Американский ученый

Околоземные орбиты становятся все более перегруженными, что повышает риск столкновений, разрушающих спутники. Но некоторые несчастные случаи могут произойти независимо от того, что мы сделаем в ответ.

Политика

Эта статья из выпуска

Январь-февраль 2014 г.

Том 102, номер 1

Стр. 26

10 февраля 2009 года два спутника связи - Cosmos 2251 и Iridium 33 - катастрофически столкнулись на околоземной орбите в 789 километрах над северной Сибирью. Событие не было полностью неожиданным: многие наблюдатели зафиксировали и проследили заметно близкое приближение между парой.

Однако с точки зрения минимального расстояния между спутниками и сложных расчетов, которые предсказывают вероятность столкновения, эти спутники не считались особо опасными. Среди всех известных близко сближающихся спутников эти два едва ли попали даже в топ-200. Тем не менее, они столкнулись.

Французский спутник Cerise был поражен обломками разряженной ракеты Arianne 24 июля 1996 года, что, вероятно, было первым задокументированным случаем столкновения двух искусственных объектов в космосе. Удар, показанный здесь, привел к тому, что спутник начал кувыркаться, но его перепрограммировали, и миссия продолжилась. Это и несколько других громких орбитальных столкновений привели к образованию отслеживаемых обломков, но пока не было вторичных столкновений с другими спутниками.

Дэвид Дюкрос / Science Source

И Cosmos 2251, и Iridium 33 находились на орбитах, сильно наклоненных по отношению к экватору Земли. Такие пути пересекают орбитальные плоскости многих спутников на низкой околоземной орбите, хотя пересечения не обязательно пересекают сами орбиты. Ежедневно между такими спутниками проходят десятки подходов в пределах 100 километров, многие - в пределах 10 километров или меньше. Но столкновение 2009 года - единственное, когда-либо происходившее между двумя совершенно разными, не связанными друг с другом спутниками, что свидетельствует о сложности проблемы.

Даже когда специалисты по орбите могут понять, что спутники могут оказаться под угрозой, большинство предупреждений не может быть выполнено. Либо опасность рассчитана слишком поздно для маневрирования спутника, либо задействованные объекты вообще не маневрируют.

Такие удары - это только начало проблемы. Обломки, образовавшиеся в результате столкновения, становятся опасными для других объектов, находящихся на орбите. Наблюдатели заметили 598 фрагментов Iridium и 1603 фрагмента Cosmos от удара, что означает относительно скользящий удар. За этим мусором продолжают наблюдать так же внимательно, как и за любым другим объектом на орбите, но невозможно ни увидеть, ни отследить все, что там может быть. Механика разрушения спутников также не совсем понятна. Что мы действительно знаем, так это то, что все материалы фрагментируются по-разному, и что количество, диапазоны размеров и массы фрагментов имеют конечный предел. Космический мусор не превращается в пыль.

По оценкам Управления программы НАСА по орбитальному мусору, в настоящее время на орбите находится более 21000 фрагментов размером более 10 сантиметров. Частиц размером от 1 до 10 сантиметров может быть около 500 000, а частиц размером менее 1 сантиметра может превышать 100 миллионов. Мы никогда не узнаем наверняка и не можем действовать на основании того, о чем можем только догадываться. Политика НАСА заключается в том, что Международная космическая станция (МКС) должна маневрировать в сторону от объекта, если вероятность столкновения превышает 1 из 100 000, что происходит в среднем примерно раз в год. Чрезвычайно мелкие частицы постоянно попадают на МКС без особого эффекта.

С увеличением числа запусков растет проблема космического мусора. В феврале 2013 года Межучрежденческий координационный комитет Организации Объединенных Наций по космическому мусору опубликовал отчет, в котором прогнозируется, что в течение следующих 200 лет частота катастрофических столкновений - определена с участием обломков размером более 10 сантиметров и энергии удара более 40 джоулей. на грамм - может происходить один раз в пять-девять лет. Ожидается, что большая часть скопления космического мусора будет происходить на низких орбитах вокруг Земли, на высоте от 800 до 1000 километров, потому что эти орбиты густо населены (а на более низких высотах мусор имеет тенденцию попадать в атмосферу Земли и сгорать. ).

Вся эта информация по-прежнему оставляет много вопросов. Столкновение "Космос-Иридиум" демонстрирует, что расстояние между спутниками - не единственный фактор, определяющий риск их столкновения. Если мы не знаем, где находится спутник, среднее расстояние промаха может быть очень неправильным. Из-за количества обломков на околоземной орбите это кажется огромной проблемой, но так ли это на самом деле? Угроза космического мусора приближается к критической точке? В настоящее время все еще не ясно, достаточно ли часты риски и издержки столкновений, чтобы оправдать расходы на уборку этого мусора, а не на то, чтобы не создавать большего количества мусора в будущем.

