт, сформулированный в варианте 1, который является стандартом, применимым к большинству запускаемых спутников и заброшенных верхних ступеней, стал известен как «правило 25 лет». [172] США обновили Стандартную практику предотвращения образования орбитального мусора (ODMSP) в декабре 2019 года, но не внесли никаких изменений в правило 25 лет, хотя «[многие) в космическом сообществе считают, что этот срок должен составлять менее 25 лет». ." [173] Однако единого мнения относительно того, какими могут быть новые сроки, нет. [173]
В 2002 году Европейское космическое агентство (ЕКА) работало с международной группой над обнародованием аналогичного набора стандартов, также с «правилом 25 лет», применимым к большинству спутников на околоземной орбите и верхних ступенях. Космические агентства в Европе начали разрабатывать технические руководящие принципы в середине 1990-х годов, а ASI , UKSA , CNES , DLR и ESA подписали «Европейский кодекс поведения» в 2006 году [168] , который был стандартом-предшественником международного стандарта ISO. это начнется в следующем году. В 2008 году ЕКА дополнительно разработало «свои собственные «Требования по предотвращению образования космического мусора для проектов агентства», которые «вступили в силу 1 апреля 2008 года» .
Германия и Франция вложили облигации для защиты собственности от ущерба от обломков. [ необходимы разъяснения ] [174] Вариант «прямого извлечения» (вариант № 3 в приведенных выше «стандартных практиках» США) редко применялся какой-либо космической державой (за исключением ВВС США X-37 ) или коммерческим субъектом с самых первых дней. космических полетов из-за стоимости и сложности прямого извлечения, но ЕКА запланировало на 2025 год демонстрационную миссию (Clearspace-1), чтобы сделать это с одной небольшой заброшенной верхней ступенью массой 100 кг (220 фунтов) по прогнозируемой стоимости 120 евро. миллионов, не считая затрат на запуск. [175]
К 2006 году Индийская организация космических исследований (ISRO) разработала ряд технических средств борьбы с мусором (пассивация верхних ступеней, запасы топлива для вывода на орбиты-кладбища и т. д.) для ракет-носителей и спутников ISRO и активно вносила вклад в - координация агентства по обломкам и усилия комитета КОПУОС ООН. [176]
В 2007 году ISO начала подготовку международного стандарта по предотвращению образования космического мусора. [177] К 2010 году ISO опубликовала «полный набор технических стандартов космических систем, направленных на уменьшение количества космического мусора. [с основными требованиями], определенными в стандарте высшего уровня ISO 24113 ». К 2017 году стандарты были почти готовы. Однако эти стандарты не являются обязательными для какой-либо стороны со стороны ISO или какой-либо международной юрисдикции. Они просто доступны для использования любым из множества добровольных способов. Они «могут быть добровольно приняты производителем или оператором космического корабля, или введены в действие посредством коммерческого контракта между заказчиком и поставщиком, или использоваться в качестве основы для установления комплекса национальных правил по предотвращению образования космического мусора». [172]
Добровольный стандарт ISO также принял «правило 25 лет» для «защищенного региона НОО» на высоте ниже 2000 км (1200 миль), которое ранее (и до сих пор используется по состоянию на 2019 год [update]) используется США, ЕКА и ООН. стандарты смягчения последствий и определяет его как «верхний предел времени, в течение которого космическая система должна оставаться на орбите после завершения своей миссии. В идеале время схода с орбиты должно быть как можно более коротким (т.е. намного короче, чем 25 лет). )". [172]
Хольгер Краг из Европейского космического агентства заявляет, что по состоянию на 2017 год не существует обязательной международной нормативной базы и в соответствующем органе ООН в Вене не наблюдается никакого прогресса. [106]
По состоянию на 2010-е годы обычно применяется несколько технических подходов к уменьшению роста космического мусора, однако не существует всеобъемлющего правового режима или структуры распределения затрат для сокращения космического мусора так же, как загрязнение Земли сократилось с середины 20-х годов. век.
