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

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

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.