Чтобы ответить на эти вопросы, потребуется решить, как определять фактические риски, как правильно моделировать последствия космического мусора на орбите и как четко представить ситуацию общественности и тем, кто может решить эти проблемы. Препятствия на пути к решению этих дилемм носят как научный, так и политический характер. Научная загадка состоит в том, что информации о возможных масштабах проблемы мало. Политическая загадка заключается в том, что меры по смягчению последствий опасных явлений не дают немедленных количественных результатов и могут потребовать десятилетий или столетий, чтобы принести конкретную пользу.

К счастью, скромные инвестиции - незначительная часть миллионов, необходимых для создания и запуска спутника, - при правильном применении могут иметь большие рычаги для смягчения последствий космического мусора. Возможно, ни одно другое человеческое начинание не охватывало такого разнообразия научных, технических, практических и юридических дисциплин. То, как мы будем решать эти проблемы, может иметь большое влияние на все более сложные вопросы человеческой коммерции. Спутники и связанные с ними космические операции имеют решающее значение для мировой экономики, принося около 80 миллиардов долларов годового дохода. Во всем, от спутников-шпионов до спутникового телевидения, они являются ключом к глобальной безопасности и поддержанию качества нашей жизни.

Орбиты в движении

Ежегодно запускается не менее 100 новых спутников, а в настоящее время на орбите находится более 1000 действующих спутников, каждый из которых может иметь срок службы от 10 до 15 лет. Как показано ниже, эта популяция резко возросла с момента первых запусков в 1950-х годах.

Около 40 000 различимых гигантских объектов вращаются вокруг Земли, из которых менее 4 000 являются активными спутниками. Космический мусор находится на разных орбитах и ​​имеет широкий диапазон размеров и масс. Примерно 95 процентов массы приходится на самые большие 5 процентов объектов. Всего два орбитальных столкновения вызвали скачок количества фрагментов, показанных в правом конце синей линии.

Иллюстрация Эммы Скурник.

Хотя общее количество космических кораблей и кусочков космического мусора кажется огромным, внеземное пространство на самом деле относительно пусто. Вероятность столкновения зависит от плотности движения и траектории движения объектов. НАСА должно использовать меры по предотвращению столкновений между космическими кораблями, вращающимися вокруг Марса, хотя их относительно мало, потому что им может потребоваться находиться в непосредственной близости для связи с экспериментами в приблизительно фиксированных местах на поверхности. Спутники на наиболее продуктивных орбитах вокруг Земли также подвержены более высокому риску столкновений.

Плотность объектов на разных высотах - полезный, хотя и неполный, показатель риска. Низкая околоземная орбита и геостационарная орбита являются наиболее загруженными режимами; остальные пики соответствуют спутникам GPS и российскому аналогу ГЛОНАСС. Наибольшая плотность соответствует примерно одному объекту на 10 миллиардов кубических километров; среднее расстояние между орбитальными объектами составляет несколько сотен километров в наиболее плотных регионах и несколько тысяч в других местах.

Иллюстрация Эммы Скурник.

Самыми густонаселенными маршрутами на околоземной орбите являются те, на которых орбита спутника проходит над одним и тем же местом на земле в одно и то же время каждый день (солнечно-синхронно), а также те, на которых скорость орбиты совпадает со скоростью вращения Земли (геостационарная ), и орбиты, плоскости которых сильно наклонены относительно экваториальной плоскости. Спутники Глобальной системы позиционирования (GPS) размещаются на полпути к синхронному, на высоте около 20 000 километров, где отсутствует сопротивление атмосферы и световое давление от Солнца невелико.

Чтобы определить риск для спутника, мы должны знать, где он находится, и для этого мы должны различать характеристики орбиты и местоположение и состояние движения спутника на этой орбите. Классически форма орбит определялась как эллипс, но это недостаточно точно. Теперь мы знаем, что внутренняя масса Земли неоднородна и динамична: в твердых частях Земли есть приливы, как и в океанах. Это изменение вызывает колебания траектории спутников, вращающихся вокруг Земли. Кроме того, Луна, Солнце и другие массивные тела нарушают орбиты спутников вокруг Земли.