Чтобы избежать чрезмерного образования искусственного космического мусора, многие (но не все) спутники, запускаемые на орбиту выше низкой околоземной, сначала запускаются на эллиптические орбиты с перигеями внутри земной атмосферы, поэтому орбита быстро затухает, и спутники затем уничтожаются при возвращение в атмосферу. Другие методы используются для космических аппаратов на более высоких орбитах. К ним относятся пассивация космического корабля по окончании срока его службы; а также использование верхних ступеней, которые могут повторно запуститься для замедления ступени и намеренного вывода ее с орбиты, часто на первой или второй орбите после высвобождения полезной нагрузки; спутники, которые, если они останутся работоспособными в течение многих лет, могут сойти с нижних орбит вокруг Земли. Другие спутники (например, многие CubeSat) на низких орбитах ниже орбитальной высоты примерно 400 км (250 миль) зависят от энергопоглощающего воздействия верхних слоев атмосферы, позволяющего надежно свести космический корабль с орбиты в течение недель или месяцев.
Все чаще отработанные верхние ступени на более высоких орбитах – орбитах, для которых сход с орбиты с низким дельта-v невозможен или не запланирован – и архитектуры, поддерживающие пассивацию спутников, пассивируются в конце срока службы. Это удаляет любую внутреннюю энергию, содержащуюся в транспортном средстве в конце его миссии или срока службы. Хотя это не удаляет обломки ныне заброшенной ступени ракеты или самого спутника, это существенно снижает вероятность разрушения космического корабля и образования множества более мелких фрагментов космического мусора - явление, которое было обычным явлением для многих ранних поколений США и США. Советский [72] космический корабль.
Пассивация верхних ступеней (например, ускорителей «Дельта» [28] ) достигается за счет выброса остатков топлива, уменьшая количество мусора от орбитальных взрывов; однако даже в 2011 году не все верхние ступени реализовали эту практику. [179] SpaceX использовала термин «пропульсивная пассивация» для заключительного маневра своей шестичасовой демонстрационной миссии ( STP-2 ) второй ступени Falcon 9 для ВВС США в 2019 году, но не уточнила, что вообще включает в себя этот термин. . [180]
При использовании политики лицензий на запуск на околоземную орбиту «один вверх, один вниз» ракеты-носители будут сближаться, захватывать и сводить с орбиты заброшенный спутник примерно с той же орбитальной плоскости. [181] Другая возможность — роботизированная дозаправка спутников. НАСА провело эксперименты [182] , а SpaceX разрабатывает крупномасштабную технологию транспортировки топлива на орбиту. [183]
Другой подход к уменьшению засорения состоит в том, чтобы четко спроектировать архитектуру миссии так, чтобы вторая ступень ракеты всегда оставалась на эллиптической геоцентрической орбите с низким перигеем, обеспечивая тем самым быстрый спад орбиты и предотвращая долговременное образование орбитального мусора от отработавших корпусов ракет. Такие миссии часто завершают выведение полезной нагрузки на конечную орбиту за счет использования электрической силовой установки малой тяги или использования небольшой стартовой ступени для округления орбиты. Сама стартовая ступень может быть спроектирована с возможностью использования избыточного топлива, чтобы иметь возможность самостоятельного схода с орбиты. [184]
Хотя МСЭ требует, чтобы геостационарные спутники в конце своего срока службы переходили на орбиту захоронения, выбранные орбитальные зоны недостаточно защищают полосы ГСО от мусора. [61] Ступени ракеты (или спутники) с достаточным количеством топлива могут совершить прямой контролируемый сход с орбиты, а если для этого потребуется слишком много топлива, спутник может быть выведен на орбиту, где сопротивление атмосферы приведет к его сходу с орбиты. . Это было сделано с помощью французского спутника Spot-1 , сократив время его входа в атмосферу с прогнозируемых 200 лет до примерно 15 за счет снижения его высоты с 830 км (516 миль) до примерно 550 км (342 миль). [185] [186]
