Вадим Романов - Мусор преграждает путь в космос

• Название: Мусор преграждает путь в космос
• Автор: Вадим Романов
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2012

Количество мусора — природного и техногенного, связанного с деятельностью человека, — на околоземных орбитах постоянно увеличивается. В перспективе орбитальный мусор угрожает самой возможности не только освоения Космоса человеком, но и выхода в околоземное космическое пространство (ОКП). Между тем, жизнь современного человека немыслима без спутников, навигационных систем и космических станций в ОКП. Невозможным будет информационная и хозяйственная жизнь цивилизации, её развитие и процветание, освоение ближнего и дальнего Космоса.

Неожиданным препятствием амбициозным планам человечества стала проблема мусорных объектов — в первую очередь вышедших из строя спутников, их разрушенных фрагментов и обломков космической орбитальной техники. Они в буквальном смысле закрывают дорогу в Космос, препятствуя выведению космической техники, блокируют и захламляют воздушные пути, через которые должны подниматься полезные грузы.

Пока надёжных работающих технологий избавления от мусорных орбитальных объектов нет. Появятся ли они в будущем и какими видятся разработчикам ракетно-космической техники? Эти вопросы и многие другие вопросы правильного определения и принадлежности объектов в околоземном космическом пространстве к категориям отходов, отбросов или мусора обсуждаются в этой книге.

Книга написана простым доходчивым языком и рассчитана на читателя, интересующегося современным состоянием космонавтики, её проблемами и перспективами развития. Большое количество иллюстраций помогает понять изложенный материал. Для студентов, научных сотрудников, учащихся и просто любознательных людей.

---

Что касается антропогенной составляющей отбросов, то она соответствует определению мусора, являясь его частным случаем (фактически отбросы — это биологический мусор). Ввиду практической важности и массовости отбросов — как природных, так и связанных с деятельностью человека, — они выделены совместно с мусором в качестве отдельного экскретного элемента (смотри схему Рис. 1.1.).

Кратко отбросы можно определить так:

1). несъедобная пища и пищевые остатки;

2). продукты выделений живых организмов и их тела после естественной гибели (кроме утрат).

Отбросы являются необходимым звеном процессов существования живых организмов.

2. Мусорные экскреты в атмосфере и в околоземном космическом пространстве (ОКП)

Проблема орбитального — искусственного (техногенного) и естественного (космического) мусора является весьма близкой и актуальной для экскретологии такой динамической системы, как система «Земля-ОКП».

В первые годы освоения космического пространства вопрос о его загрязнении и влиянии этого загрязнения на земную природу вообще не ставился. Околоземная область функционирования искусственных космических объектов достаточно велика. Несмотря на то, что её объём оценивается огромной величиной ~1014 — 1015 км3, активная антропогенная деятельность в последние годы стала весьма ощутимо сказываться и здесь.

Освоение околоземного космического пространства, ближнего и дальнего Космоса являются жизненно необходимыми шагами развивающейся цивилизации. Для реализации подобных амбициозных задач требуется не только наличие ракетно— космической техники, но и осознание рисков негативных воздействий, которые она может нанести биосфере планеты. В понятие «ракетно-космическая техника» обычно включают [12]:

— космодромы (технические и стартовые комплексы, заправочно-нейтрализационные станции, хранилища и т. д.);

— средства выведения — ракеты-носители (PH) и разгонные блоки (РБ);

— космические аппараты (КА) и орбитальные станции;

— районы падения отделяющихся частей;

— командно-измерительные комплексы.

Околоземное космическое пространство (ОКП) может быть определено [12] как «область вокруг Земли, физические характеристики которой отличаются от характеристик собственно межпланетного пространства в связи с влиянием Земли. К этим физическим характеристикам относятся концентрация заряженных и нейтральных частиц, их энергия и химический состав, плотность твёрдого вещества, магнитное и электрическое поля. Протяжённость ОКП над освещённой стороной Земли в направлении на Солнце 1СН-12 земных радиусов, а над ночной стороной, по-видимому, превышает расстояние до орбиты Луны. Из понятия ОКП исключается атмосфера или, по крайней мере, тропосфера, стратосфера и мезосфера. Синоним — околоземное пространство».

При изучении околоземного космического пространства как объекта экскретологии следует его рассматривать во взаимодействии с биологическим миром планеты. При этом ОКП должен рассматриваться в качестве окружающей среды для Земли, как единой глобальной экосистемы, потому что все процессы, происходящие в ОКП, в том числе и связанные с освоением Космоса, оказывают влияние на экологическое состояние Земли.

Заметим, что околоземное космическое пространство должно рассматриваться не только как несколько защитных атмосферных оболочек Земли, но и как область активной ракетно— космической деятельности. Для представителей аэрокосмической промышленности ОКП — это несколько различных орбитальных режимов, соответствующих задачам запускаемых искусственных объектов. Современные средства космической индустрии сосредоточены на нескольких наиболее часто эксплуатируемых орбитах [13]:

— орбиты пилотируемых космических аппаратов (200–400 км);

— орбиты действия автоматических космических аппаратов различного назначения (высоты 800-1000 км);

— орбиты высот 1900-20500 км, где работают многочисленные многоспутниковые навигационные системы GPS (НАСА, США), ГЛОНАСС (Российское космическое агентство), GalileoSat (Европейское Космическое Агентство);

— геостационарная орбита (36 000 км от поверхности Земли).

