Космический мусор (также известный как космический мусор , космическое загрязнение , [1] космические отходы , космический мусор , космический мусор или космический мусор [2] ) — это вышедшие из строя искусственные объекты в космосе, в основном на околоземной орбите , которые больше не выполняют полезной функции. К ним относятся заброшенные космические корабли (неработающие космические корабли и заброшенные ступени ракет-носителей), мусор, связанный с выполнением миссии, и особенно многочисленные на околоземной орбите фрагментационные обломки от распада заброшенных корпусов ракет и космических кораблей. Помимо заброшенных искусственных объектов, оставшихся на орбите, космический мусор включает в себя фрагменты от распада, эрозии или столкновений ; затвердевшие жидкости, выброшенные из космического корабля; несгоревшие частицы из твердотопливных ракетных двигателей; и даже пятна краски. Космический мусор представляет опасность для космических кораблей. [3]
Космический мусор обычно является отрицательным внешним эффектом . Он создает внешние издержки для других с момента первоначального действия по запуску или использованию космического корабля на околоземной орбите, издержки, которые обычно не принимаются во внимание или не учитываются полностью [4] [5] владельцем пусковой установки или полезной нагрузки. [6] [1] [7]
Несколько космических аппаратов, как пилотируемых, так и беспилотных, были повреждены или уничтожены космическим мусором. Измерение, смягчение 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 5465 действующих спутников. [10] Однако это только объекты, достаточно большие, чтобы их можно было отслеживать, и находящиеся на орбите, которая делает отслеживание возможным. Спутниковый мусор, находящийся на орбите «Молния» , такой как серия «Космос Око» , может находиться слишком высоко над Северным полушарием, чтобы его можно было отслеживать. [11] По состоянию на январь 2019 года [update]на орбите вокруг Земли, по оценкам, находилось более 128 миллионов фрагментов мусора размером менее 1 см (0,4 дюйма), около 900 000 фрагментов мусора размером 1–10 см и около 34 000 фрагментов размером более 10 см (3,9 дюйма). [8] Когда мельчайшие объекты искусственного космического мусора (частицы краски, частицы выхлопных газов твердых ракет и т. д.) группируются с микрометеороидами , космические агентства иногда называют их вместе MMOD (микрометеороидный и орбитальный мусор).
Столкновения с мусором стали опасностью для космических аппаратов. Самые маленькие объекты наносят ущерб, сравнимый с пескоструйной обработкой , особенно солнечным панелям и оптике, например, телескопам или звездным трекерам , которые нелегко защитить баллистическим щитом . [12]
Ниже 2000 км (1200 миль) обломки плотнее метеоритов . Большинство из них — это пыль от твердотопливных ракетных двигателей, поверхностный эрозионный мусор, такой как хлопья краски, и замерзшая охлаждающая жидкость от советских ядерных спутников . [13] [14] [15] Для сравнения, Международная космическая станция (МКС) вращается на высоте 300–400 километров (190–250 миль), в то время как два последних крупных события с мусором, испытание китайского противоспутникового оружия в 2007 году и столкновение спутников в 2009 году , произошли на высоте 800–900 километров (500–560 миль). [16] МКС имеет экранирование Уиппла , чтобы противостоять повреждениям от небольших MMOD. Однако известные обломки с вероятностью столкновения более 1/10 000 избегаются путем маневрирования станции.
Космический мусор начал накапливаться на орбите Земли с запуском первого искусственного спутника Земли « Спутник-1» в октябре 1957 года. Но даже до этого события люди могли производить выбросы, которые становились космическим мусором, как в ходе испытания ракеты Паскаль-Б в августе 1957 года . [17] [18] Если вернуться еще дальше, то можно сказать, что естественные выбросы с Земли попадали на орбиту.
После запуска «Спутника» Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD) начало составлять базу данных ( Каталог космических объектов ) всех известных запусков ракет и объектов, достигших орбиты, включая спутники, защитные экраны и верхние ступени ракет-носителей . Позднее НАСА опубликовало измененные версии базы данных в двухстрочных наборах элементов , [19] а начиная с начала 1980-х годов они были переизданы в системе электронных досок объявлений CelesTrak . [20]
Трекеры NORAD, которые снабжали базу данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых были результатом взрывов на орбите. [21] Некоторые из них были преднамеренно вызваны во время испытаний противоспутникового оружия (ASAT) в 1960-х годах, а другие были результатом взрывов ступеней ракет на орбите, когда оставшееся топливо расширялось и разрывало их баки. Постепенно были разработаны более подробные базы данных и системы отслеживания, включая диаграммы Габбарда, для улучшения моделирования орбитальной эволюции и распада. [22] [23]
Когда в 1970-х годах база данных NORAD стала общедоступной, [ необходимо разъяснение ] методы, разработанные для пояса астероидов, были применены для изучения [ кем? ] известных искусственных спутниковых объектов. [ необходима ссылка ]
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 отметили, что системные факторы, политические, правовые, экономические и культурные, являются наибольшим препятствием для очистки околоземного пространства. Было мало коммерческих стимулов для сокращения космического мусора, поскольку сопутствующие расходы не начисляются субъекту, производящему его. Вместо этого расходы ложатся на всех пользователей космической среды, которые извлекают выгоду из космических технологий и знаний. Был сделан ряд предложений по увеличению стимулов для сокращения космического мусора. Они побудили бы компании увидеть экономическую выгоду от более агрессивного сокращения мусора, чем того требуют существующие правительственные мандаты. [24] В 1979 году НАСА основало Программу по орбитальному мусору для исследования мер по смягчению последствий космического мусора на орбите Земли. [25] [26]
В 1980-х годах НАСА и другие американские группы пытались ограничить рост мусора. Одно из пробных решений было реализовано McDonnell Douglas в 1981 году для ракеты-носителя Delta , когда ускоритель отошел от своей полезной нагрузки и выпустил все оставшееся в баках топливо. [27] Это устранило один из источников повышения давления в баках, который ранее приводил к их взрыву и образованию дополнительного орбитального мусора. [28] Другие страны медленнее принимали эту меру, и, особенно из-за ряда запусков Советского Союза , проблема росла на протяжении десятилетия. [29]
Последовала новая серия исследований, когда NASA, NORAD и другие попытались лучше понять орбитальную среду, при этом каждое из них увеличивало количество фрагментов мусора в зоне критической массы. Хотя в 1981 году (когда была опубликована статья Шефтера) количество объектов оценивалось в 5000, [21] новые детекторы в наземной системе электрооптического наблюдения за дальним космосом обнаружили новые объекты. К концу 1990-х годов считалось, что большинство из 28000 запущенных объектов уже распались, а около 8500 остались на орбите. [30] К 2005 году это число было увеличено до 13000 объектов, [31] а исследование 2006 года увеличило это число до 19000 в результате столкновения ASAT и спутника. [32] В 2011 году NASA заявило, что отслеживается 22000 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 Агентства по оценке и исследованиям обороны Великобритании заявил в 2002 году, что, по его мнению, каскад начнется около 2015 года. [36] Национальная академия наук, обобщая профессиональную точку зрения, отметила широко распространенное согласие в том, что две полосы пространства НОО — от 900 до 1000 км (620 миль) и 1500 км (930 миль) — уже прошли критическую плотность. [37]
На Европейской конференции по воздухоплаванию и космосу CEAS 2009 года исследователь из Университета Саутгемптона Хью Льюис предсказал, что угроза от космического мусора возрастет на 50 процентов в следующем десятилетии и вчетверо в течение следующих 50 лет. По состоянию на 2009 год [update], еженедельно отслеживалось более 13 000 близких случаев. [38]
В докладе Национального исследовательского совета США за 2011 год NASA предупреждалось, что количество космического мусора на орбите достигло критического уровня. Согласно некоторым компьютерным моделям, количество космического мусора «достигло критической точки, и в настоящее время на орбите находится достаточно мусора, чтобы постоянно сталкиваться и создавать еще больше мусора, повышая риск отказов космических аппаратов». В докладе содержался призыв к международным правилам, ограничивающим мусор, и исследованию методов его утилизации. [39]
По оценкам , по состоянию на январь 2019 года [update]насчитывалось более 128 миллионов фрагментов мусора размером менее 1 см (0,39 дюйма) и приблизительно 900 000 фрагментов размером от 1 до 10 см. Количество крупных фрагментов мусора (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] Технический предел измерения [ необходимо разъяснение ] составляет около 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 орбитах, ближайших к Земле — менее 2000 км (1200 миль) орбитальной высоты , называемых низкой околоземной орбитой (НОО), — традиционно было несколько «универсальных орбит», которые удерживали ряд космических аппаратов в определенных кольцах (в отличие от ГСО , одной орбиты, которая широко используется более чем 500 спутниками ). В настоящее время на НОО (низкой околоземной орбите) загрязнение составляет 85%. Это начало меняться в 2019 году, и несколько компаний начали развертывать ранние фазы спутниковых интернет-созвездий , которые будут иметь много универсальных орбит на НОО с 30-50 спутниками на орбитальную плоскость и высоту. Традиционно наиболее загруженными орбитами НОО были несколько солнечно-синхронных спутников , которые сохраняют постоянный угол между Солнцем и орбитальной плоскостью , что облегчает наблюдение за Землей с постоянным углом солнца и освещением. Солнечно-синхронные орбиты являются полярными , то есть они пересекают полярные регионы. Спутники LEO вращаются во многих плоскостях, обычно до 15 раз в день, вызывая частые сближения между объектами. Плотность спутников — как активных, так и заброшенных — намного выше на LEO. [48]
Орбиты подвержены гравитационным возмущениям (которые на низкой околоземной орбите включают неравномерность гравитационного поля Земли из-за изменений плотности планеты), и столкновения могут происходить с любого направления. Средняя скорость столкновения на низкой околоземной орбите составляет 10 км/с, а максимальные скорости достигают 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] создав более 2000 крупных фрагментов мусора. [51] Эти обломки пересекают многие другие орбиты и увеличивают риск столкновения с мусором.