Созвездие Иридиум – 95 спутников связи, запущенных в течение пятилетнего периода с 1997 по 2002 год – предоставляет набор данных о пределах самоудаления. Спутниковый оператор Iridium Communications продолжал работать в течение двух десятилетий существования спутников (хотя и с изменением названия компании в результате корпоративного банкротства в течение этого периода) и к декабрю 2019 года «завершил продажу последнего из своих 65 работающих спутников». устаревшие спутники». [187] Однако в результате этого процесса осталось 30 спутников общей массой (20 400 кг (45 000 фунтов), или почти треть массы этого созвездия) на околоорбитальных орбитах на высоте примерно 700 км (430 миль), где самопроизвольно распад происходит довольно медленно. Из этих спутников 29 просто вышли из строя во время пребывания на орбите и, таким образом, не смогли самостоятельно спуститься с орбиты, а один — Iridium 33 — участвовал в столкновении спутника в 2009 году с заброшенным российским военным спутником «Космос-2251» . [187] Никакого плана действий в чрезвычайных ситуациях по удалению спутников, которые не смогли удалиться самостоятельно, не было. В 2019 году генеральный директор Iridium Мэтт Деш заявил, что Iridium была бы готова заплатить компании по удалению активного мусора за вывод с орбиты оставшихся спутников первого поколения, если бы это было возможно, по нереально низкой цене, скажем, « 10 000 долларов США за увод с орбиты ». ", но [он] признал, что цена, скорее всего, будет намного ниже той, которую реально может предложить компания по вывозу мусора. «Вы знаете, в какой момент [это] не представляет никакой сложности, но [я] ожидаю, что стоимость действительно исчисляется миллионами или десятки миллионов, и такая цена, я знаю , не имеет смысла » .
Предложены пассивные методы увеличения скорости распада космического мусора на орбите. Вместо ракет при запуске к космическому кораблю можно было бы прикрепить электродинамический трос ; в конце срока службы трос будет растянут, чтобы замедлить космический корабль. [188] Другие предложения включают в себя ускорительную ступень с креплением в виде паруса [189] и большую, тонкую, надувную оболочку аэростата. [190]
В конце декабря 2022 года ЕКА успешно провело демонстрацию сломанного парусного спутника ADEO , который можно использовать для смягчения последствий и является частью инициативы ЕКА по нулевому мусору. Примерно годом ранее Китай также испытал тормозной парус. [191] [192]
Были предложены, изучены или построены наземные подсистемы для использования других космических аппаратов для удаления существующего космического мусора.
Консенсус выступавших на встрече в Брюсселе в октябре 2012 года, организованной Фондом «Безопасный мир» (аналитический центр США) и Французским институтом международных отношений, [193] сообщил, что удаление самых крупных обломков потребуется для предотвращения риска КА становится неприемлемым в обозримом будущем (без пополнения запаса погибших КА на НОО). На сегодняшний день, в 2019 году, затраты на удаление и юридические вопросы, касающиеся владения и полномочий на удаление несуществующих спутников, загнали в тупик национальные и международные действия. Действующее космическое законодательство сохраняет право собственности на все спутники за их первоначальными операторами, даже на обломки или космические корабли, которые вышли из строя или угрожают активным миссиям.
В конце 2010-х годов несколько компаний планировали провести внешнее удаление своих спутников на средних орбитах НОО. Например, OneWeb планировала использовать бортовое самоудаление в качестве «плана А» для спуска спутника с орбиты в конце срока службы, но если спутник не сможет удалиться в течение одного года после окончания срока службы, OneWeb реализовала «план Б» и отправить космический буксир многоразового использования (многотранспортная миссия), который прикрепится к спутнику к уже встроенной цели захвата с помощью захватного приспособления, будет отбуксирован на более низкую орбиту и выпущен для повторного входа в атмосферу. [194] [195]
Хорошо изученное решение использует дистанционно управляемое транспортное средство для встречи, захвата и возврата обломков на центральную станцию. [196] Одной из таких систем является Space Infrastructure Service, коммерчески разработанная заправочная станция и космический корабль для обслуживания спутников связи на геостационарной орбите, запуск которого первоначально планировался на 2015 год. [197] СИС сможет «выталкивать мертвые спутники на орбиты кладбища». [198] Семейство верхних ступеней Advanced Common Evolved Stage проектируется с высоким запасом остаточного топлива (для захвата и спуска с орбиты) и возможностью дозаправки в космосе для высокой дельты v , необходимой для схода с орбиты тяжелых объектов. с геостационарной орбиты. [181] Был исследован спутник, похожий на буксир, который будет перетаскивать обломки на безопасную высоту, чтобы они сгорели в атмосфере. [199] Когда обломки обнаруживаются, спутник создает разницу потенциалов между обломками и самим собой, а затем с помощью своих двигателей перемещает себя и обломки на более безопасную орбиту.
