Синдром Кесслера (также называемый эффектом Кесслера , [1] [2] столкновительным каскадом или каскадом абляции ), предложенный ученым НАСА Дональдом Дж. Кесслером в 1978 году, представляет собой сценарий, при котором плотность объектов на низкой околоземной орбите (НОО) ) из-за космического загрязнения настолько многочисленны, что столкновения между объектами могут вызвать каскад, в котором каждое столкновение генерирует космический мусор , что увеличивает вероятность дальнейших столкновений. [3] В 2009 году Кесслер написал, что результаты моделирования пришли к выводу, что среда обломков уже нестабильна, «так что любая попытка создать среду без роста мелкого мусора путем устранения источников прошлого мусора, скорее всего, потерпит неудачу, потому что фрагменты от будущих столкновений будут генерироваться быстрее, чем атмосферное сопротивление устранит их». [4] Одним из последствий является то, что распространение мусора на орбите может затруднить космическую деятельность и использование спутников в определенных орбитальных диапазонах для многих поколений. [3]
Вилли Лей предсказал в 1960 году, что «со временем в космосе скопится некоторое количество таких случайно неудачных выстрелов, и их придется удалить, когда наступит эра пилотируемых космических полетов». [5] После запуска «Спутника-1» в 1957 году Командование аэрокосмической обороны Северной Америки (НОРАД) приступило к составлению базы данных ( Каталог космических объектов ) всех известных запусков ракет и объектов, выходящих на орбиту: спутников, защитных щитов и верхних и нижних -ступенчатые ракеты-носители. Позже НАСА опубликовало [ когда? ] модифицировали версии базы данных в двухстрочном наборе элементов , [6] и в начале 1980-х годов система досок объявлений CelesTrak переиздала их. [7]
Трекеры, заполнившие базу данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых возникли в результате орбитальных взрывов. [8] 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. Чтобы улучшить отслеживание, сотрудник НОРАД Джон Габбард вел отдельную базу данных. Изучая взрывы, Габбард разработал методику предсказания орбитальных траекторий их продуктов, и диаграммы (или графики) Габбарда сейчас широко используются. Эти исследования были использованы для улучшения моделирования эволюции и распада орбит. [9]
Когда в 1970-х годах база данных NORAD стала общедоступной, учёный НАСА Дональд Дж. Кесслер применил методику, разработанную для исследования пояса астероидов, к базе данных известных объектов. В июне 1978 года Кесслер и Бертон Кур-Пале в соавторстве написали статью «Частота столкновений искусственных спутников: создание пояса обломков» [3], продемонстрировав, что процесс, контролирующий эволюцию астероидов, вызовет аналогичный процесс столкновений на НОО через десятилетия, а не через несколько десятилетий. миллиарды лет. Они пришли к выводу, что примерно к 2000 году космический мусор превзойдет микрометеороиды как основной абляционный риск для орбитальных космических кораблей. [4]
В то время широко распространено мнение, что сопротивление верхних слоев атмосферы приведет к сходу обломков с орбиты быстрее, чем они образовались. [ нужна цитация ] Однако Габбард знал, что количество и тип объектов в космосе были недостаточно представлены в данных NORAD, и был знаком с их поведением. В интервью вскоре после публикации статьи 1978 года Габбард ввел термин «синдром Кесслера» для обозначения скопления мусора; [4] он стал широко использоваться после его появления в научно-популярной статье 1982 года, [10] которая получила Национальную премию журналистики Ассоциации авиационно-космических писателей в 1982 году. [4]
Отсутствие точных данных о космическом мусоре побудило провести серию исследований, чтобы лучше охарактеризовать среду НОО. В октябре 1979 года НАСА предоставило Кесслеру финансирование для дальнейших исследований. [4] В этих исследованиях использовалось несколько подходов.