Предполагается, что достаточно крупное столкновение космических аппаратов может потенциально привести к каскадному эффекту или даже сделать некоторые конкретные низкие околоземные орбиты фактически непригодными для долгосрочного использования орбитальными спутниками, явление, известное как синдром Кесслера . [52] Теоретический эффект, как прогнозируется, представляет собой теоретическую неуправляемую цепную реакцию столкновений, которые могут произойти, экспоненциально увеличивая количество и плотность космического мусора на низкой околоземной орбите, и, как предполагается, наступит после некоторой критической плотности. [53]
Пилотируемые космические миссии в основном проводятся на высоте 400 км (250 миль) и ниже, где сопротивление воздуха помогает очищать зоны от фрагментов. Верхняя атмосфера не имеет фиксированной плотности на какой-либо конкретной высоте орбиты; она 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 более низких высотах; расширение в 1990-х годах стало фактором снижения плотности мусора. [55] Другим фактором было меньшее количество запусков со стороны России; Советский Союз совершил большую часть своих запусков в 1970-х и 1980-х годах. [56] : 7
На больших высотах, где сопротивление воздуха менее существенно, орбитальный спад занимает больше времени. Небольшое атмосферное сопротивление , лунные возмущения , гравитационные возмущения Земли, солнечный ветер и давление солнечного излучения могут постепенно опускать мусор на более низкие высоты (где он распадается), но на очень больших высотах это может занять столетия. [57] Хотя высотные орбиты используются реже, чем LEO, и начало проблемы медленнее, цифры приближаются к критическому порогу быстрее. [ противоречиво ] [ нужна страница ] [58]
Многие спутники связи находятся на геостационарных орбитах (ГСО), группируясь над определенными целями и разделяя один и тот же орбитальный путь. Хотя скорости между объектами ГСО низкие, когда спутник становится заброшенным (например, Telstar 401 ), он принимает геосинхронную орбиту; его орбитальный наклон увеличивается примерно на 0,8°, а его скорость увеличивается примерно на 160 км/ч (99 миль/ч) в год. Скорость удара достигает пика примерно на 1,5 км/с (0,93 мили/с). Орбитальные возмущения вызывают дрейф долготы неработоспособного космического аппарата и прецессию орбитальной плоскости. Близкие сближения (в пределах 50 метров) оцениваются как одно в год. [59] Обломки столкновения представляют меньший краткосрочный риск, чем столкновение на НОО, но спутник, скорее всего, станет неработоспособным. Крупные объекты, такие как спутники на солнечных батареях , особенно уязвимы для столкновений. [60]
Хотя МСЭ теперь требует доказательств того, что спутник может быть перемещен из своей орбитальной позиции по окончании срока службы, исследования показывают, что этого недостаточно. [61] Поскольку геостационарная орбита слишком далека для точного измерения объектов размером менее 1 м (3 фута 3 дюйма), характер проблемы не очень хорошо известен. [62] Спутники могут быть перемещены в пустые места на геостационарной орбите, что потребует меньше маневрирования и облегчит прогнозирование будущего движения. [63] Спутники или ускорители на других орбитах, особенно застрявшие на геостационарной переходной орбите , представляют собой дополнительную проблему из-за их обычно высокой скорости пересечения.
Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических аппаратов происходили. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Olympus-1 был поражен метеоритом 11 августа 1993 года и в конечном итоге перешел на орбиту захоронения . [64] 29 марта 2006 года российский спутник связи Express-AM11 был поражен неизвестным объектом и вышел из строя; [65] его инженеры имели достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту захоронения.