Вариант этого подхода заключается в том, что дистанционно управляемый аппарат встречается с обломками, временно захватывает их, чтобы присоединить меньший спутник, сходящий с орбиты, и перетаскивает обломки с помощью троса в нужное место. Затем «материнский корабль» будет буксировать комбинацию обломков и маленького спутника для входа в атмосферу или переместить ее на орбиту кладбища. Одной из таких систем является предлагаемый Busek ORbital DEbris Remover (ORDER) , который будет переносить с орбиты более 40 спутников SUL (спутник на шлангокабеле) и топливо, достаточное для их удаления. [24]
7 января 2010 года компания Star, Inc. сообщила, что получила контракт от Командования космических и военно-морских систем на технико-экономическое обоснование безракетного космического корабля ElectroDynamic Debris Eliminator (EDDE) для удаления космического мусора. [200] В феврале 2012 года Швейцарский космический центр Федеральной политехнической школы Лозанны объявил о проекте Clean Space One — демонстрационном проекте наноспутника , предназначенном для согласования орбиты несуществующего швейцарского наноспутника, его захвата и совместного спуска с орбиты. [201] Миссия претерпела несколько изменений на пути к созданию модели захвата, вдохновленной pac-man. [202] В 2013 году изучался «Space Sweeper» с «Sling-Sat» (4S), захватывающим спутником, который захватывает и выбрасывает мусор. [203] [ нужна обновленная информация ] В 2022 году китайский спутник SJ-21 захватил неиспользуемый спутник и «кинул» его на орбиту с меньшим риском столкновения. [204] [205]
В декабре 2019 года Европейское космическое агентство заключило первый контракт на очистку космического мусора. Миссия стоимостью 120 миллионов евро, получившая название ClearSpace-1 (дополнительная часть проекта EPFL), должна быть запущена в 2025 году. Целью миссии является удаление 100-килограммового адаптера вторичной полезной нагрузки VEga (Vespa) [206] , оставленного рейсом Vega VV02 на расстоянии 800 км. (500 миль) на орбите в 2013 году. «Преследователь» схватит мусор четырьмя роботизированными руками и утащит его в атмосферу Земли, где оба сгорят. [175]
Лазерная метла использует наземный лазер для удаления передней части обломков, создавая ракетную тягу, которая замедляет объект. При продолжении применения обломки упадут достаточно, чтобы подвергнуться воздействию атмосферного сопротивления. [207] [208] В конце 1990-х годов проект «Орион» ВВС США представлял собой конструкцию лазерной метлы. [209] Хотя испытательный стенд устройства планировалось запустить на космическом корабле "Шаттл" в 2003 году, международные соглашения, запрещающие мощные лазерные испытания на орбите, ограничили его использование измерениями. [210] Катастрофа космического корабля «Колумбия» в 2003 году отложила реализацию проекта, и, по словам Николаса Джонсона, главного научного сотрудника и руководителя программы Управления программы по орбитальному мусору НАСА, «в окончательном отчете «Ориона» есть много мелких ошибок. на полке более десяти лет». [211]
Импульс фотонов лазерного луча мог бы напрямую передать обломкам тягу, достаточную для перемещения мелких обломков на новые орбиты с пути работающих спутников. Исследования НАСА в 2011 году показывают, что выстрел лазерным лучом по куску космического мусора может передать импульс 1 мм (0,039 дюйма) в секунду, а удерживание лазера на обломках в течение нескольких часов в день может изменить его курс на 200 м. (660 футов) в день. [212] Одним из недостатков является возможность деградации материала; энергия может разрушить обломки, что усугубит проблему. [213] Аналогичное предложение размещает лазер на спутнике на солнечно-синхронной орбите, используя импульсный луч для вывода спутников на более низкие орбиты и ускорения их входа в атмосферу. [24] Было сделано предложение заменить лазер на ионно-лучевой «Пастух» , [214] и другие предложения использовать пенистый шар из аэрогеля или брызги воды, [215] надувные воздушные шары, [216] электродинамические тросы , [217] ] электроадгезия , [218] и специализированное противоспутниковое оружие. [219]