На больших высотах, например, на высоте 35 780 км, где размещены геостационарные спутники, передача импульса от фотонов (так называемое радиационное давление ) может быть сравнима с действием силы тяжести или превосходить ее. На малых высотах, таких как 250-километровая орбита космического телескопа Хаббла, существует аэродинамическое сопротивление даже в разреженной атмосфере. Сопротивление и радиационное давление рассеивают энергию и изменяют орбиты (хотя радиационное давление также может добавлять энергию).

Наиболее густонаселенные орбиты вокруг Земли, показанные схематично: синхронные с Солнцем орбиты проходят над заданной точкой на земле в одно и то же время каждый день. Геосинхронные орбиты имеют период обращения в один день, поэтому спутники остаются заблокированными в одном месте на Земле. Полусинхронные орбиты полезны для навигационных спутников. Орбиты с критическим наклонением поддерживают стабильную долготу большой полуоси. Низкие околоземные орбиты находятся на расстоянии от 200 до 2000 километров; высокие околоземные орбиты находятся на высоте более 36 000 километров.

Иллюстрация Эммы Скурник.

В результате орбиты не являются чистыми эллипсами. В лучшем случае можно описать мгновенные состояния спутников в терминах эллипса, касательного к траектории спутника в этот момент, касающейся (или целующейся) орбиты. Более того, существуют заметные пробелы в знаниях о комплексном влиянии космической среды на динамику космических объектов.

При описании орбит астрономы и астродинамики попадают в ловушку загадочной терминологии, выработанной за столетия наблюдений и выводов. Вставка 1 ниже объясняет этот классический словарь. Возмущения заставляют орбиту вращаться или прецессировать вокруг оси Земли и заставляют большую полуось орбиты вращаться в плоскости орбиты. Все орбиты все время меняются. Геостационарные спутники не являются по-настоящему стационарными, но требуют регулярных движущих сил для сохранения своего местоположения. Поэтому мы часто говорим о спутниковых траекторияха не спутниковые орбиты. Хотя идеализированные орбиты представляют собой замкнутые кривые, возмущения означают, что спутники никогда не вернутся в то же место, что и в предыдущем обороте. Эти изменения незначительны для некоторых орбит и используются в качестве источников калибровки для датчиков и методов определения орбиты.

Вставка 1

Что делает орбиту?

Терминология, используемая для описания орбиты, была разработана на протяжении столетий астрономических наблюдений, и поэтому словарь может показаться немного загадочным. Орбита вокруг массивного тела описывается пятью независимыми параметрами: размером, формой, поворотом, наклоном и вращением. Все орбиты (которые не избегают гравитации) представляют собой эллипсы, математические формы, которые имеют два фокуса, точки, определяющие форму кривой; центральное тело ( зеленая сфера ) находится в одном из них (фокусы встречаются в центре, если эллипс представляет собой круг).

Иллюстрация Эммы Скурник

Размер эллипса определяется его перпендикулярными большой и малой осями ( верхняя диаграмма ). Отношение большой оси к малой составляет единицу плюс эксцентриситет (величина отклонения формы от окружности).

Большая ось поворачивается относительно Гринвичского меридиана, и место, где плоскость орбиты пересекает экваториальную плоскость Земли, называется долготой восходящего узла ( вторая диаграмма ).

Угол наклона плоскости орбиты относительно плоскости отсчета называется ее наклоном ( третья диаграмма ). Он также вращается вокруг большой оси, так что ближайшая к Земле точка находится на долготе, называемой аргументом перигея ( четвертая диаграмма ).

Для определения положения и скорости спутника на орбите требуется окончательная величина: угол вокруг орбиты от малой оси, параметр, называемый истинной аномалией.

Компании и государственные учреждения выбирают определенные траектории, потому что для их поддержания может потребоваться минимум энергии, они имеют благоприятную геометрию для выполнения миссий или их легче всего анализировать. Но правила для НАСА, Европейского космического агентства (ЕКА) и других также требуют проверки предложенных орбит на предмет вероятности столкновений в течение срока службы спутника и за его пределами. Вероятность столкновений оценивается статистически с использованием моделей околоземного населения и его возможной эволюции. Эти модели не оценивают траектории космических объектов и их неопределенности, а скорее пытаются сделать выводы о плотности объектов на орбите и предсказать столкновения на основе эволюции этих плотностей.

Орбиты, превышающие пороговые значения вероятности столкновения, отклоняются, даже если они могут быть наиболее эффективными. Однако такие оценки крайне неопределенны. Вставка 2 ниже демонстрирует, что чем больше неопределенность, тем ниже вероятность столкновений, потому что мы настолько не знаем, где может быть спутник в далеком будущем, что он может быть почти где угодно: маловероятно, что два будут в одном месте. в то же время. Принимать решения, основанные на незнании, не идеально, но получить больше знаний очень сложно. Один из ответов - ошибиться на стороне консерватизма, избегая как можно большего риска.