В 1958 году Соединенные Штаты Америки запустили Vanguard I на среднюю околоземную орбиту (MEO). По состоянию на октябрь 2009 года [update]он, верхняя ступень ракеты-носителя Vanguard 1 и связанный с ним обломок являются старейшими сохранившимися искусственными космическими объектами, все еще находящимися на орбите, и, как ожидается, останутся там до 2250 года. [68] [69] По состоянию на май 2022 года [update]Союз обеспокоенных ученых перечислил 5465 действующих спутников из известной популяции в 27 000 обломков орбитального мусора, отслеживаемых NORAD. [70] [71]
Иногда спутники остаются на орбите, когда они больше не нужны. Многие страны требуют, чтобы спутники проходили пассивацию в конце своего срока службы. Затем спутники либо выводятся на более высокую, «кладбищную» орбиту, либо на более низкую, краткосрочную орбиту. Тем не менее, спутники, которые были надлежащим образом перемещены на более высокую орбиту, имеют восьмипроцентную вероятность прокола и выброса охлаждающей жидкости в течение 50-летнего периода. Охлаждающая жидкость замерзает в капли твердого сплава натрия и калия, создавая больше мусора. [13] [72]
Несмотря на использование пассивации или до ее стандартизации, многие спутники и ракетные корпуса взрывались или разваливались на орбите. Например, в феврале 2015 года на орбите взорвался спутник программы метеорологических спутников ВВС США Flight 13 (DMSP-F13), создав по меньшей мере 149 объектов мусора, которые, как ожидалось, останутся на орбите на десятилетия. [73] Позже в том же году спутник NOAA-16 , который был выведен из эксплуатации после аномалии в июне 2014 года, развалился на орбите по меньшей мере на 275 частей. [74] Для более старых программ, таких как советские спутники Метеор 2 и Космос , недостатки конструкции привели к многочисленным поломкам — по меньшей мере 68 к 1994 году — после вывода из эксплуатации, что привело к еще большему количеству мусора. [40]
В дополнение к случайному созданию мусора, некоторые из них были сделаны намеренно путем преднамеренного уничтожения спутников. Это было сделано в качестве испытания противоспутниковой или противоракетной технологии или для предотвращения проверки чувствительного спутника иностранной державой. [40] Соединенные Штаты провели более 30 испытаний противоспутникового оружия (ASAT), Советский Союз / Россия провели по меньшей мере 27, Китай провел 10, а Индия провела по меньшей мере одно. [75] [76] Самыми последними испытаниями ASAT были китайский перехват FY-1C , российские испытания его PL-19 Nudol , американский перехват USA-193 и перехват Индией неуказанного действующего спутника . [76]
.jpg/1280px-Black_Knight_Satellite_(cropped).jpg)
Среди космического мусора есть перчатка, потерянная астронавтом Эдом Уайтом во время первого американского выхода в открытый космос (EVA), камера, потерянная Майклом Коллинзом около Gemini 10 , термоодеяло, потерянное во время STS-88, мусорные мешки, сброшенные советскими космонавтами во время 15-летней жизни станции «Мир» , [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 с инструментами размером с портфель. [79]
Значительная часть мусора — это верхние ступени ракеты (например, инерциальная верхняя ступень ), которые развалились из-за разложения невыведенного топлива. [80] Первый такой случай был связан с запуском спутника Transit-4a в 1961 году. Через два часа после выведения верхняя ступень Ablestar взорвалась. Даже ускорители, которые не разваливаются, могут быть проблемой. Одно из крупных известных столкновений произошло с (целым) ускорителем Ariane . [56] : 2
Хотя НАСА и ВВС США теперь требуют пассивации верхней ступени, другие пусковые установки – например, китайские и российские космические агентства – этого не делают. Нижние ступени, такие как твердотопливные ракетные ускорители Space Shuttle или ракеты-носители Saturn IB программы Apollo , не достигают орбиты. [81]
Примеры:
Бывшим источником мусора были испытания противоспутникового оружия (ASAT) США и Советского Союза в 1960-х и 1970-х годах. Североамериканское командование воздушно-космической обороны (NORAD) собирало данные только по советским испытаниям, а мусор от американских испытаний был идентифицирован впоследствии. [94] К тому времени, когда проблема мусора была понята, широкомасштабные испытания ASAT прекратились. Американская программа 437 была закрыта в 1975 году. [95]
США возобновили свои программы ASAT в 1980-х годах с Vought ASM-135 ASAT . Испытание 1985 года уничтожило 1-тонный (2200 фунтов) спутник, вращавшийся на орбите на высоте 525 км (326 миль), создав тысячи обломков размером более 1 см (0,39 дюйма). На этой высоте атмосферное сопротивление привело к снижению орбиты большинства обломков в течение десятилетия. После испытания последовал фактический мораторий. [96]
Правительство Китая было осуждено за военные последствия и количество мусора от испытания противоспутниковой ракеты 2007 года [97] , крупнейшего отдельного инцидента с космическим мусором в истории (создание более 2300 фрагментов размером с мяч для гольфа или больше, более 35000 фрагментов размером 1 см (0,4 дюйма) или больше, и одного миллиона фрагментов размером 1 мм (0,04 дюйма) или больше). Целевой спутник находился на орбите между 850 км (530 миль) и 882 км (548 миль), в части околоземного пространства, наиболее густонаселенной спутниками. [98] Поскольку на этой высоте сопротивление атмосферы низкое, мусор медленно возвращается на Землю, и в июне 2007 года экологический космический аппарат НАСА Terra совершил маневр, чтобы избежать столкновения с мусором. [99] Брайан Уиден, офицер ВВС США и сотрудник Фонда безопасного мира, отметил, что взрыв китайского спутника в 2007 году привел к образованию орбитального мусора из более чем 3000 отдельных объектов, которые затем потребовали отслеживания. [100]
20 февраля 2008 года США запустили ракету SM-3 с USS Lake Erie, чтобы уничтожить неисправный американский спутник-шпион, предположительно несущий 450 кг (1000 фунтов) токсичного топлива гидразина . 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 начальника 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 LEO с помощью наземной ракеты. Он заявил, что операция, являющаяся частью Mission Shakti , будет защищать интересы страны в космосе. После этого Космическое командование ВВС США объявило, что отслеживает 270 новых фрагментов мусора, но ожидает, что их число будет расти по мере продолжения сбора данных. [103]
15 ноября 2021 года Министерство обороны России уничтожило «Космос-1408» [104], вращавшийся на орбите на высоте около 450 км, в результате чего, по данным Госдепартамента США, образовалось «более 1500 фрагментов отслеживаемого мусора и сотни тысяч фрагментов неотслеживаемого мусора». [105]
Уязвимость спутников к мусору и возможность атаки на спутники на низкой околоземной орбите с целью создания облаков мусора породили предположения о том, что страны, неспособные нанести точный удар, могут это сделать. [ необходимо разъяснение ] Атака на спутник весом 10 тонн (22 000 фунтов) или более нанесет серьезный ущерб окружающей среде на низкой околоземной орбите. [96]
Космический мусор может быть опасен для активных спутников и космических кораблей. Было высказано предположение, что орбита Земли может даже стать непроходимой, если риск столкновения станет слишком большим. [106] [ неудавшаяся проверка ]
Однако, поскольку риск для космических аппаратов увеличивается с воздействием высокой плотности мусора, точнее будет сказать, что НОО будет сделана непригодной для использования орбитальными аппаратами. Угроза для аппаратов, проходящих через НОО, чтобы достичь более высокой орбиты, будет намного ниже из-за короткого промежутка времени пересечения.
Хотя космические аппараты обычно защищены щитами Whipple , солнечные панели, которые подвергаются воздействию Солнца, изнашиваются от ударов с малой массой. Даже небольшие удары могут создавать облако плазмы , которое представляет собой электрический риск для панелей. [107]
Считается, что спутники были уничтожены микрометеоритами и (мелким) орбитальным мусором (MMOD). Самой ранней предполагаемой потерей был Kosmos 1275 , который исчез 24 июля 1981 года (через месяц после запуска). Kosmos не содержал летучего топлива, поэтому, по-видимому, внутри спутника не было ничего, что могло бы вызвать разрушительный взрыв, который произошел. Однако этот случай не был доказан, и выдвинута другая гипотеза о том, что взорвалась батарея. Отслеживание показало, что она распалась на 300 объектов. [108]
С тех пор было подтверждено множество столкновений. Например, 24 июля 1996 года французский микроспутник Cerise был поражен фрагментами разгонного блока Ariane 1 H-10, который взорвался в ноябре 1986 года. [56] : 2 29 марта 2006 года российский спутник связи Ekspress-AM11 был поражен неизвестным объектом и вышел из строя. [65] 13 октября 2009 года Terra столкнулась с аномалией отказа одной ячейки батареи и аномалией управления нагревателем батареи, которые впоследствии были сочтены вероятным результатом удара MMOD. [109] 12 марта 2010 года Aura потеряла питание от половины одной из своих 11 солнечных панелей, и это также было приписано удару MMOD. [110] 22 мая 2013 года GOES 13 был поражен MMOD, из-за чего он потерял отслеживание звезд, которое использовал для поддержания рабочего положения. Космическому аппарату потребовался почти месяц, чтобы вернуться в строй. [111]
Первое крупное столкновение спутников произошло 10 февраля 2009 года. 950-килограммовый (2090 фунтов) заброшенный спутник Kosmos 2251 и действующий 560-килограммовый (1230 фунтов) Iridium 33 столкнулись в 500 милях (800 км) [112] над северной Сибирью. Относительная скорость столкновения составила около 11,7 км/с (7,3 мили/с) или около 42 120 км/ч (26 170 миль/ч). [113] Оба спутника были уничтожены, создав тысячи новых кусков более мелкого мусора, при этом юридические и политические вопросы ответственности не были решены даже годы спустя. [114] [115] [116] 22 января 2013 года BLITS (российский спутник лазерной локации) был поражен обломками, предположительно оставшимися после испытания китайской противоспутниковой ракеты 2007 года , изменив как его орбиту, так и скорость вращения. [117]
Иногда [ требуется разъяснение ] спутники выполняют маневры по предотвращению столкновений , и операторы спутников могут отслеживать космический мусор в рамках планирования маневров. Например, в январе 2017 года Европейское космическое агентство изменило орбиту одного из своих трех [118] космических аппаратов миссии Swarm , основываясь на данных из Центра совместных космических операций США , чтобы снизить риск столкновения с Космосом-375, заброшенным российским спутником. [119]
Пилотируемые полеты особенно уязвимы для столкновений с космическим мусором на орбитальной траектории космического корабля. Случайные маневры уклонения или долгосрочный износ от космического мусора повлияли на космический челнок, космическую станцию МИР и Международную космическую станцию.