28 февраля 2014 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило испытательный спутник «космической сети». Запуск был только эксплуатационным испытанием. [220] В декабре 2016 года страна отправила на МКС через «Коунотори-6» сборщик космического мусора , с помощью которого ученые JAXA экспериментируют по вытаскиванию мусора с орбиты с помощью троса. [221] [222] Системе не удалось протянуть 700-метровый трос от корабля снабжения космической станции, возвращавшегося на Землю. [223] [224] 6 февраля миссия была объявлена проваленной, и ведущий исследователь Коичи Иноуэ заявил журналистам, что, по их мнению, привязь не была отпущена. [225]
В период с 2012 по 2018 год Европейское космическое агентство работало над проектом миссии по удалению крупного космического мусора с орбиты с помощью механических щупалец или сетей. Целью миссии e.Deorbit было удаление с НОО обломков весом более 4000 кг (8800 фунтов). [226] Было изучено несколько методов захвата, включая сеть, гарпун и комбинацию роботизированной руки и зажимного механизма. [227] Финансирование миссии было прекращено в 2018 году в пользу миссии ClearSpace-1 , которая сейчас находится в стадии разработки.
План миссии RemoveDEBRIS заключается в проверке эффективности нескольких технологий ADR на макетах целей на низкой околоземной орбите. Для завершения запланированных экспериментов платформа оснащена сетью, гарпуном, лазерным дальномером, драгселем и двумя CubeSat (миниатюрными исследовательскими спутниками). [228] Миссия стартовала 2 апреля 2018 г. [ нужна ссылка ]
Технологии обработки металлов для плавления космического мусора и преобразования его в другие полезные форм-факторы разрабатываются компанией CisLunar Industries. Их система использует электромагнитный нагрев для плавления металла и формирования из него металлической проволоки, листового металла и металлического топлива. [229]
Двигательная система, получившая название Neumann Drive, была разработана в Аделаиде , Австралия, и впервые была отправлена в космос в июне 2023 года. Металлический космический мусор преобразуется в топливные стержни , которые можно подключить к Neumann Drive, «по сути превращая твердое металлическое топливо в плазма». Drive будет использоваться американскими космическими компаниями, которые уже имеют сети или роботизированное оружие для улавливания орбитальных отходов. Двигатель позволяет этим спутникам вернуться на Землю с собранными ими отходами, что позволяет переплавить их для производства большего количества топлива. [45]
Благодаря быстрому развитию компьютерной и цифровой индустрии с начала 20-го века все больше стран и компаний начали заниматься космической деятельностью. Трагедия общего достояния – это экономическая теория, описывающая ситуацию, когда максимизация личных интересов посредством использования общего ресурса может в конечном итоге привести к деградации ресурсов, общих для всех. [230] Согласно теории, рациональные действия отдельных людей в космосе в конечном итоге приведут к иррациональному коллективному результату: орбиты будут забиты мусором. Как общий ресурс , орбиты Земли, особенно НОО и ГСО, на которых размещено большинство спутников, неисключаемы и соперничают . [231] Чтобы справиться с этой трагедией и обеспечить космическую устойчивость , было разработано множество технических подходов. Что касается механизмов управления, централизованное управление сверху вниз менее подходит для решения сложной проблемы мусора из-за растущего числа космических игроков. [232] Вместо этого имеется множество свидетельств того, что полицентрическая форма управления, разработанная Элинор Остром, может работать в космосе. [233]
В процессе продвижения полицентрической сети необходимо преодолеть некоторые существующие препятствия.