Вставка 2

Нечеткая физика столкновений спутников

Вероятность столкновения двух спутников определяется комплексом сложных математических и физических расчетов, и в ней преобладает неопределенность. Спутниковые траектории - это оценки, разработанные с неполными физическими знаниями и измерениями, которые содержат неотъемлемые ошибки. Крайне маловероятно, что два спутника войдут в прямой контакт друг с другом; мы можем только оценить вероятность того, что они могут столкнуться где-нибудь на своей поверхности. Для целей этой оценки мы предполагаем, что два спутника являются сферическими, поэтому будет физическое перекрытие всякий раз, когда их центры находятся внутри сферы, радиус которой равен объединенным радиусам двух идеализированных объектов (как показано на вертикальной синей полосе на графике). График учитывает относительное движение одного спутника относительно другого,и показывает так называемую функцию плотности вероятности одномерной статистики их взаимного расположения. Пронумерованные кривые показывают возрастающую комбинированную орбитальную неопределенность. Заштрихованная область под кривыми в синей полосе показывает вероятность того, что два спутника находятся в пределах их объединенного радиуса. Как показано на врезке диаграммы, эта область меняется с увеличением орбитальной неопределенности. Максимальное значение этой кривой называетсяМаксимальное значение этой кривой называетсяМаксимальное значение этой кривой называетсяпорог разбавления и представляет собой максимально возможную вероятность столкновения - полезную верхнюю границу, когда реальные неопределенности недоступны. Однако тот факт, что средние орбиты двух спутников, по прогнозам, будут близки в данный момент времени, не обязательно означает, что они столкнутся. И наоборот, если орбиты далеко друг от друга, все еще возможно, что они могут столкнуться.

Иллюстрация Эммы Скурник

Вселенная неопределенности

Несмотря на все усилия специалистов по планированию миссий, качество спутниковых траекторий ограничено неточными и разреженными измерениями с большой погрешностью. Модели физических явлений неполны и непоследовательно интегрированы. Ошибки измерений и моделирования влияют на оценки будущего местоположения космических аппаратов.

Такие оценки создаются с использованием трех методов: фильтрации, сглаживания и оценки. Фильтрация оценивает состояния с использованием данных, полученных до настоящего момента, тогда как сглаживание выполняется в обратном направлении с использованием данных, полученных или полученных до и после интересующего времени. Оценка использует траекторию и ее неопределенности, которые были разработаны с фильтрацией и сглаживанием, чтобы приблизиться к будущему местоположению спутника.

Существует обширная история исследований по определению орбиты. Некоторые методы эквивалентны минимизации суммы квадратов разностей между предполагаемой траекторией и доступными данными, метод, называемый методом наименьших квадратов. Некоторые специалисты по орбитальной динамике дополняют свой набор данных по мере поступления новых наблюдений и уменьшают или исключают данные о прошлом событии, на которое могла повлиять физика, отличная от нынешней.

Десятки телескопов и радиолокационных установок по всему миру используются для наблюдения за объектами на орбите, включая фрагменты мусора. Эти инструменты эксплуатируются несколькими странами и организациями, но они обмениваются данными, чтобы обеспечить наилучшее общее представление об орбитальной среде. (Радиолокационная сеть НАВСПАСУР выведена из эксплуатации.)

Иллюстрация Тома Данна.

Чем более редки и неточны наблюдения текущего местоположения спутника, тем больше неопределенность. Также не всегда хорошо известны ориентация, масса и физические характеристики спутника. Очень важна точная количественная оценка этой неопределенности. Спутники на орбите наблюдаются с Земли с помощью ряда телескопов и радаров, как показано на карте справа. Дополнительные группы также играют роль. Например, команда, открывшая комету ISON, на самом деле занимается мониторингом спутников и мусора. По сравнению с количеством объектов на орбите, этих станций мониторинга слишком мало, и они не обязательно хорошо оснащены для обеспечения точности, необходимой операторам.Даже те, кто управляет спутниками, не находящимися на геостационарной орбите, все менее и менее точно знают, где находятся их спутники, поскольку космический корабль выходит из зоны видимости станции управления.