С самых ранних миссий шаттлов НАСА использовало возможности космического мониторинга NORAD для оценки орбитальной траектории шаттла на предмет мусора. В 1980-х годах это потребляло большую часть мощностей NORAD. [28] Первый маневр по предотвращению столкновений произошел во время STS-48 в сентябре 1991 года [120] , семисекундный запуск двигателя , чтобы избежать мусора от заброшенного спутника Kosmos 955. [ 121] Аналогичные маневры были выполнены в миссиях 53, 72 и 82. [120]
Одно из первых событий, вызвавших интерес к проблеме мусора, произошло во время второго полета космического челнока Challenger , STS-7. Пятно краски попало в его переднее окно, создав углубление шириной более 1 мм (0,04 дюйма). На STS-59 в 1994 году переднее окно Endeavour было изъедено примерно на половину своей глубины. Количество мелких столкновений с мусором увеличилось с 1998 года. [ 122]
Сколы окон и незначительные повреждения плиток системы тепловой защиты (TPS) были уже обычным явлением к 1990-м годам. Позднее шаттл летал хвостом вперед, чтобы принять большую долю нагрузки мусора на двигатели и задний грузовой отсек, которые не используются на орбите или во время спуска, и, таким образом, менее критичны для работы после запуска. При полете, прикрепленном к МКС , шаттл переворачивался, так что лучше бронированная станция защищала орбитальный аппарат. [123]
Исследование NASA 2005 года пришло к выводу, что мусор составляет примерно половину общего риска для шаттла. [123] [124] Решение на уровне руководства о продолжении требовалось, если катастрофическое воздействие было более вероятным, чем 1 из 200. При обычной (низкоорбитальной) миссии к МКС риск составлял примерно 1 из 300, но миссия по ремонту телескопа Хаббл была запущена на более высокой орбитальной высоте 560 км (350 миль), где риск изначально был рассчитан как 1 из 185 (отчасти из-за столкновения спутников в 2009 году). Повторный анализ с лучшими числами мусора снизил предполагаемый риск до 1 из 221, и миссия была продолжена. [125]
Инциденты с мусором продолжались и в последующих миссиях шаттлов. Во время STS-115 в 2006 году фрагмент печатной платы проделал небольшое отверстие в радиаторных панелях в грузовом отсеке Atlantis . [126] Во время STS-118 в 2007 году мусор проделал пулевое отверстие в радиаторной панели Endeavour . [127]
Ударный износ был заметен на советской космической станции «Мир» , поскольку она оставалась в космосе в течение длительного времени с оригинальными панелями солнечных модулей. [128] [129]
МКС также использует экранирование Уиппла для защиты своего интерьера от мелкого мусора. [130] Однако внешние части (особенно его солнечные панели ) не могут быть легко защищены. В 1989 году было предсказано, что панели МКС деградируют примерно на 0,23% за четыре года из-за эффекта «пескоструйной обработки» при ударах с мелким орбитальным мусором. [131] Маневр уклонения обычно выполняется для МКС, если «вероятность столкновения с мусором больше одного из 10 000». [132] По состоянию на январь 2014 года [update]было проведено шестнадцать маневров за пятнадцать лет пребывания МКС на орбите. [132] К 2019 году на МКС было зафиксировано более 1400 столкновений с метеороидами и орбитальным мусором (MMOD). [133]
В качестве еще одного метода снижения риска для людей на борту оперативное руководство МКС трижды просило экипаж укрыться в «Союзе» из-за поздних предупреждений о близости мусора. В дополнение к шестнадцати запускам двигателей и трем приказам 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] Событие в марте 2009 года было связано с мусором, предположительно 10-сантиметровым (3,9 дюйма) куском спутника «Космос-1275». [136] В 2013 году оперативное руководство МКС не предприняло маневр , чтобы избежать мусора, после того как в предыдущем году было совершено рекордное количество маневров с мусором — четыре. [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, в котором плотность объектов на низкой околоземной орбите (НОО) достаточно высока, чтобы столкновения между объектами могли вызвать каскадный эффект, когда каждое столкновение генерирует космический мусор, который увеличивает вероятность дальнейших столкновений. [140] Он также предположил, что одним из последствий, если это произойдет, будет то, что распределение мусора на орбите может сделать космическую деятельность и использование спутников в определенных орбитальных диапазонах экономически нецелесообразными для многих поколений. [140]
Рост числа объектов в результате исследований конца 1990-х годов вызвал дебаты в космическом сообществе о природе проблемы и более ранних ужасных предупреждениях. Согласно выводам Кесслера 1991 года и обновлениям 2001 года, [141] среда LEO в диапазоне высот 1000 км (620 миль) должна быть каскадной. Однако произошел только один крупный инцидент со столкновением спутников: столкновение спутников Iridium 33 и Cosmos 2251 в 2009 году. Отсутствие очевидного краткосрочного каскадирования привело к предположениям о том, что первоначальные оценки преувеличивали проблему. [142] Однако, по словам Кесслера в 2010 году, каскад может быть неочевидным, пока он не станет достаточно развитым, что может занять годы. [143]
Хотя большая часть мусора сгорает в атмосфере, более крупные обломки могут достичь земли нетронутыми. По данным НАСА, в среднем один каталогизированный обломок падал на Землю каждый день в течение последних 50 лет. Несмотря на их размер, обломки не нанесли существенного ущерба имуществу. [144] Сгорание в атмосфере способствует загрязнению воздуха. [145] Было обнаружено множество небольших цилиндрических резервуаров с космических объектов, предназначенных для хранения топлива или газов. [146]
Радары и оптические детекторы, такие как лидар, являются основными инструментами для отслеживания космического мусора. Хотя объекты размером менее 10 см (4 дюйма) имеют пониженную орбитальную устойчивость, мусор размером до 1 см может отслеживаться, [147] [148] однако определение орбит, позволяющих повторное обнаружение, затруднено. Большая часть мусора остается незамеченной. Обсерватория орбитального мусора NASA отслеживала космический мусор с помощью 3-метрового (10-футового) телескопа с жидкостным зеркалом . [149] Радиоволны FM могут обнаруживать мусор после отражения от него на приемник. [150] Оптическое отслеживание может быть полезной системой раннего оповещения на космических аппаратах. [151]
Стратегическое командование США ведет каталог известных орбитальных объектов, используя наземные радары и телескопы, а также космический телескоп (первоначально для отличия от вражеских ракет). В издании 2009 года перечислено около 19 000 объектов. [152] Другие данные поступают с телескопа космического мусора ESA , TIRA , [153] радаров Goldstone , Haystack , [154] и EISCAT , а также фазированного радара Cobra Dane , [155] для использования в моделях среды космического мусора , таких как ESA Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference (MASTER).