Постоянно повышенный интерес к этой орбите со стороны многих государств объясняется её уникальностью. Находящийся на этой круговой экваториальной орбите спутник при некоторых условиях неподвижно зависает над экватором в точке своего стояния и может круглосуточно обслуживать значительную часть земной поверхности. На этой орбите работают спутники связи, ретрансляторы, метеорологические спутники и др.

За пределы геостационарной орбиты, называемой ещё «свалкой орбитального мусора» выводятся орбитально— космические экскреты — летательные аппараты, отслужившие свой срок, с опасными грузами или по каким то другим причинам нуждающиеся в изоляции от объектов ОКП и биосферы планеты. «Орбитальная свалка» начинается в 200 км от геостационарной орбиты и простирается до орбиты Луны.

Наиболее загруженной техногенными объектами является область ОКП на высотах от 850 до 1500 км, где имеются орбиты действующих автоматических космических аппаратов различного назначения. В этой же области сосредоточено больше всего орбитальных отходов и орбитального мусора.

Атмосферный слой орбитального мусора — высоты ниже 200 км — завершает существование большинства техногенных и природных объектов ОКП. Здесь они сильно тормозятся плотной атмосферой, некоторые сгорают, другие долетают до поверхности Земли или водных объектов.

Таким образом, область активной орбитальной ракетно-космической деятельности — это высоты над поверхностью Земли от 200 км до 36 000 км (см. схему Рис. 2.1.). Сама орбитальная ракетно— космическая деятельность (ОРКД) может быть определена как деятельность, связанная с процессами доставки и использования летательных аппаратов в околоземном космическом пространстве и в Космосе.

На высотах 800-1000 км долгое время располагалась основная масса спутников с ядерными энергетическими устройствами на борту, поскольку здесь они могут существовать многие сотни лет до полного исчезновения продуктов ядерного распада.

В состав и структуру техногенного орбитального мусора входят также продукты экспериментов в космосе, попадающие после разрушения исследовательских объектов на орбиты и в конечном счёте падающие на Землю. Продукты распада вещества космических ядерных реакторов, продукты технологических и биологических экспериментов, большое число частиц окиси алюминия, попадающих в космос и верхнюю атмосферу в результате работы реактивных двигателей, остатки ракетного топлива, окислителя и т. д. [14] также пополняют собой техногенный орбитальный мусор.

Кроме того, процессы газовыделения и сублимации материалов в разреженной атмосфере полётов приводят к образованию около КА облака собственной внешней атмосферы. В её состав входят твёрдые частицы, отрывающиеся от поверхности аппарата, продукты выхлопа двигателей, газы и твёрдые частицы, попадающие в околоземное космическое пространство из внутренних отсеков КА за счёт утечек, при шлюзовании и т. д. [15].

Космический летательный аппарат оказывается окружённым локальным облаком продуктов собственных выделений. Особенно плотное облако возникает около пилотируемых объектов, так как процессы жизнедеятельности космонавтов его постоянно пополняют. Плотность собственной внешней атмосферы КА оказывается заметно выше окружающей среды — величины порядка 10 8-10"10 кг/м3, тогда как плотность атмосферы Земли на высотах пилотируемых полетов ~1012 кг/м3.

Каждая из фракций антропогенного загрязнения распространяется в ОКП под действием различных процессов. Крупные фрагменты и осколки космического мусора разлетаются в ОКП по различным орбитам, создавая вокруг Земли искусственный пояс, который может существовать длительное время. Его вещество испытывает вековые возмущения вследствие аэродинамического сопротивления разреженной атмосферы, плазмы магнитосферы и солнечного ветра. Одним из существенных факторов эволюции этого пояса являются взрывы пассивных или действующих ИСЗ и их столкновения с другими ИСЗ или с орбитальным мусором. Динамика их движения описывается кеплеровскими уравнениями движения с учётом сопротивления среды и взаимных столкновений. Постепенно часть осколков, находящихся на низких орбитах, теряет высоту и сгорает в атмосфере. Наиболее крупные фрагменты могут выпасть на поверхность Земли.

Микрочастицы, образуемые в ОКП в результате взрывов, выбросов двигателей ракет-носителей, распространяются в виде некоторого относительно быстро рассеивающегося облака. На высотах 200–500 км облака таких частиц с размерами от долей микрона до сотен микронов находятся на орбите от нескольких часов до нескольких суток. Эволюция микрочастиц во многом носит статистический характер, учитывая их более высшую числовую плотность и, соответственно, более высокие вероятности взаимных столкновений. Уход их с орбиты и рассеивание в пространстве вызывается значительным атмосферным торможением.