Космический мусор как продукт деятельности человека (март 1995 г.)

Космический мусор как продукт деятельности человека (март 1995 г.)

Люди нашей планеты, реализовав однажды идею полётов в космическом пространстве, никогда в будущем не откажутся от них.

Тенденция возрастания грузового потока на орбиту Земли и через орбиту Земли сомнений не вызывает. Решение многих важнейших научных и социально-экономических задач, не говоря о военно-стратегических задачах, сегодня уже становится немыслимым без использования специальных космических систем. Применение космических систем в ряде случаев становится экономически весьма выгодным. Качественные характеристики получаемых результатов во многих задачах просто недостижимы при применении "земных" методов. Нет смысла в конкретном перечислении преимуществ использования космических систем, они достаточно хорошо освещены в научно-технической литературе.

Целью данного сообщения является привлечение внимания на некоторые отрицательные последствия, которые вызываются всё возрастающим потоком грузов в околоземное космическое пространство. Из всех аспектов этой довольно обширной проблемы попытаемся разобраться только с одной - проблемой отработавших частей, блоков, ступеней ракеты-носителя, прекративших свою активную работу на орбите космических объектов.

Предпосылки возникновения проблемы. Рассмотрим классическую схему выведения спутника Земли. В зависимости от конструктивной схемы построения ракеты-носителя, применяются траектории либо двухступенчатого, либо трёхступенчатого выведения. При двухступенчатом выведении отделившиеся разгонные блоки ракеты (иногда их называют первой ступенью) падают на каком-то расстоянии от старта в специально отведенные для этой цели районы на поверхности Земли (если стартовые площадки находятся далеко от морских побережий), либо в соответствующие районы акватории. Пока в мировой практике имеется единственный прецедент спасения разгонных блоков, падающих в океан, с их эвакуацией и повторным использованием, как это предусмотрено в американской системе "Спейс-Шаттл" ("Space-Shuttle"). Во всех остальных случаях упавшие части разрушаются на поверхности земли или тонут в океане.

В зависимости от применяемых компонентов топлива на ракетах-носителях в местах падения их частей возможны взрывы и заражения значительных территорий вредными ядовитыми веществами, остающимися в баках ракеты после окончания работы двигателей. Что касается последних ступеней ракет-носителей, то они после выведения полезного груза и отделения от него остаются на той же орбите выведения в течение более или менее продолжительного времени, а затем под влиянием торможения атмосферой входят в плотные ее слои и, разрушаясь и частично сгорая, достигают всё же поверхности Земли, причем предсказать заранее время и географические координаты района падения совершенно невозможно.

Таким образом, возникают следующие проблемы:

1) необходимость отчуждения для приёма отделяющихся частей ракет-носителей специально для этого предназначенных территорий. Эти территории не могут использоваться ни в интересах сельского хозяйства и животноводства, ни для строительства промышленных объектов и производства продукции, ни тем более для жилья ввиду непосредственной опасности из-за падения крупных конструкций, узлов, агрегатов;

2) невозможность использования этих территорий в последующем в течение многих лет из-за заражения местности в случаях применения в качестве топлива ядовитых компонентов;

3) засорение околоземного пространства фрагментами ракет-носителей и отработавшими свой ресурс аппаратами-спутниками, что создаёт угрозу столкновения с объектами, выполняющими на орбите Земли целевые задачи;

4) опасность, возникшая при возвращении с орбит на Землю неуправляемых частей ракет-носителей и отработавших свой ресурс спутников.

Попытаемся привести некоторые цифровые оценки с соответствующими обоснованиями.

Отчуждаемые территории. Поскольку отработавшие разгонные блоки ракет-носителей продолжают неуправляемый полёт до падения на землю, рассеивание на местности оказывается довольно значительным: по дальности в пределах +-20 км относительно центра группирования, в боковом направлении около +-10 км, то есть размер опасной площади достигает 40х20=800 квадратных километров для каждой ступени данного наименования ракеты. Для трёхступенчатой ракеты таких площадей на данной трассе потребуется две - для отделившихся частей после завершения 1-ой и 2-ой ступеней соответственно. Разумеется, такие площади потребуются для каждой стартовой позиции и для каждого азимута пуска с данной позиции. К примеру, если используется трехступенчатая ракета-носитель по двум азимутам пуска (то есть для получения двух разных наклонений плоскости орбиты) и имеется три стартовые позиции, суммарное количество районов будет равно 12 (2х2х3), а потребная отчуждаемая площадь составит 12х800=10 тыс. квадратных километров! Это только для ракеты одного наименования, то есть одного типоразмера. Плотность и общее количество пусков на указанные оценки не влияют.