Возвращаемое космическое оборудование является ценным источником информации о направленном распределении и составе (субмиллиметрового) потока мусора. Спутник LDEF , развернутый миссией STS-41-C Challenger и извлеченный STS-32 Columbia, провел 68 месяцев на орбите для сбора данных об мусоре. Спутник EURECA , развернутый STS-46 Atlantis в 1992 году и извлеченный STS-57 Endeavour в 1993 году, также использовался для изучения мусора. [156]
Солнечные батареи Хаббла были возвращены миссиями STS-61 Endeavour и STS-109 Columbia , а ударные кратеры изучались ЕКА для проверки своих моделей. Материалы, возвращенные с Мира, также были изучены, в частности, полезная нагрузка Mir Environmental Effects (которая также испытывала материалы, предназначенные для МКС [157] ). [158] [159]
Облако мусора, образовавшееся в результате одного события, изучается с помощью диаграмм рассеяния , известных как диаграммы Габбарда, где перигей и апогей фрагментов нанесены на график относительно их орбитального периода . Диаграммы Габбарда раннего облака мусора до воздействия возмущений, если данные были доступны, реконструируются. Они часто включают данные о недавно обнаруженных, еще не каталогизированных фрагментах. Диаграммы Габбарда могут дать представление об особенностях фрагментации, направлении и точке удара. [23] [160]
В среднем около одного отслеживаемого объекта в день выпадало с орбиты за последние 50 лет, [161] в среднем почти три объекта в день в период солнечного максимума (из-за нагрева и расширения атмосферы Земли), но один объект примерно каждые три дня в период солнечного минимума , обычно пять с половиной лет спустя. [161] В дополнение к естественным атмосферным эффектам корпорации, ученые и правительственные учреждения предложили планы и технологии по борьбе с космическим мусором, но по состоянию на ноябрь 2014 года [update]большинство из них являются теоретическими, и нет никакого бизнес-плана по сокращению мусора. [24]
Ряд ученых также отметили, что институциональные факторы — политические, правовые, экономические и культурные «правила игры» — являются наибольшим препятствием для очистки околоземного пространства. Коммерческих стимулов к действиям мало, поскольку затраты не возлагаются на загрязнителей , хотя был предложен ряд технологических решений. [24] Однако на сегодняшний день эффекты ограничены. В США правительственные органы обвиняются в отступлении от предыдущих обязательств по ограничению роста мусора, «не говоря уже о решении более сложных вопросов удаления орбитального мусора». [162] Различные методы удаления космического мусора были оценены Консультативным советом по вопросам космического поколения , включая французского астрофизика Фатумату Кебе . [163]
В мае 2024 года в отчете Управления технологий, политики и стратегии (OTPS) НАСА были представлены новые методы решения проблемы орбитального мусора. В отчете под названием Анализ затрат и выгод смягчения, отслеживания и устранения орбитального мусора [164] был представлен всесторонний анализ, сравнивающий экономическую эффективность более десяти различных действий , включая экранирование космических аппаратов, отслеживание более мелкого мусора и удаление крупного мусора. Оценивая эти меры с экономической точки зрения, исследование направлено на информирование об экономически эффективных стратегиях управления мусором, подчеркивая, что такие методы, как быстрый вывод с орбиты неработающих космических аппаратов, могут значительно снизить риски в космосе.
Не существует международного договора, минимизирующего космический мусор. Однако Комитет ООН по мирному использованию космического пространства (COPUOS) опубликовал добровольные руководящие принципы в 2007 году, [165] используя множество более ранних национальных нормативных попыток разработки стандартов для уменьшения космического мусора. По состоянию на 2008 год комитет обсуждал международные «правила дорожного движения» для предотвращения столкновений между спутниками. [166] К 2013 году существовало несколько национальных правовых режимов, [167] [168] [169] обычно прописанных в лицензиях на запуск, которые требуются для запуска во всех космических державах . [170]
В 2001 году США выпустили набор стандартных методов для гражданских (НАСА) и военных ( МО и ВВС США) мер по уменьшению воздействия орбитального мусора. [171] [172] [168] Стандарт предусматривал утилизацию на последних орбитах миссии одним из трех способов: 1) возвращение в атмосферу, где даже при «консервативных прогнозах относительно солнечной активности, сопротивление атмосферы ограничит срок службы не более чем 25 годами после завершения миссии»; 2) маневр на «орбиту хранения»: переместить космический аппарат на один из четырех очень широких диапазонов парковочной орбиты (2000–19 700 км (1200–12 200 миль), 20 700–35 300 км (12 900–21 900 миль), выше 36 100 км (22 400 миль) или полностью с околоземной орбиты на любую гелиоцентрическую орбиту ; 3) «Прямой возврат: извлечь конструкцию и удалить ее с орбиты как можно скорее после завершения миссии». [167] Стандарт, сформулированный в варианте 1, который является стандартом, применимым к большинству спутников и заброшенных верхних ступеней, стал известен как «правило 25 лет». [173] США обновили Стандартную практику по предупреждению образования орбитального мусора (ODMSP) в декабре 2019 года, но не внесли никаких изменений в правило 25 лет, хотя «мн]ногие в космическом сообществе считают, что временные рамки должны быть менее 25 лет». [174] Однако нет единого мнения о том, какими могут быть новые временные рамки. [174]
В 2002 году Европейское космическое агентство (ESA) работало с международной группой над распространением аналогичного набора стандартов, также с «правилом 25 лет», применяемым к большинству спутников на околоземной орбите и верхних ступеней. Космические агентства в Европе начали разрабатывать технические руководства в середине 1990-х годов, а ASI , UKSA , CNES , DLR и ESA подписали «Европейский кодекс поведения» в 2006 году, [169] который был предшественником стандарта ISO, работа над которым началась в следующем году. В 2008 году ESA дополнительно разработало «свои собственные «Требования по уменьшению засорения космического пространства для проектов агентства», которые «вступили в силу 1 апреля 2008 года». [169]
Германия и Франция разместили облигации для защиты имущества от ущерба от мусора. [ необходимо разъяснение ] [175] Вариант «прямого извлечения» (вариант № 3 в «стандартной практике» США выше) редко использовался какой-либо космической державой (за исключением X-37 ВВС США ) или коммерческим субъектом с самых первых дней космических полетов из-за стоимости и сложности достижения прямого извлечения, но ЕКА запланировало на 2026 год демонстрационную миссию ( ClearSpace-1 ), чтобы сделать это с одним небольшим 94-килограммовым (207-фунтовым) спутником ( PROBA-1 ) [176] по прогнозируемой стоимости в 120 миллионов евро, не включая расходы на запуск. [177]
К 2006 году Индийская организация космических исследований (ISRO) разработала ряд технических средств снижения воздействия космического мусора (пассивация верхней ступени, резервы топлива для перемещения на орбиты захоронения и т. д.) для ракет-носителей и спутников ISRO и активно содействовала межведомственной координации по борьбе с мусором и усилиям Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях. [178]
В 2007 году ISO начала подготовку международного стандарта по уменьшению космического мусора. [179] К 2010 году ISO опубликовала «всеобъемлющий набор стандартов по проектированию космических систем, направленных на уменьшение космического мусора. [с основными требованиями], определенными в стандарте высшего уровня ISO 24113 ». К 2017 году стандарты были почти завершены. Однако эти стандарты не являются обязательными для какой-либо стороны ISO или какой-либо международной юрисдикции. Они просто доступны для использования в добровольных целях. Они «могут быть приняты добровольно производителем или оператором космического аппарата или введены в действие посредством коммерческого контракта между заказчиком и поставщиком, или использованы в качестве основы для установления набора национальных правил по уменьшению космического мусора». [173]
Добровольный стандарт ISO также принял «правило 25 лет» для «защищенной области НОО» ниже высоты 2000 км (1200 миль), которое ранее (и по состоянию на 2019 год [update]) использовалось стандартами США, ЕКА и ООН по смягчению 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 короче (т. е. намного короче 25 лет)». [173]
Хольгер Краг из Европейского космического агентства утверждает, 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 смягчению роста космического мусора, однако не существует всеобъемлющего правового режима или структуры распределения затрат для сокращения космического мусора таким образом, как загрязнение Земли сократилось с середины XX века.