Поскольку орбитальный мусор является глобальной проблемой, затрагивающей как космические, так и некосмические страны, ее необходимо решать в глобальном контексте. [230] Из-за сложности и динамики движения объектов, таких как космические корабли, обломки, метеориты и т. д., многие страны и регионы, включая США, Европу, Россию и Китай, разработали свои системы осведомленности о космической ситуации (SSA), чтобы избежать потенциальных угроз в пространство или спланируйте действия заранее. [234] В определенной степени SSA играет роль в отслеживании космического мусора. Для построения мощной системы ССА существуют две предпосылки: международное сотрудничество и обмен информацией и данными. [234] Однако ограничения по-прежнему существуют, несмотря на существенное улучшение качества данных за последние десятилетия. Некоторые космические державы не желают делиться собранной ими информацией, а те, кто поделился этими данными, например США, держат часть их в секрете. [235] Вместо скоординированного объединения многие программы ССА и национальные базы данных работают параллельно друг с другом с некоторым дублированием, что препятствует формированию совместной системы мониторинга. [235]
Некоторые частные субъекты также пытаются создать системы SSA. Например, Ассоциация космических данных (SDA), созданная в 2009 году, является неправительственной организацией. В настоящее время в его состав входят 21 глобальный оператор спутниковой связи и 4 исполнительных члена: Eutelsat , Inmarsat , Intelsat и SES . SDA — это некоммерческая платформа, целью которой является предотвращение радиопомех и космических столкновений путем независимого сбора данных от операторов. [234] Исследователи предполагают необходимость создания международного центра по обмену информацией о космическом мусоре, поскольку сети SSA не полностью эквивалентны системам слежения за мусором — первые больше ориентированы на активные и угрожающие объекты в космосе. [236] А что касается обломков и вышедших из строя спутников, операторы предоставили не так уж много данных. [236]
В полицентричной сети управления ресурсом, который невозможно контролировать целостно, сложнее управлять. [235] Недостаточное транснациональное сотрудничество и обмен информацией препятствуют решению проблемы мусора. Предстоит еще пройти долгий путь, прежде чем построить глобальную сеть, охватывающую полные данные и обладающую сильной взаимосвязью и функциональной совместимостью.
С коммерциализацией спутников и космоса частный сектор становится все более заинтересованным в космической деятельности. Например, SpaceX планирует создать сеть из примерно 12 000 небольших спутников, которые смогут передавать высокоскоростной интернет в любую точку мира. [237] Доля коммерческих космических аппаратов увеличилась с 4,6% в 1980-х годах до 55,6% в 2010-х. [238] Несмотря на высокий уровень участия коммерческих организаций, КОПУОС ООН однажды намеренно лишил их права голоса в дискуссиях без официального приглашения от государства-члена. [232] Остром заявил, что участие всех соответствующих заинтересованных сторон в процессе разработки и внедрения правил является одним из важнейших элементов успешного управления. [239] Исключение частных субъектов в значительной степени снижает эффективность роли комитета в создании механизмов коллективного выбора, отражающих интересы всех пользователей космоса. [232]
Ограниченное участие частных лиц в некоторой степени замедляет процесс решения проблемы космического мусора. [240] Связи, существующие между различными заинтересованными сторонами в сети управления, открывают доступ к разнообразным ресурсам. [241] Различная компетентность заинтересованных сторон может помочь более разумно распределить задачи. В этом случае знания и опыт частных операторов имеют решающее значение для того, чтобы помочь миру достичь космической устойчивости. [240] Взаимодополняющие сильные стороны различных заинтересованных сторон позволяют сети управления лучше адаптироваться к изменениям и более эффективно достигать общих целей. [241] В последние годы многие частные компании увидели коммерческие возможности уничтожения космического мусора. Предполагается, что к 2022 году мировой рынок мониторинга и удаления мусора