Наблюдатели и операторы во всем мире сотрудничают, чтобы достичь наилучших возможных траекторий, но все же состояния отдельных объектов на околоземной орбите можно с уверенностью предсказать только через несколько дней в будущем. Чем дальше мы смотрим, тем меньше деталей мы можем предсказать. Лучшее, что мы можем сделать через десятилетия в будущем, - это оценить вероятности того, что могут быть столкновения, но не то, какие объекты могут столкнуться или когда в течение длительного интервала времени.

Мы прогнозируем близкие сближения и возможные столкновения, извлекая растущие неопределенности объектов на орбите. Этот процесс очень похож на квантовую механику, в которой сущность описывается плотностью вероятности, а будущее состояние можно оценить только статистически. Хотя в современной практике преобладает оценка минимального расстояния между усредненными орбитами, в зависимости от того, насколько неточные оценки, этот метод может быть ни необходимым, ни достаточным для определения вероятности столкновений. В средствах массовой информации часто цитируется большое количество «близких подходов», но они не подразумевают, что может произойти много столкновений (близкое сближение определяется как расстояние от 5 до 50 километров, в зависимости от оператора). Но, как показано во вставке 2 в предыдущем разделе,чем больше пересечение объемов двух приближающихся спутников, тем выше вероятность столкновения.

Наиболее точные оценки орбит и столкновений делаются ближе всего к времени и месту предполагаемого события, в идеале с учетом данных последних наблюдений и определения орбиты. Но такие прогнозы не делаются заранее, чтобы избежать столкновения, если оно неизбежно. Операторы спутников редко могут разработать и выполнить маневры за несколько часов, а маневры, близкие к моменту контакта, требуют гораздо больше энергии, чем запланированные заранее заранее. Такие действия могут привести к потере ограниченного запаса топлива космического корабля, что сократит его активный срок службы.

Конфликт между точным знанием и способностью планировать и выполнять маневры называется действенностью. Многие предупреждения о возможных столкновениях не требуют действий, а многие предупреждения, требующие принятия мер, основаны на такой большой неопределенности, что вероятность столкновения (по незнанию) мала. Маневры, выполняемые якобы для предотвращения столкновений, часто были ненужными или даже увеличивали вероятность катастрофы, помещая спутник на путь еще большей опасности в будущем.

Разрушая это

Спутники - чрезвычайно сложные и хрупкие устройства. Они должны производить мощность и тянуть, сохраняя как можно больше энергии с максимальной плотностью, но при этом обеспечивать достаточную теплопередачу, чтобы избавляться от неизбежных термодинамических отходов. Их конструкция должна выдерживать пусковые нагрузки и вибрацию, поддерживать чувствительные инструменты и при этом быть как можно более легкой. Эти характеристики приводят к сложным режимам разрушения конструкции и фрагментации, большинство из которых недостаточно хорошо описаны.

Репрезентативные спутники были намеренно уничтожены в ходе испытаний на столкновение в закрытом космосе, проведенных Центром инженерных разработок ВВС США им. Арнольда в Таллахоме, штат Теннесси. Собираются фрагменты, и их распределение по массе и размерам изучается статистически. Эти результаты могут быть использованы для моделирования распределения энергии между фрагментами. Детальное моделирование газовой динамики и структурной динамики также было разработано для резервуаров под давлением. Однако ни один из этих данных не получил широкого распространения. Большинство космических агентств, в том числе НАСА, поддерживают свои собственные модели фрагментации.

Поскольку столкновения на сверхскоростных скоростях - от 1 до 20 километров в секунду - являются неравновесным явлением, механическая энергия и импульс не обязательно сохраняются. Продолжительность столкновения меньше, чем время, необходимое для передачи возмущения по всей конструкции. Обычно гибкие материалы ведут себя как твердые, хрупкие массы, потому что передача энергии для снятия напряжения внутри материала не может происходить за короткое время контакта. В конце концов, пластическая деформация рассеивает энергию.

Некоторая начальная энергия проявляется в виде тепла и колебания отдельных фрагментов. Энергия сталкивающихся масс включает не только энергию, запасенную для движения и мощности, но также энергию деформации, накопленную в конструкции. Например, пружина накапливает энергию в виде не снимаемых напряжений в материале. Когда пружина ломается, это источник энергии, который заставляет сломанный кусок улететь. Наблюдения за некоторыми из немногих произошедших столкновений предполагают, что кажется, что объекты буквально проходят друг через друга, появляясь как облака фрагментов со средней скоростью, такой же, как у родительского объекта до столкновения. Этот результат получил название ореола, и моделирование, предполагающее наличие такой активности, кажется, лучше согласуется с наблюдаемыми последствиями столкновений.