Оптические телескопы и коротковолновые радары использовались для измерения количества и размеров космических объектов, и эти измерения показали, что опубликованные данные о численности населения были как минимум на 50% занижены. [11] До этого считалось, что в базе данных NORAD содержится большинство крупных объектов на орбите. Некоторые объекты (как правило, военные космические корабли США) были исключены из списка NORAD, а другие не были включены, поскольку считались неважными. В список сложно включить объекты размером менее 20 см (8 дюймов), в частности, обломки взрывающихся ступеней ракет и нескольких противоспутниковых испытаний 1960-х годов. [4]
Возвращенные космические корабли были подвергнуты микроскопическому исследованию на предмет небольших столкновений, а восстановленные части Скайлэба и командно-сервисного модуля Аполлона оказались изрытыми. Каждое исследование показало, что поток мусора был выше, чем ожидалось, и мусор был основным источником микрометеороидов и столкновений орбитального мусора в космосе. ЛЕО уже продемонстрировал синдром Кесслера. [4]
В 1978 году Кесслер обнаружил, что 42 процента каталогизированных обломков были результатом 19 событий, в первую очередь взрывов отработавших ступеней ракет (особенно американских ракет «Дельта» ). [12] Он обнаружил это, сначала определив те запуски, которые были описаны как имеющие большое количество объектов, связанных с полезной нагрузкой, а затем изучив литературу, чтобы определить ракеты, использованные при запуске. В 1979 году это открытие привело к созданию Программы НАСА по орбитальному мусору после брифинга для старшего руководства НАСА, что опровергло ранее существовавшее мнение о том, что большая часть неизвестных обломков образовалась в результате старых испытаний противоспутниковой системы, а не в результате взрывов верхних ступеней американских ракет, с которыми, казалось бы, можно было легко справиться. путем истощения неиспользованного топлива из верхней ступени ракеты «Дельта» после впрыска полезной нагрузки. Начиная с 1986 года, когда было обнаружено, что другие международные агентства, возможно, сталкиваются с такой же проблемой, НАСА расширило свою программу, включив в нее международные агентства, первым из которых стало Европейское космическое агентство. [13] : 2 Ряд других компонентов «Дельты» на орбите (Дельта была рабочей лошадкой космической программы США) еще не взорвались. [ нужна цитата ]
В 1980-е годы ВВС США (ВВС США) провели экспериментальную программу, чтобы определить, что произойдет, если обломки столкнутся со спутниками или другим мусором. Исследование показало, что этот процесс отличается от столкновений микрометеороидов тем, что образуются большие куски обломков, которые могут стать угрозой столкновения. [4]
В 1991 году Кесслер опубликовал статью «Каскад столкновений: пределы роста населения на низкой околоземной орбите» [14] с лучшими доступными на тот момент данными. Ссылаясь на выводы ВВС США о создании обломков, он написал, что, хотя почти все объекты обломков (например, пятна краски) были легкими, большая часть их массы приходилась на обломки весом около 1 кг (2 фунта 3 унции) или тяжелее. Эта масса может уничтожить космический корабль при ударе, создав еще больше мусора в области критической массы. [15] По данным Национальной академии наук:
Например, объект массой 1 кг, ударяющийся со скоростью 10 км/с, вероятно, способен катастрофически разрушить космический корабль массой 1000 кг, если он столкнется с элементом высокой плотности в космическом корабле. При таком распаде образовалось бы множество фрагментов весом более 1 кг. [16]
Анализ Кесслера разделил проблему на три части. При достаточно низкой плотности добавление обломков при ударах происходит медленнее, чем скорость их распада, и проблема не является существенной. За пределами этого находится критическая плотность, при которой дополнительный мусор приводит к дополнительным столкновениям. При плотностях, превышающих эту критическую массу, производство превышает распад, что приводит к каскадной цепной реакции , уменьшающей орбитальную популяцию до небольших объектов (размером в несколько сантиметров) и увеличивая опасность космической деятельности. [15] Эта цепная реакция известна как синдром Кесслера. [4]