принесет доход около 2,9 миллиарда долларов. [242] Например, Astroscale заключила контракт с европейскими и японскими космическими агентствами на разработку возможностей по удалению орбитального мусора. [243] Несмотря на это, их пока мало по сравнению с количеством тех, кто разместил спутники в космосе. Privateer Space, гавайская стартап-компания, основанная американским инженером Алексом Филдингом , космическим экологом Морибой Джа и соучредителем Apple Стивом Возняком , объявила в сентябре 2021 года о планах запустить на орбиту сотни спутников для изучения космического мусора. [244] Однако компания заявила, что находится в «скрытом режиме» и никаких запусков таких спутников не проводилось. [244]
К счастью, нынешнее освоение космоса не полностью обусловлено конкуренцией, и все еще существует шанс для диалога и сотрудничества между всеми заинтересованными сторонами как в развитых, так и в развивающихся странах, чтобы достичь соглашения по борьбе с космическим мусором и обеспечить справедливое и упорядоченное исследование. [245] Помимо частных участников, сетевое управление не обязательно исключает участие государств. Вместо этого различные функции государств могут способствовать процессу управления. [246] Для улучшения полицентрической сети управления космическим мусором исследователи предлагают: поощрять обмен данными между различными национальными и организационными базами данных на политическом уровне; разработать общие стандарты для систем сбора данных для улучшения совместимости; расширить участие частных субъектов путем привлечения их к национальным и международным дискуссиям. [235]
Проблема космического мусора была поднята как проблема смягчения последствий миссий вокруг Луны с опасностью увеличения космического мусора вокруг нее. [247] [248]
В 2022 году на Марсе было обнаружено несколько элементов космического мусора: задняя оболочка «Персеверанса » была найдена на поверхности кратера Джезеро, [249] и кусок теплового одеяла, который, возможно, остался со стадии спуска марсохода. [250] [251]
Считается, что 4 марта 2022 года впервые космический мусор человека — скорее всего, отработанный корпус ракеты , третья ступень Long March 3C миссии Chang’e 5 T1 2014 года — непреднамеренно ударился о поверхность Луны , создав неожиданный двойной эффект. кратер. [252] [253]
«До конца света» (1991) — французская научно-фантастическая драма, действие которой происходит на фоне вышедшего из-под контроля индийского ядерного спутника, который, по прогнозам, снова войдет в атмосферу, угрожая обширным населенным пунктам Земли. [254]
«Гравитация» — фильм о выживании 2013 года, снятый Альфонсо Куароном , — о катастрофе во время космической миссии, вызванной синдромом Кесслера. [255]
В первом сезоне сериала «Любовь, смерть и роботы» (2019) эпизод 11 «Рука помощи» вращается вокруг космонавта, которого ударил винт из космического мусора, который сбил ее со спутника на орбите. [256]
Манга и аниме Planetes рассказывает историю о команде станции космического мусора, которая собирает и утилизирует космический мусор. [257]
Верхняя ступень «Дельта»: на вторых ступенях «Дельта» произошло несколько событий из-за остатков топлива, пока в 1981 году не было введено сжигание на истощение.
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Россия: 20 коорбитальных испытаний, 7 наземных/воздушных испытаний.
Несмотря на растущую обеспокоенность по поводу угрозы, исходящей от орбитального мусора, и формулировок в национальной космической политике США, предписывающих правительственным учреждениям изучать технологии очистки от мусора, многие в космическом сообществе обеспокоены тем, что правительство не делает достаточно для реализации этой политики.
первое обновление руководящих принципов с момента их публикации в 2001 году и отражает лучшее понимание работы спутников и других технических проблем, которые способствуют увеличению количества орбитального мусора.
...[Новые руководящие принципы 2019 года] не затрагивают один из самых больших вопросов, касающихся борьбы с мусором: следует ли сокращать 25-летний срок вывода спутников с орбиты после завершения их миссии.
Многие представители космического сообщества считают, что сроки должны составлять менее 25 лет.
