Заминированный космос

Одним из первых о космическом мусоре заговорил польский писатель-фантаст Станислав Лем: «Вокруг самой крупной планеты Сириуса, настоящей жемчужины этой планетной системы, возникло кольцо наподобие колец Сатурна, но состоящее из пустых пивных и лимонадных бутылок. Космонавт, летящий этой дорогой, вынужден обходить не только тучи метеоритов, но и консервные банки, яичную скорлупу и старые газеты». В 1964 году эти слова из «Воспоминаний Ийона Тихого» казались шуткой, а сейчас такое кольцо вокруг Земли уже образовалось. Его, конечно, не видно глазом, но принимать защитные меры уже приходится.

Пожалуй, непревзойденный по количеству объектов (но не самый опасный) выброс космического мусора осуществили Соединенные Штаты в рамках проекта «Вестфорд». И произошло это за год до «выступления» Ийона Тихого. Тогда на полярной орбите высотой 3500—3800 км было распылено 480 млн тончайших медных проволочек-диполей (длиной 17,8 мм и толщиной 17,8 микрона). Идея состояла в том, чтобы создать в космосе искусственную среду, отражающую радиоволны для дальней связи взамен ненадежной ионосфере. Против эксперимента выступили астрономы из британского Королевского общества, в СССР газета «Правда» вышла с заголовком «США засоряют космос». ТАСС выступил заявлением, что «американская военщина полностью игнорирует те опасные последствия, которые могут возникнуть для человечества в связи с засорением околоземного пространства в результате таких экспериментов». Как бы то ни было, проект был вскоре закрыт. Большинство иголок из-за очень малых размеров сошли с орбиты в течение 10 лет. Но даже к 2016 году еще отслеживалось 38 комков иголок, которые не разделились при выбросе, и, будучи относительно крупными объектами, не сходят с орбиты.

В мае—июне 2007 года на служебном модуле МКС «Звезда» установили 17 дополнительных противоосколочных панелей для защиты от мелкого космического мусора. Для этого космонавты Олег Котов и Федор Юрчихин дважды выходили в открытый космос. Во время второго из этих выходов на поверхности модуля «Заря» было обнаружено отверстие, «похожее на пулевое». Подобное отверстие диаметром 6 мм, пробитое частицей размером 1?2 мм, видел в 2013 году в солнечной батарее станции астронавт Крис Хэдфилд. До сих пор такие повреждения не наносили станции серьезного ущерба. Однако риск неожиданно получить пробоину есть всегда.

В США, России и ЕС ведут постоянный мониторинг космического мусора. На сегодня отслеживается более 17,5 тыс. объектов. Из них 6 тыс. — действующие и неработающие космические аппараты и ступени ракет, а почти 10 тыс. — крупные обломки (5?10 см и более). Для всех этих объектов определяются орбиты, но точно прогнозировать их движение невозможно. Во-первых, есть погрешности измерения положений и скоростей, во-вторых, орбиты обломков все время немного меняются. Прежде всего на их движении сказывается сопротивление атмосферы, плотность которой на большой высоте непостоянна. Определенный вклад дает давление солнечного света, которое зависит от отражательных свойств и ориентации объекта. Есть влияние геомагнитного поля. Наконец, гравитационные возмущения от Луны, планет и неравномерного распределения массы внутри Земли не поддаются абсолютно точному учету. Поэтому «мусорные» объекты, несмотря на свою сугубо классическую природу, представляются на практике облаками вероятности.

Если по прогнозу вероятность столкновения МКС с каким-либо объектом превышает 0,01%, станция включает двигатели и совершает маневр уклонения. Делать это приходится в среднем раз в год, но, например, на 2012 год выпало целых четыре таких маневра. Иногда обнаружить угрозу удается слишком поздно и совершать маневр уже некогда. В таких случаях на станции объявляется эвакуация: экипаж надевает скафандры и занимает места в пристыкованных космических кораблях — их размер гораздо меньше и вероятность попасть под удар ниже. За время эксплуатации МКС такое происходило четырежды.

Проблема, однако, в том, что отслеживать с Земли можно только крупные обломки — как правило, диаметром больше 10 см. Но никакие защитные панели не устоят даже против сантиметрового «снаряда», летящего с орбитальной скоростью. Она на порядок выше, чем у автоматной пули, которая при таком разгоне приобрела бы энергию разорвавшейся гранаты. И таких «гранат» сантиметрового диаметра и больше, по современным оценкам, вокруг Земли летает уже около 700 тыс. Много? На самом деле — еще не очень. Если бы все эти обломки оказались минами на поверхности Земли, среднее расстояние между ними составило бы 25—30 км. А в космосе они еще и расходятся по высоте.

Но это не должно нас как-либо успокаивать. Неприятности с космическим мусором только начинаются. Его фрагменты сталкиваются не только с МКС, но и между собой. Помните завязку «Гравитации»?