В историческом обзоре начала 2009 года Кесслер резюмировал ситуацию:
Агрессивная космическая деятельность без адекватных мер безопасности может значительно сократить время между столкновениями и создать невыносимую опасность для будущих космических кораблей. Некоторые из наиболее экологически опасных видов деятельности в космосе включают в себя крупные созвездия, подобные тем, которые первоначально предлагались в рамках Стратегической оборонной инициативы в середине 1980-х годов, крупные структуры, подобные тем, которые в конце 1970-х годов рассматривались для строительства солнечных электростанций на околоземной орбите, и анти- -спутниковая война с использованием систем, испытанных СССР, США и Китаем за последние 30 лет. Такие агрессивные действия могут создать ситуацию, когда отказ одного спутника может привести к каскадным отказам многих спутников за период, намного меньший, чем годы. [4]
В 1985 году первая противоспутниковая ракета (ASAT) была использована для уничтожения спутника. В 1985 году было проведено американское испытание противоспутниковой системы ASM-135 , в ходе которого спутник Solwind P78-1, летевший на высоте 555 километров, был поражен 14-килограммовой полезной нагрузкой на скорости 24 000 километров в час (15 000 миль в час; 6,7 км/ч). с). Когда НАСА узнало о планах ВВС США по испытанию противоспутниковой системы Solwind, они смоделировали последствия испытания и определили, что обломки, образовавшиеся в результате столкновения, все еще будут находиться на орбите в конце 1990-х годов. Это заставит НАСА усилить защиту от мусора для своей планируемой космической станции. [17]
11 января 2007 года Китай провел испытание противоспутниковой ракеты, в ходе которого в качестве цели был выбран один из их метеорологических спутников FY-1C . Столкновение произошло на высоте 865 километров, когда спутник массой 750 килограммов столкнулся в лобовом столкновении с кинетической полезной нагрузкой, движущейся со скоростью 8 км/с (18 000 миль в час) в противоположном направлении. Образовавшиеся обломки вращаются вокруг Земли на средней высоте более 850 километров и, вероятно, останутся на орбите в течение десятилетий или столетий. [18]
Уничтожение спутника «Космос 1408» российской противоспутниковой ракетой 15 ноября 2021 года привело к образованию большого облака обломков, в котором отслеживается 1500 обломков и, по оценкам, сотни тысяч обломков слишком малы для отслеживания. Поскольку спутник находился на полярной орбите , а его обломки разбросаны на высоте от 300 до 1000 км, он потенциально мог столкнуться с любым спутником НОО, включая Международную космическую станцию и Китайскую космическую станцию (Тяньгун). [19] [20] [21]
Каждый спутник, космический зонд и пилотируемая миссия потенциально могут производить космический мусор . Теоретический каскадный синдром Кесслера становится более вероятным по мере увеличения количества спутников на орбите. По состоянию на 2014 год на орбите Земли находилось около 2000 коммерческих и государственных спутников, [22] , а по состоянию на 2021 год — [обновлять]более 4000. [23] По оценкам, насчитывается 600 000 кусков космического мусора размером от 1 до 10 см ( 1 ⁄ от 2 до 4 дюймов) и на 23 000 больше. [23] В среднем каждый год один спутник уничтожается в результате столкновения с другими спутниками или космическим мусором. [22] [24] По состоянию на 2009 год [обновлять]произошло четыре столкновения между каталогизированными объектами, включая столкновение между двумя спутниками в 2009 году . [4]
Орбитальный распад происходит намного медленнее на высотах, где сопротивление атмосферы незначительно. Небольшое атмосферное сопротивление , лунные возмущения и сопротивление солнечного ветра могут постепенно опускать обломки на более низкие высоты, где фрагменты, наконец, снова попадают в атмосферу, но на очень больших высотах этот процесс может занять тысячелетия. [25]