Чтобы избежать чрезмерного создания искусственного космического мусора, многие, но не все, спутники, запускаемые на орбиту выше низкой околоземной, изначально запускаются на эллиптические орбиты с перигеями внутри атмосферы Земли, поэтому орбита быстро снизится, а спутники будут уничтожены при входе в атмосферу. Для космических аппаратов на более высоких орбитах используются другие методы. К ним относятся пассивация космического аппарата в конце его полезного срока службы; а также использование верхних ступеней, которые могут повторно зажигаться для замедления ступени, чтобы намеренно свести ее с орбиты, часто на первой или второй орбите после сброса полезной нагрузки; спутники, которые могут, если они остаются исправными в течение многих лет, самостоятельно сходить с нижних орбит вокруг Земли. Другие спутники (например, многие CubeSat) на низких орбитах ниже орбитальной высоты примерно 400 км (250 миль) зависят от поглощающего энергию эффекта верхней атмосферы, чтобы надежно свести космический аппарат с орбиты в течение недель или месяцев.
Все чаще отработанные верхние ступени на более высоких орбитах — орбитах, для которых сход с орбиты с низкой дельта-v невозможен или не запланирован — и архитектуры, поддерживающие пассивацию спутников, пассивируются в конце срока службы. Это удаляет всю внутреннюю энергию, содержащуюся в транспортном средстве в конце его миссии или срока службы. Хотя это не удаляет обломки теперь уже заброшенной ступени ракеты или самого спутника, это существенно снижает вероятность разрушения космического корабля и создания множества более мелких фрагментов космического мусора, явление, которое было распространено во многих ранних поколениях американских и советских [72] космических аппаратов.
Пассивация верхней ступени (например, ускорителей Delta [28] ), достигаемая путем высвобождения остаточного топлива, уменьшает количество мусора от орбитальных взрывов; однако даже в 2011 году не все верхние ступени реализовывали эту практику. [181] SpaceX использовала термин «пассивация пропульсивного действия» для заключительного маневра своей шестичасовой демонстрационной миссии ( STP-2 ) второй ступени Falcon 9 для ВВС США в 2019 году, но не определила, что именно охватывает этот термин. [182]
При политике лицензирования запуска «один вверх, один вниз» для околоземных орбит ракеты-носители будут встречаться, захватывать и спускать с орбиты заброшенный спутник примерно с той же орбитальной плоскости. [183] Другая возможность — роботизированная дозаправка спутников. Эксперименты проводились NASA, [184] а SpaceX разрабатывает крупномасштабную технологию передачи топлива на орбите. [185]
Другой подход к уменьшению мусора заключается в явном проектировании архитектуры миссии таким образом, чтобы оставить вторую ступень ракеты на эллиптической геоцентрической орбите с низким перигеем, тем самым обеспечивая быстрый спад орбиты и избегая долгосрочного орбитального мусора от отработанных корпусов ракет. Такие миссии часто завершают размещение полезной нагрузки на конечной орбите с помощью маломощного электрического двигателя или с использованием небольшой ударной ступени для закругления орбиты. Сама ударная ступень может быть спроектирована с избыточным потенциалом топлива для возможности самостоятельного схода с орбиты. [186]
Хотя МСЭ требует, чтобы геостационарные спутники в конце своего срока службы уходили на орбиту захоронения, выбранные орбитальные зоны недостаточно защищают полосы GEO от мусора. [61] Ракетные ступени (или спутники) с достаточным количеством топлива могут совершать прямой, контролируемый сход с орбиты, или, если для этого потребуется слишком много топлива, спутник может быть выведен на орбиту, где атмосферное сопротивление в конечном итоге заставит его сойти с орбиты. Это было сделано с французским спутником Spot-1 , сократив его время входа в атмосферу с прогнозируемых 200 лет до примерно 15, снизив его высоту с 830 км (516 миль) до примерно 550 км (342 мили). [187] [188]
Спутниковая группировка Iridium — 95 спутников связи, запущенных в течение пятилетнего периода с 1997 по 2002 год — предоставляет набор точек данных о пределах самоустранения. Спутниковый оператор — Iridium Communications — оставался работоспособным в течение двух десятилетий жизни спутников (хотя и с изменением названия компании из-за корпоративного банкротства в течение этого периода) и к декабрю 2019 года «завершил утилизацию последнего из своих 65 рабочих устаревших спутников». [189] Однако этот процесс оставил 30 спутников с общей массой (20 400 кг (45 000 фунтов), или почти треть массы этой группировки) на орбитах LEO на высоте примерно 700 км (430 миль), где самоустранение происходит довольно медленно. Из этих спутников 29 просто вышли из строя во время своего пребывания на орбите и, таким образом, не смогли самостоятельно сойти с орбиты, в то время как один из них – Iridium 33 – был вовлечен в столкновение спутника в 2009 году с заброшенным российским военным спутником «Космос-2251» . [189] Не было разработано никакого плана действий на случай непредвиденных обстоятельств для удаления спутников, которые не смогли удалиться самостоятельно. В 2019 году генеральный директор Iridium Мэтт Деш заявил, что Iridium была бы готова заплатить компании по активному удалению мусора за вывод с орбиты своих оставшихся спутников первого поколения, если бы это было возможно, за нереально низкую цену, скажем, « 10 000 долларов США за вывод с орбиты», но [он] признал, что цена, вероятно, будет намного ниже той, которую компания по удалению мусора могла бы предложить реалистично. «Вы знаете, в какой момент [это] становится очевидным, но [я] ожидаю, что стоимость действительно составит миллионы или десятки миллионов, и я знаю, что при такой цене это не имеет смысла » . [189 ]
Были предложены пассивные методы увеличения скорости орбитального распада космического мусора. Вместо ракет электродинамический трос может быть прикреплен к космическому кораблю при запуске; в конце срока службы трос будет развернут, чтобы замедлить космический корабль. [190] Другие предложения включают ступень ускорителя с парусоподобным креплением [191] и большой, тонкий, надувной баллон. [192]
В конце декабря 2022 года ЕКА успешно провело демонстрацию деорбитального аппарата на основе разрушающегося паруса, ADEO , который может быть использован в качестве меры по смягчению последствий и является частью инициативы ЕКА Zero Debris. Примерно годом ранее Китай также испытал тормозной парус. [193] [194]
Были предложены, изучены и созданы различные подходы, позволяющие использовать другие космические аппараты для удаления существующего космического мусора.
Консенсус докладчиков на встрече в Брюсселе в октябре 2012 года, организованной Secure World Foundation (американским аналитическим центром) и Французским институтом международных отношений, [195] сообщил, что удаление самого крупного мусора будет необходимо для предотвращения того, чтобы риск для космических аппаратов стал неприемлемым в обозримом будущем (без какого-либо пополнения запасов мертвых космических аппаратов на НОО). На сегодняшний день в 2019 году расходы на удаление и юридические вопросы о праве собственности и полномочиях на удаление вышедших из строя спутников заблокировали национальные или международные действия. Действующее космическое право сохраняет право собственности на все спутники за их первоначальными операторами, даже на мусор или космические аппараты, которые выведены из эксплуатации или угрожают активным миссиям. [196]
Несколько компаний в конце 2010-х годов планировали провести внешнее удаление на своих спутниках на средних орбитах LEO. Например, OneWeb планировала использовать бортовое самоудаление в качестве «плана А» для схода спутника с орбиты в конце срока службы, но если спутник не мог удалить себя в течение одного года после окончания срока службы, OneWeb реализовывала «план Б» и отправляла многоразовый (многотранспортный) космический буксир для присоединения к спутнику на уже встроенной цели захвата с помощью захватного приспособления, для буксировки на более низкую орбиту и освобождения для повторного входа в атмосферу. [197] [198]
Хорошо изученное решение использует дистанционно управляемый аппарат для сближения, захвата и возвращения мусора на центральную станцию. [199] Одной из таких систем является Space Infrastructure Servicing, коммерчески разработанная заправочная станция и сервисный космический корабль для спутников связи на геосинхронной орбите, запуск которой изначально был запланирован на 2015 год. [200] SIS сможет «выталкивать мертвые спутники на орбиты захоронения». [ 201] Семейство верхних ступеней Advanced Common Evolved Stage разрабатывается с большим запасом остаточного топлива (для захвата и схода с орбиты брошенных объектов) и возможностью дозаправки в космосе для высокой дельта-v, необходимой для схода с орбиты тяжелых объектов с геосинхронной орбиты. [183] Исследовался спутник-буксир для перетаскивания мусора на безопасную высоту, где он сгорит в атмосфере. [202] При обнаружении мусора спутник создает разницу потенциалов между собой и мусором, а затем, используя свои двигатели, перемещает себя и мусор на более безопасную орбиту.