Чтобы оценить последствия даже одного столкновения, мы должны угадать геометрию столкновения, ориентацию объектов, количество и распределение накопленной энергии, а также количество, размеры и энергию фрагментов. Собрать все эти данные практически невозможно, но мы можем несколько ограничить проблему. Например, диапазон размеров фрагментов конечен. Конструкции разбираются там, где есть концентрации напряжений, например, там, где внешние поверхности прикреплены к нижележащим опорам. Это событие создает верхнюю границу фрагментации. Нижнюю границу можно оценить по составу материала, поскольку все материалы неоднородны в мелком масштабе. Металлы имеют так называемые границы зерен,места, где их кристаллическая структура не совпадает в молекулярном масштабе. Также они содержат пустоты и включения. Все эти разломы создают места преимущественной трещиноватости.

Уязвимость спутников к столкновению с небольшими осколками мусора также может быть ограничена с помощью концепции, взятой из науки о пушках, боеприпасах и броне: баллистический предел, скорость, необходимая для надежного полета конкретного снаряда (по крайней мере, в 50% случаев). ) проникают в конкретный кусок материала.

Проблема может быть еще более ограничена, если учесть конфигурации многих спутников. Прямой, полный контакт между двумя сталкивающимися телами в сочетании с произвольной геометрией маловероятен. Солнечные панели составляют самую большую часть поперечного сечения многих спутников. Панели также составляют небольшую долю от общей массы. Если маленький спутник столкнется с большим, маловероятно, что большой спутник полностью разобьется на облако мелких осколков. Наиболее важная геометрия столкновения с точки зрения дисперсии и энергии осколков - это когда векторы скорости двух объектов почти перпендикулярны. Столкновения между спутниками, находящимися почти на одной и той же орбите, незначительны, поскольку относительные скорости объектов низки (но все еще гиперскорости), а осколки должны продолжать движение почти на исходной орбите.Эти мыслительные процессы сужают возможные результаты, но их чрезвычайно сложно применить одновременно к тысячам объектов на разных орбитах.

Даже если бы кто-то хорошо знал распределение масс, размеров и скоростей осколков, это по-прежнему оставляет открытым вопрос о том, куда эти фрагменты пойдут и какой ущерб они могут нанести. Эти проблемы тоже сложно решить. Распространение только через несколько дней в будущем крайне неточно. Долговременное распространение орбитальных объектов является статистическим и сильно агрегированным. Он не может выявить, какие спутники могут быть в опасности.

Кроме того, мы плохо знаем основные начальные условия. В лучшем случае у нас есть представления о статистических распределениях характеристик. Один из подходов заключается в распространении фрагментов, взятых в качестве выборки статистики. Соединения между этими и резидентными спутниками могут указывать на риск. Затем эти вторичные столкновения также генерируют фрагменты, которые должны распространяться вместе с исходной популяцией, и так далее, с предположением, что статистика результата заслуживает доверия. Подобные тесты проводились только в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса и только для нескольких конкретных начальных состояний.

Собираем вместе

В настоящее время существует широкий консенсус в отношении того, что распространение космического мусора - это серьезная проблема. Но степень неопределенности фрагментации и неточность долгосрочного распространения траекторий создают серьезные проблемы для количественной оценки проблемы и определения того, какие действия лучше всего уменьшат риск.

Первый шаг - оценить вероятность столкновения объектов на орбите. Признавая мириады неопределенностей в знании того, что там есть, оценке траекторий даже известных и наблюдаемых спутников, определении геометрии соединения и построении плотности вероятности, мы делаем все, что в наших силах, как можно более совместными усилиями.

Сеть космического наблюдения ВВС США признана лучшей в мире, но одной ее недостаточно. Другие источники наблюдений каким-то образом сотрудничают. Недавние согласованные стандарты обмена данными об орбите и предупреждениями о сближении облегчают сотрудничество, но не обеспечивают его. ЕКА сделало значительные инвестиции в этой области, и сейчас появляется поддержка России, и то и другое очень поможет.

Компании и агентства, управляющие спутниками, лучше всего знают состояние своих транспортных средств, но не знают, где находятся все остальные. Большинство из них неохотно раскрывают свои данные об орбите и маневры из соображений конкуренции или национальной безопасности (хотя эффективность любого из них спорна, поскольку Северная Корея проводила запуск ракет во время пробелов в зоне действия спутников наблюдения). Тем не менее, есть несколько объективных доверенных агентов, которым некоторые операторы предоставляют такие конфиденциальные данные, чтобы затронутые стороны могли быть предупреждены об опасных ситуациях. Центр космических данных, действующий под эгидой консорциума операторов спутниковой связи, является единственной частной услугой такого рода.