При взрывном разрушении на орбите появляются тысячи мелких обломков, большую часть из которых нельзя отследить с Земли. Эти фрагменты в свою очередь сталкиваются между собой и дробятся дальше. Такой лавинообразный рост количества орбитального мусора называется синдромом Кесслера, по имени консультанта NASA, который первым описал этот эффект. Неконтролируемое развитие синдрома Кесслера может привести к тому, что полеты в космос (или, по крайней мере, продолжительные работы на низких орбитах) надолго станут невозможными.

Чем меньше объект и чем ниже он движется, тем сильнее тормозит его земная атмосфера. С низких орбит мелкий мусор довольно быстро выпадает на Землю, сгорая в атмосфере. Даже МКС, летящая на высоте 400 км, теряет высоту со скоростью около 100 м в сутки. Но вот на высотах 700—1000 км обломки могут обращаться вокруг Земли веками, сталкиваясь друг с другом и порождая ливни обломков. Именно на этих высотах, где обломки живут долго, наиболее опасно развитие синдрома Кесслера.

Выше начинаются радиационные пояса Земли, и там летает не очень много спутников — в основном аппараты систем глобального позиционирования, поэтому мусора накапливается немного. Исключение — геостационарная орбита на высоте 35?786 км, где находятся сотни работающих и заброшенных аппаратов. Там не бывает быстрых столкновений на пересекающихся курсах: скорости относительных движений — как на автомобильной парковке. Но и они, впрочем, могут вызвать серьезные повреждения хрупких антенн и солнечных батарей, а побитый спутник в сервис не отвезешь. Потому в начале 2000-х годов, во избежание неприятностей, было решено, что все новые спутники после завершения эксплуатации должны переводиться на т.н. орбиту захоронения — примерно на 300 км выше геостационарной.

Исследования показывают, что уже в начале этого века количество околоземных объектов перевалило за тот рубеж, когда начал раскручиваться синдром Кесслера. Даже если бы космические пуски вдруг прекратились 10 лет назад, то количество космического мусора на орбите продолжало бы расти за счет столкновений. Теперь же все обстоит еще хуже.

В 2007 году Китай произвел испытания противоспутниковой ракеты «Фэнъюнь-1C». Ракета кинетическим оружием (попросту говоря, тараном) уничтожила выведенный из эксплуатации метеорологический спутник на высоте 865 км, то есть как раз в самой опасной зоне. Результатом стал самый крупный в истории выброс космического мусора. К октябрю 2016 года «эхо» этого события представляло собой 3438 крупных обломков. За девять лет 571 из них сгорели в атмосфере, остальные продолжают двигаться по своим орбитам. Но гораздо больше образовалось мелких фрагментов. Их никто не видел, и оценить их число можно только приблизительно. В одних источниках говорится о 40 тыс. фрагментах больше сантиметра, в других — о 150 тыс. без указания размера. Вредоносный эффект этого события превосходит даже космические ядерные испытания конца 1950-х — начала 1960-х годов, когда заряды взрывали на высотах не более 500 км.

Прошло чуть более двух лет, и 10 февраля 2009 года случилось первое серьезное столкновение, уничтожившее действующий космический аппарат — спутник глобальной системы связи «Иридиум». В него врезался выведенный из эксплуатации российский спутник «Космос-2251», запущенный в 1993 году. Произошло это над полуостровом Таймыр на высоте 789 км — опять в самом неудачном месте. Спутники шли почти перпендикулярными курсами и столкнулись со скоростью 11,7 км/с. В результате образовалось более 2 тыс. крупных обломков и десятки тысячи мелких. В основном они распределены вдоль орбит двух спутников, но некоторые довольно сильно от них отклоняются.

В совокупности эти два события увеличили количество отслеживаемого крупного космического мусора примерно в 1,5 раза. Без них такой же уровень засоренности околоземного пространства был бы достигнут через 20?30 лет. А сейчас прогнозы звучат довольно тревожно: столкновения, подобные тому, что случилось в 2009 году, будут происходить примерно раз в пять лет.

Проблема космического мусора не решится сама собой. Число только крупных обломков приближается к 20 тыс., а на Землю они выпадают в среднем по одному в сутки (в период солнечного максимума втрое чаще, из-за разогрева и расширения верхней атмосферы, а в периоды минимумов — втрое реже). Но самое главное — синдром Кесслера уже сейчас играет большую роль в умножении числа мусорных объектов, чем новые космические запуски.

Специалисты призывают не паниковать, говоря, что реализация сценария, описанного Кесслером, не приведет к полной невозможности космических полетов, а лишь повысит их сложность и стоимость из-за необходимости постоянно маневрировать, уклоняясь от мусора. Также он не затронет высокие орбиты, куда большинству обломков не хватит энергии подняться. Но цены и риски в космонавтике и сейчас очень высоки. Если они еще возрастут, то космонавтика рискует окончательно утратить экономическую привлекательность. Поэтому сейчас все космические агентства озабочены поиском активных мер по борьбе с космическим мусором. Но это отдельная тема.