Разновидностью этого подхода является то, что дистанционно управляемый аппарат сближается с мусором, временно захватывает его, чтобы прикрепить к меньшему спутнику для спуска с орбиты и перетащить мусор с помощью троса в желаемое место. Затем «материнское судно» будет буксировать комбинацию мусора и малого спутника для входа в атмосферу или перемещать ее на орбиту захоронения. Одной из таких систем является предлагаемая система Busek ORbital DEbris Remover (ORDER) , которая будет перевозить более 40 спутников для спуска с орбиты SUL (спутник на пуповинной линии) и топливо, достаточное для их удаления. [24]
7 января 2010 года Star, Incorporated сообщила, что получила контракт от Командования космических и военно-морских боевых систем на технико-экономическое обоснование бестопливного космического аппарата ElectroDynamic Debris Eliminator (EDDE) для удаления космического мусора. [203] В феврале 2012 года Швейцарский космический центр при Федеральной политехнической школе Лозанны объявил о проекте Clean Space One — демонстрационном проекте наноспутника для сопоставления орбиты с несуществующим швейцарским наноспутником, его захвата и совместного схода с орбиты. [204] Миссия претерпела несколько изменений, чтобы достичь модели захвата, вдохновленной игрой Pac-Man. [205] В 2013 году изучался Space Sweeper с Sling-Sat (4S), спутником-захватчиком, который захватывает и выбрасывает мусор. [206] [ нужно обновление ] В 2022 году китайский спутник SJ-21 захватил неиспользуемый спутник и «выбросил» его на орбиту с меньшим риском столкновения. [207] [208]
В декабре 2019 года Европейское космическое агентство заключило первый контракт на уборку космического мусора. Миссия стоимостью 120 миллионов евро под названием ClearSpace-1 (ответвление проекта EPFL) должна быть запущена в 2026 году. Она направлена на удаление 94-килограммового спутника PROBA-1 с орбиты. [176] «Преследователь» схватит мусор четырьмя роботизированными руками и потащит его в атмосферу Земли, где обе руки сгорят. [177]
Лазерная метла использует наземный лазер для удаления передней части мусора, создавая ракетоподобную тягу, которая замедляет объект. При постоянном применении обломки будут падать достаточно низко, чтобы подвергнуться влиянию атмосферного сопротивления. [209] [210] В конце 1990-х годов проект ВВС США Orion был разработан по принципу лазерной метлы. [211] Хотя испытательное устройство планировалось запустить на космическом челноке в 2003 году, международные соглашения, запрещающие испытания мощного лазера на орбите, ограничили его использование измерениями. [212] Катастрофа космического челнока Columbia в 2003 году отложила проект, и, по словам Николаса Джонсона, главного научного сотрудника и руководителя программы Управления программы по орбитальному мусору НАСА, «в окончательном отчете Orion есть много мелких недочетов. Есть причина, по которой он лежит на полке более десятилетия». [213]
Импульс фотонов лазерного луча может напрямую придавать толчок обломкам, достаточный для перемещения небольшого мусора на новые орбиты с пути работающих спутников. Исследования НАСА в 2011 году показывают, что запуск лазерного луча по куску космического мусора может придать импульс в 1 мм (0,039 дюйма) в секунду, а удержание лазера на обломках в течение нескольких часов в день может изменить его курс на 200 м (660 футов) в день. [214] Одним из недостатков является потенциальная деградация материала; энергия может разбить мусор, что усугубляет проблему. [215] Аналогичное предложение помещает лазер на спутник на солнечно-синхронной орбите, используя импульсный луч для выталкивания спутников на более низкие орбиты для ускорения их возвращения. [24] Было сделано предложение заменить лазер на Ion Beam Shepherd , [216] а также другие предложения использовать пенистый шар аэрогеля или распыленную воду, [217] надувные шары, [218] электродинамические тросы , [219] электроадгезию , [220] и специальное противоспутниковое оружие. [221]
28 февраля 2014 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило тестовый спутник «космической сети». Запуск был только эксплуатационным испытанием. [222] В декабре 2016 года страна отправила сборщик космического мусора через Kounotori 6 на МКС, с помощью которого ученые JAXA экспериментировали с извлечением мусора с орбиты с помощью троса. [223] [224] Система не смогла вытянуть 700-метровый трос из транспортного средства космической станции, которое возвращалось на Землю. [225] [226] 6 февраля миссия была объявлена проваленной, и ведущий исследователь Коичи Иноуэ сообщил журналистам, что они «считают, что трос не был отсоединен». [227]
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 мусора весом более 4000 килограммов (8800 фунтов) с НОО. [228] Было изучено несколько методов захвата, включая сеть, гарпун и комбинацию роботизированной руки и зажимного механизма. [229] Финансирование миссии было остановлено в 2018 году в пользу миссии ClearSpace-1 , которая в настоящее время находится в стадии разработки.
План миссии RemoveDEBRIS заключается в проверке эффективности нескольких технологий ADR на фиктивных целях на низкой околоземной орбите. Для завершения запланированных экспериментов платформа оснащена сетью, гарпуном, лазерным дальномером, тяговым парусом и двумя CubeSat (миниатюрными исследовательскими спутниками). [230] Миссия была запущена 2 апреля 2018 года. [ необходима цитата ]
Технологии обработки металла 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 придания ему формы металлической проволоки, листового металла и металлического топлива. [231]
Двигательная система, получившая название Neumann Drive, была разработана в Аделаиде , Южная Австралия , и впервые отправлена в космос в июне 2023 года. Металлический космический мусор преобразуется в топливные стержни , которые можно подключить к Neumann Drive, «по сути, преобразуя твердое металлическое топливо в плазму». Drive будет использоваться американскими космическими компаниями, которые уже имеют сети или роботизированные руки для захвата орбитальных отходов. Двигатель позволяет этим спутникам возвращаться на Землю с собранными ими отходами, что позволяет расплавить их для получения большего количества топлива. [45]
С быстрым развитием компьютерной и цифровизационной отраслей все больше стран и компаний занимаются космической деятельностью с начала 20-го века. Трагедия общего достояния — это экономическая теория, описывающая ситуацию, когда максимизация личной выгоды за счет использования общего ресурса может привести к деградации ресурсов, общих для всех. [232] Согласно этой теории, рациональные действия отдельных лиц в космосе приведут к нерациональному коллективному результату: орбитам, переполненным мусором. Как ресурс общего пользования , орбиты Земли, особенно LEO и GEO, на которых размещено большинство спутников, являются неисключаемыми и конкурирующими . [233]
Для решения этой трагедии и обеспечения устойчивости космоса было разработано множество технических подходов. С точки зрения механизмов управления централизованный сверху вниз менее пригоден для решения сложной проблемы мусора из-за растущего числа космических субъектов. [234] Вместо этого в космосе может работать полицентрическая форма управления, разработанная Элинор Остром . [235] В процессе продвижения полицентрической сети необходимо преодолеть некоторые существующие барьеры.