Обнаружение возможности столкновения чего-либо и всего - огромная вычислительная задача. Несмотря на то, что быстро развивающиеся компьютерные возможности значительно преодолевают это препятствие, нет необходимости рассматривать «все на всех». По крайней мере, на статистической основе многие такие встречи невозможны из-за иерархии условий. Объекты должны находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Не только постоянно меняющиеся орбиты должны пересекаться, но и объекты должны находиться в нужных местах на каждой орбите. В пределах неопределенностей распространения, особенно длительного распространения, можно понять, какие спутники даже не находятся близко в данный момент. Многие методы фильтрации наборов потенциальных партнеров по столкновениям хорошо документированы и развиваются.

Поскольку основные принципы количественной оценки риска космического мусора являются статистическими, мы всегда будем упускать некоторые серьезные ситуации, а также включать неопасные столкновения (так называемые статистические ошибки типа I и типа II, соответственно). Статистические операционные характеристики любого подхода могут быть оценены, характеризуя производительность с точки зрения количества ложных тревог и достоверных представлений. Такие результаты не покажут, какие встречи являются статистическими ошибками, но можно определить степень отказа. Неудивительно, что космическое сообщество отреагировало на столкновение "Космос-Иридиум", а не подготовилось к нему. Возможность события была признана, но рассчитанные вероятности были на самом деле намного ниже, чем для других возможных встреч в тот же период.

Второй шаг - уточнение оценок, чтобы получить уверенность. Те, кто эксплуатирует относительно небольшое количество критически важных спутников, обычно могут наблюдать и общаться со своими подопечными. Если объект действительно подойдет близко, они также могут наблюдать за этим объектом и определять гораздо более точные орбиты, чем это могут сделать синоптические сети космического наблюдения. ЕКА и Французский национальный центр космических исследований (CNES) делают это очень хорошо. В рамках собственных соображений, если два активных спутника представляют собой взаимную опасность, операторы могут связываться друг с другом и сотрудничать для смягчения последствий. Только правительства могут заставить спутники маневрировать, и то только в отношении активов, находящихся под его контролем. Объективное сотрудничество имеет важное значение, хотя в настоящее время нет объективных посредников или аналитиков.

Третий шаг в решении проблемы космического мусора - разработка маневров или других мер по уменьшению опасности. Соображения часто очень частные и интроспективные, такие как затраты энергии на избежание и восстановление исходной орбиты, что может сократить полезный срок службы и, следовательно, будущий доход. Но возможности увеличиваются, а затраты уменьшаются по мере того, как заранее распознается опасная ситуация.

Вставка 3

Главная роль космического мусора

Научно-фантастический триллер « Гравитация » получил признание и критику за описание физики орбиты. В фильме астронавтам, выходящим в открытый космос с космического шаттла, чтобы починить космический телескоп Хаббл, сначала прерывается связь, а затем и шаттл, и Международная космическая станция (МКС) повреждаются облаком обломков, созданным при использовании российской ракеты. чтобы уничтожить неработающий спутник. Облако обломков движется по орбите вокруг Земли для второго удара через 90 минут.

Есть несколько проблем со сценарием фильма. Обломки перехвата ракеты или спутника не могли так быстро попасть в самолет МКС. Пройдут недели или месяцы, и тогда останутся лишь несколько фрагментов, а не плотный поток. И наоборот, обломки на орбите МКС будут двигаться с той же скоростью, что и МКС, поэтому они не пролетят мимо и не повернутся примерно через 90 минут. Если бы обломки двигались быстрее, чем МКС, он должен был бы находиться на орбите ниже МКС. Если бы он был выше, он бы двигался медленнее и никогда не догонял бы. Единственный жизнеспособный вариант, реалистично вписывающийся в сюжет фильма, - это обломки, движущиеся в той же плоскости, но в противоположном направлении. Относительная скорость осколков будет более 10 километров в секунду. На таких скоростях,обломки пролетят почти незаметно менее чем за 1/1000 секунды. Материалы, столкнувшиеся с такими скоростями, просто рассыпаются; они не трепещут и не гнутся. И если объекты столкнутся с противоположными направлениями, большая часть мусора просто упадет прямо вниз.

Космический мусор - серьезная проблема, и следует поблагодарить Gravity за то, что она сосредоточила внимание на этой проблеме, но важно не воспринимать «физику кино» как реальность, не проверив ее предварительно.