Заражение территорий. После полного завершения эксплуатации данного наименования ракеты-носителя и уборки технического мусора площади могут использоваться в народнохозяйственных интересах, если на ракетах не применялись вредные компоненты топлива. В противном же случае эти территории должны быть закрытыми на долгие годы. Например, после заражения местности горючим диметилгидразином (используемым в ракете-носителе "Протон") следы заражения сохраняются в течение 80-100 лет. При использовании таких компонентов топлива, как керосин + кислород, а тем паче водород + кислород этих отрицательных последствий можно не опасаться.

Засорение околоземного космического пространства. Казалось бы, проблема эта выглядит не очень серьезной, если учесть огромный объем того пространства, в котором располагаются орбиты всех тел искусственного происхождения - от крупных орбитальных станций до осколков развалившихся объектов. Этот объем имеет порядок 4х1010 кубических километров. Даже если количество объектов достигает сотен тысяч, а их линейные размеры находятся в пределах нескольких десятков метров, вероятность нахождения двух объектов одновременно в заданном объеме пространства, достаточном для их столкновения, чрезвычайно мала. Однако имеется весьма узкий диапазон наклонений и высот орбит, внутри которого располагаются орбиты большинства спутников Земли, и тут уже вероятность случайной незапланированной "встречи" становится вполне осязаемой. Не приводя никаких цифровых доказательств, вспомним несколько случаев, в которых и американским астронавтам, и русским космонавтам грозила такая опасность. В данных конкретных ситуациях столкновения удалось избежать. Лет двадцать тому назад на автомашине русского космонавта Константина Феоктистова мы заметили значительные вмятины и повреждения и ради шутки прикрепили к ней записку для владельца: "Помни, что шоссе - не космос!". В наши дни этот афоризм может оказаться не столь безупречным.

Опасность, создаваемая возвращающимся космическим мусором. Пока, насколько известно, не было случаев серьезных повреждений каких-либо объектов на поверхности Земли или человеческих жертв, связанных с "самовольным" возвращением на Землю оставленных в космосе частей ракет-носителей или исчерпавших свой ресурс объектов. Но это не значит, что такой опасности нет. Мы были свидетелями нескольких случаев, когда прекращали своё существование на орбите, войдя в плотные слои атмосферы, некоторые объекты значительных размеров и масс (например, станция "Салют-6" с линейными размерами более 16 м и массой до 20 тонн). В подобных случаях Земля не в состоянии оказать какое-либо воздействие на процесс. Самое большее, что она сможет сделать, это как можно точнее попытаться предсказать время и место падения неуправляемого объекта. Но прогноз этот обладает большой неопределенностью, так как подобные объекты, разрушаясь в плотных слоях атмосферы, превращаются в большое число самостоятельных частей, отличающихся друг от друга размерами, формой, массой, что приводит к огромному разбросу их мест падения вдоль трассы, исчисляемому тысячами километров. За процессом возвращения таких крупных объектов следит буквально весь мир в ожидании серьезных неприятностей. Между тем ежедневно с небес сыплется множество частей окончивших своё космическое существование объектов, которые почему-то не вызывают беспокойства ни у учёных, ни у прессы, ни тем более у населения. А ведь для человека или сельского дома довольно-таки безразлично, упадет на него болванка массой в одну тонну или пару сотен килограммов - эффект будет примерно одинаковым. Для подобной постановки вопроса есть все основания. Так, масса последней ракетной ступени, остающейся на орбите после выведения кораблей "Союз" или "Прогресс", составляет 3 тонны, а последняя ракетная ступень ракеты "Протон" после отделения полезного груза - 5 тонн. И эти массы не остаются на вечные времена на орбите, а через некоторое время (от нескольких суток до нескольких десятков суток) самопроизвольно возвращаются на Землю. Принудительной системы возвращения у них нет. У каждого из этих ракетных блоков имеются тяжёлые узлы и агрегаты, достигающие поверхности Земли в полуразрушенном, частично оплавленном виде. Сразу оговоримся, что меры борьбы с этим злом чрезвычайно затруднительны, если не сказать - невозможны, поскольку тут отчуждением определенных, пусть даже очень больших территорий, не обойтись.