Поскольку орбитальный мусор является глобальной проблемой, затрагивающей как космические, так и некосмические страны, ее необходимо решать в мировом контексте. [232] Из-за сложности и динамики движения объектов, таких как космические корабли, мусор, метеориты и т. д., многие страны и регионы, включая США, Европу, Россию и Китай, разработали свою космическую ситуационную осведомленность (SSA), чтобы избегать потенциальных угроз в космосе или планировать действия заранее. [236] В определенной степени SSA играет роль в отслеживании космического мусора. Для создания мощной системы SSA существуют два предварительных условия: международное сотрудничество и обмен информацией и данными. [236] Однако, несмотря на улучшение качества данных за последние десятилетия, существуют ограничения. Некоторые космические державы не желают делиться собранной ими информацией, а те, например США, которые поделились данными, держат часть из них в секрете. [237] Вместо того, чтобы объединиться скоординированным образом, многие программы SSA и национальные базы данных работают параллельно друг другу с некоторыми совпадениями, что препятствует формированию совместной системы мониторинга. [237]
Некоторые частные субъекты также пытаются создать системы SSA. Например, Ассоциация космических данных (SDA), созданная в 2009 году, является неправительственной организацией. В настоящее время она состоит из 21 глобального спутникового оператора и 4 исполнительных членов: Eutelsat , Inmarsat , Intelsat и SES . SDA является некоммерческой платформой, целью которой является предотвращение радиопомех и космических столкновений путем объединения данных от независимых операторов. [236] Исследователи предполагают, что необходимо создать международный центр для обмена информацией о космическом мусоре, поскольку сети SSA не полностью соответствуют системам отслеживания мусора — первые больше фокусируются на активных и угрожающих объектах в космосе. [238] Что касается популяции мусора и вышедших из строя спутников, то лишь немногие операторы предоставили данные. [238]
В полицентрической сети управления ресурс, который не может быть целостно отслежен, с меньшей вероятностью будет хорошо управляться. [237] Как недостаточное транснациональное сотрудничество, так и обмен информацией создают сопротивление решению проблемы мусора. Предстоит пройти долгий путь, чтобы построить глобальную сеть, которая охватывает полные данные и имеет сильную взаимосвязь и совместимость.
С коммерциализацией спутников и космоса частный сектор становится все более заинтересованным в космической деятельности. Например, SpaceX планирует создать сеть из около 12 000 малых спутников, которые смогут передавать высокоскоростной интернет в любую точку мира. [239] Доля коммерческих космических аппаратов увеличилась с 4,6% в 1980-х годах до 55,6% в 2010-х годах. [240] Несмотря на высокий уровень участия коммерческих организаций, КОПУОС ООН однажды намеренно исключил их из числа участников дискуссий, если только они не были официально приглашены государством-членом. [234] Остром заявила, что вовлечение всех соответствующих заинтересованных сторон в процесс разработки и внедрения правил является одним из важнейших элементов успешного управления. [241] Исключение частных субъектов в значительной степени снижает эффективность роли комитета в принятии коллективных решений, которые отражают интересы всех пользователей космоса. [234]
Ограниченное участие частных субъектов замедляет процесс решения проблемы космического мусора. [242] Связи между разнородными заинтересованными сторонами в сети управления обеспечивают доступ к разнообразным ресурсам. [243] Различная компетентность среди заинтересованных сторон может помочь более разумно распределить задачи. В этом случае экспертиза и опыт частных операторов имеют решающее значение для того, чтобы помочь миру достичь космической устойчивости. [242] Взаимодополняющие сильные стороны различных заинтересованных сторон позволяют сети управления быть более адаптивной к изменениям и более эффективно достигать общих целей. [243] В последние годы многие частные субъекты увидели коммерческие возможности устранения космического мусора. По оценкам, к 2022 году мировой рынок мониторинга и удаления мусора принесет доход около 2,9 млрд долларов. [244] Например, Astroscale заключила контракты с европейскими и японскими космическими агентствами на разработку возможностей удаления орбитального мусора. [245] Несмотря на это, их все еще мало по сравнению с числом тех, кто разместил спутники в космосе. Privateer Space, гавайская стартап-компания американского инженера Алекса Филдинга , защитника окружающей среды Морибы Джа и соучредителя Apple Стива Возняка , в сентябре 2021 года объявила о планах запустить на орбиту сотни спутников для изучения космического мусора. [246] Однако компания заявила, что находится в «скрытом режиме», и ни один такой спутник не был запущен. [246]
К счастью, текущее освоение космоса не полностью обусловлено конкуренцией, и все еще существует возможность для диалога и сотрудничества между всеми заинтересованными сторонами как в развитых, так и в развивающихся странах, чтобы достичь соглашения по решению проблемы космического мусора и обеспечить справедливое и упорядоченное освоение. [247] Помимо частных субъектов, сетевое управление не обязательно исключает государства из участия. Вместо этого различные функции государств могут способствовать процессу управления. [248] Для улучшения полицентрической сети управления космическим мусором исследователи предлагают: поощрять обмен данными между различными национальными и организационными базами данных на политическом уровне; разрабатывать общие стандарты для систем сбора данных для улучшения взаимодействия; и расширять участие частных субъектов путем вовлечения их в национальные и международные дискуссии. [237]
Проблема космического мусора была поднята как проблема смягчения последствий для миссий вокруг Луны, учитывая опасность увеличения количества космического мусора вокруг нее. [249] [250]
Предполагается, что 4 марта 2022 года впервые человеческий космический мусор — скорее всего, отработанный корпус ракеты Long March 3C , третья ступень из миссии Chang'e 5 T1 2014 года — непреднамеренно ударился о поверхность Луны , создав неожиданный двойной кратер. [251] [252]
В 2022 году на Марсе было обнаружено несколько элементов космического мусора: задняя часть Perseverance была найдена на поверхности кратера Джезеро [253] , а также часть теплового одеяла, которое могло остаться от посадочной ступени марсохода. [254] [255]
По состоянию на февраль 2024 года [update]Марс завален примерно семью тоннами антропогенного мусора. Большая его часть состоит из разбившихся и неработающих космических аппаратов, а также выброшенных компонентов. [256] [257]
До конца света (1991) — французская научно-фантастическая драма, действие которой происходит на фоне вышедшего из-под контроля индийского ядерного спутника, который, как прогнозируется, снова войдет в атмосферу, угрожая обширным населенным районам Земли. [258]
«Гравитация» — фильм о выживании 2013 года, снятый Альфонсо Куароном , — повествует о катастрофе во время космической миссии, вызванной синдромом Кесслера. [259]
В 11-м эпизоде первого сезона сериала « Любовь, смерть и роботы » (2019) рассказывается о том, как астронавт попадает под удар винта от космического мусора, который сбивает ее со спутника на орбите. [260]
Манга и аниме Planetes рассказывают историю об экипаже станции Space Debris, которая собирает и утилизирует космический мусор. [261]
Помимо того, что космический мусор является проблемой научно-фантастических рассказов, в других рассказах он рассматривается как резервуар для повествования, как в рассказах о мусорщиках космического мусора, таких как « Космические уборщики» (2021), или как результат или среда повествования.
Верхняя ступень Delta: Было несколько событий для второй ступени Delta из-за остаточного топлива, пока в 1981 г. не были введены выжигания для истощения.
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Россия: 20 испытаний на совместной орбите, 7 испытаний с наземного/воздушного запуска.
Несмотря на растущую обеспокоенность по поводу угрозы, которую представляет собой орбитальный мусор, и формулировки в национальной космической политике США, предписывающие правительственным агентствам 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 г. и отражает лучшее понимание работы спутников и других технических вопросов, которые способствуют росту популяции орбитального мусора. ...[Новые руководящие принципы 2019 г.] не решают одну из самых больших проблем, касающихся уменьшения количества орбитального мусора: следует ли сокращать 25-летний срок для вывода спутников с орбиты после окончания их миссии. Многие в космическом сообществе считают, что этот срок должен быть меньше 25 лет.