Практика и реальность

Самая серьезная проблема, связанная с принятием мер по предотвращению столкновений на орбите, заключается в том, что мы никогда не можем быть уверены, что все, что мы делаем, действительно имело значение. Невозможно доказать, почему чего-то не произошло. Мы обнаружили, что некоторые маневры могли увеличить риск, а не уменьшить его. Инвесторы сопротивляются крупным инвестициям в вывоз мусора, потому что результаты могут быть незаметными, а в противном случае результаты не были бы известны в течение десятилетий или столетий.

Конкуренция и национальные интересы также могут препятствовать сотрудничеству. Некоторые могут воспользоваться преимуществами объединения и предотвращения столкновений, чтобы помешать конкурентам, предоставляя ложные данные для проведения дорогостоящего и невыгодного маневра. Некоторые могут отказаться действовать, чтобы заставить партнера по соединению нести расходы по смягчению последствий.

Возможно, лучший подход - это использование методов, которые в первую очередь предотвращают образование мусора. В оперативном плане существуют малонаселенные орбитальные режимы, с которых можно выполнять полезные миссии. Густонаселенные режимы так часто используются из-за исторических ограничений - с вычислением орбит, связью или ракетами-носителями, - а не потому, что они являются единственной альтернативой. Несмотря на наличие юридических и политических препятствий, миру, возможно, придется разработать схемы распределения орбит, установить запретные зоны вокруг спутников и управлять планами маневров, во многом аналогичными планам полетов самолетов. Слова «контроль трафика» являются проклятием в коммерческом спутниковом секторе и пугают с политической точки зрения. В настоящее время нет обязательных правил, регулирующих, кто и что может класть,хотя некоторые стороны идут на уступки, обещая безопасную утилизацию по истечении срока службы спутника.

Передовой опыт и стандарты по уменьшению образования мусора существуют и постоянно развиваются. Опросы показывают, что производители и операторы спутников - особенно государственные и подконтрольные операторы - проявляют удивительную старательность в соблюдении таких правил. Есть сопутствующие расходы, и опасность сохраняется, даже если нет новых обломков, но результат является немедленным, если не точно измеримым.

Одно интересное предложение было выдвинуто в экономической статье 2013 года, в которой содержится призыв вводить «налог с пользователей» при каждом запуске для оплаты очистки космического мусора. Подобные предложения сопряжены с гораздо большим количеством политических препятствий, чем технических. Для реализации любой системы очистки потребуются дополнительные изменения в международном праве: прямо сейчас даже неработающие спутники считаются частной собственностью, поэтому владельцы должны дать явное разрешение, прежде чем кто-либо другой сможет их коснуться. Тем не менее, швейцарская компания объявила о планах запустить в 2018 году спутник для очистки от мусора, который, как планируется, встретится с небольшим, выведенным из эксплуатации швейцарским спутником и выведет его с орбиты в атмосферу Земли, где он будет уничтожен. Стоимость этой испытательной миссии оценивается в 16 миллионов долларов.

Даже когда правила существуют, их бывает сложно обеспечить. С 2002 года Федеральная комиссия по связи требует, чтобы все спутники, запускаемые на геостационарную орбиту, имели средства для перевода на более высокую, «кладбищенскую» орбиту в конце срока их службы. Но исследование, проведенное ЕКА в 2005 году, показало, что только треть таких спутников на самом деле это сделала, а остальные либо не продвигаются достаточно далеко, либо вообще не двигаются.

Эконометрика имеет много характеристик, аналогичных характеристикам космического мусора: разреженные наблюдения, постоянно меняющаяся среда и эффекты человеческого взаимодействия. Элементы ситуации с космическим мусором также похожи на элементы эпидемий, особенно подходы к сдерживанию и искоренению болезней. Есть даже место для исследования теории игр, когда все игроки стараются сделать все, что в их силах, в то время как все остальные стараются сделать все, что в их силах.

Важно объективно представить современное состояние в области оценки рисков космического мусора и понимания как смягчения, так и последствий, без оценки того, насколько серьезной может быть угроза для любой заинтересованной стороны или какой уровень инвестиций в любой аспект проблемы может быть. соответствующий.

Какие бы шаги ни были предприняты дальше, они, несомненно, потребуют серьезного международного сотрудничества - в регулировании орбит, обсуждении методов обращения с мертвыми спутниками и разъяснении концепций спуска с орбиты полетов. Ни у одной страны или отрасли нет ресурсов, чтобы свести к минимуму риск попадания орбитального мусора, даже для защиты своих собственных космических интересов.