Несколько иначе обстоит дело с объектами, исчерпавшими свой рабочий ресурс. Принципиально вполне реальной является возможность целенаправленного их возвращения на Землю с помощью выдачи тормозного импульса относительно небольшой величины, составляющей для невысоких орбит всего несколько десятков метров в секунду так, чтобы объект приводнился в заранее выбранном малосудоходном районе Мирового океана. Для этого необходимо к моменту завершения штатной работы объекта сохранить на борту требуемый запас топлива, работоспособность двигательной установки, системы управления и командных линий связи с Землей.

Что делать? Можно ли наметить какие-то практические рекомендации, если не устраняющие, то хотя бы смягчающие рассмотренные отрицательные последствия развития космических программ?

Имеется несколько принципиальных путей, позволяющих отказаться от отчуждения территорий для падения разгонных блоков ракет-носителей или сократить их размеры до минимальных величин:

а) необходимо планировать строительство стартовых позиций в районах, обеспечивающих падение отделившихся частей в районы акватории, свободные от путей интенсивного судоходства;

б) использовать все возможности по приведению отделившихся частей в районы с небольшими размерами (порядка 1-2 км по радиусу) с помощью управления их полётом - задача технически сложная и существенно снижающая другие характеристики эффективности;

в) кардинально решают проблему одноступенчатые челночные системы Земля-Космос-Земля типа "Гермес" ("Hermes"), "Хитол" ("Hitol") и их разрабатываемые аналоги. Форсирование этих работ, безусловно, заслуживает быть поддержанным самым энергичным образом.

От опасности заражения территории может спасти только запрещение применения на ракетах-носителях в качестве топлива ядовитых веществ. Необходимо добиться того, чтобы впредь все проектируемые ракеты-носители проходили экспертизу на экологическую чистоту продуктов. Надо, не откладывая, принять по этому поводу международную конвенцию.

Избежать засорения космоса отработанными последними ступенями ракет-носителей при сегодняшнем состоянии техники практически невозможно, так как их удаление на безопасные орбиты или автономное управляемое возвращение на Землю требует значительных энергетических и других затрат.

Несколько легче решить вопрос о плановом возвращении объектов, отработавших свой ресурс. Но это потребует расширения их традиционных функциональных возможностей помимо решения основной целевой задачи.

Наиболее перспективным представляется создание специального орбитального "мусоросборщика", совершающего челночные рейсы Земля-орбита-Земля; на первых порах не исключается возможность использования кораблей типа "Спейс-Шаттл" ("Space-Shuttle").

Выводы. Если подытожить все наши рассуждения, то можно прийти к выводу о том, что для устранения отрицательных последствий освоения околоземного пространства или хотя бы ослабления наносимого природе вреда следует использовать следующие возможности:

- первая : запретить на международном уровне применение на ракетах-носителях в качестве топлива ядовитых компонентов;

- вторая: объединить усилия государств, обладающих передовыми технологиями в ракетно-космической области для создания одноступенчатых челночных кораблей-ракет Земля-орбита-Земля;

- третья: провести необходимые исследования с целью определения облика систем, очищающих околоземное пространство от космического мусора. При решении этой задачи неотвратимо встанет вопрос о минимизации номенклатуры и количества типовых орбит (по всем орбитальным параметрам) для решения всего комплекса задач.

В заключение следует отметить, что вопросы разработки и эксплуатации ракетно-космических систем не могут далее оставаться привилегией только стран-создателей этих систем, а должны рассматриватся в глобальном масштабе, так как они затрагивают территорию и безопасность всех континентов Земли.