Синдром Кесслера доставляет беспокойство из-за эффекта домино и неконтролируемой обратной связи , когда удары между объектами значительной массы откалывают обломки от силы столкновения. Затем осколки могут поразить другие объекты, образуя еще больше космического мусора: если произойдет достаточно сильное столкновение или взрыв, например, между космической станцией и несуществующим спутником, или в результате враждебных действий в космосе, то образовавшийся мусор Каскад может сделать перспективы долгосрочной жизнеспособности спутников, особенно на низких околоземных орбитах, крайне низкими. [26] [27] Однако даже катастрофический сценарий Кесслера на НОО будет представлять минимальный риск для запусков, продолжающихся за пределами НОО, или спутников, движущихся на средней околоземной орбите (СОО) или геостационарной орбите (ГСО). Катастрофические сценарии предсказывают увеличение количества столкновений в год, в отличие от физически непреодолимого барьера для освоения космоса, возникающего на более высоких орбитах. [ нужна цитата ]
МСЭ [28] часто требует от разработчиков нового транспортного средства или спутника продемонстрировать, что от него можно безопасно избавиться в конце срока службы, например, путем использования управляемой системы входа в атмосферу или вывода на орбиту кладбища . [29] Для запусков в США или спутников, которые будут осуществлять вещание на территории США, — чтобы получить лицензию на предоставление телекоммуникационных услуг в Соединенных Штатах — Федеральная комиссия по связи (FCC) потребовала, чтобы все геостационарные спутники, запущенные после 18 марта 2002 г., взяли на себя обязательства переходят на орбиту кладбища в конце своего срока службы. [29] Постановления правительства США аналогичным образом требуют наличия плана по утилизации спутников после завершения их миссии: возвращение в атмосферу, [ необходимы разъяснения ] перемещение на орбиту хранения или прямой возврат. [30]
Предлагаемый энергоэффективный способ вывода космического корабля с орбиты средней околоземной орбиты заключается в переводе его на орбиту, находящуюся в нестабильном резонансе с Солнцем или Луной, что ускоряет распад орбиты. [31] [32]
Одной из технологий, предложенной для борьбы с фрагментами размером от 1 до 10 см ( от 1 ⁄ 2 до 4 дюймов), является лазерная метла , предлагаемый наземный лазер мощностью в несколько мегаватт, который может сводить с орбиты обломки: сторона обломков, на которую попадает лазер, будет абляция и создание толчка, который изменил бы эксцентриситет остатков фрагмента до тех пор, пока он не войдет снова и не будет безвредно разрушен. [33]
ЕКА и швейцарский стартап ClearSpace планируют миссию по выводу спутника PROBA-1 с орбиты. [34]
Спутник Envisat — это большой неактивный спутник массой 8 211 кг (18 102 фунта), который вращается на орбите 785 км (488 миль), высоте, где среда мусора самая большая — можно ожидать, что два занесенных в каталог объекта пройдут на расстоянии около 200 м. м (660 футов) Envisat каждый год [35] — и, вероятно, будет увеличиваться. Дон Кесслер предсказал в 2012 году, что он может легко стать основным источником мусора в результате столкновения в течение следующих 150 лет, пока он останется на орбите. [35]
Программа Starlink компании SpaceX вызывает обеспокоенность по поводу значительного ухудшения вероятности синдрома Кесслера из-за большого количества спутников, которые программа стремится разместить на НОО, поскольку цель программы более чем удвоит количество спутников, находящихся в настоящее время на НОО. [34] [36] В ответ на эти опасения SpaceX заявила, что большая часть спутников Starlink запускается на меньшей высоте - 550 км (340 миль) для достижения меньшей задержки (по сравнению с 1150 км (710 миль), как планировалось изначально). Таким образом, ожидается, что вышедшие из строя спутники или обломки сойдут с орбиты в течение пяти лет даже без движения из-за атмосферного сопротивления. [37]
В 2024 году Джон Келви отметил в обзорной статье, что «научное сообщество еще не пришло к единому мнению о том, начался ли синдром Кесслера, или, если он еще не начался, насколько плохим он будет, когда начнется. Существует консенсус». Однако основная концепция верна и что космическому сообществу необходимо навести порядок в своих действиях». [34]
При достаточном количестве обломков на орбите их части начнут сталкиваться с другими частями, вызывая цепную реакцию разрушения, которая оставит смертельный ореол вокруг Земли.
преднамеренное введение на НОО большого количества частиц в качестве дешевой, но эффективной противоспутниковой меры.
