Может ли спутник упасть вам на голову?
- Ричард Холлингэм
- BBC Future
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Getty Images
Количество космического мусора на околоземной орбите неуклонно растет. Обозреватель BBC Future решил разобраться, что происходит, когда отработавшие своё спутники падают на Землю. Изучением этой проблемы занимаются немецкие ученые.
«Самое интересное — дальше», — говорит исследователь Себастиан Виллемс, ведя меня вдоль длинного стеклянного шкафа, заставленного серебристыми моделями футуристических космических кораблей.
Здание, в котором Виллемс собирается продемонстрировать мне «самое интересное», принадлежит институту аэродинамических исследований Германского центра авиации и космонавтики (DLR), расположенному в Кельне.
- Новый инструмент детективных агентств: слежка из космоса
- Космические программы времен холодной войны — что пригодится?
- Ядерный убийца спутников: вернется ли оружие холодной войны?
К «не самому интересному» Виллемс причисляет и пункт управления аэродинамическими трубами с огромным старинным пультом, на котором имеется множество датчиков, переключателей и кнопок.
Минуя массивную взрывостойкую дверь, мы входим в помещение без окон. Стены покрыты копотью, в воздухе явственно чувствуется запах пороха.
Здесь проводятся аэродинамические испытания ракетных двигателей.
Но и это, как выясняется, не самое интересное.
Виллемс ставит свои «самые интересные» эксперименты в одной из аэродинамических труб кельнского центра. Он имитирует сход спутника с околоземной орбиты.
«Вокруг Земли сейчас обращается огромное количество искусственных спутников, и все они рано или поздно сойдут с орбиты», — объясняет Виллемс.
«При входе в атмосферу космические аппараты разрушаются. Нас интересует, какова вероятность того, что уцелеют их фрагменты».
Иными словами, могут ли не сгоревшие в атмосфере обломки отработавших спутников упасть на что-нибудь — или на кого-нибудь — на Земле?
Установленная на бетонном полу аэродинамическая труба, которую выделили под эксперименты Виллемса, напоминает огромный полуразобранный пылесос, подсоединенный к пароварке.
Блестящий агрегат покрыт сетью труб и электропроводов. Обычно эта труба используется для продувки моделей сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов — скорость создаваемого в ней воздушного потока может превышать скорость звука в 11 раз.
Собственно «труба» представляет собой сферическую металлическую камеру высотой в два метра, внутри которой в специальных зажимах укрепляют модели для продувки.
Но зажимы Виллемсу не нужны — он просто бросает предметы в трубу, сквозь которую в обратном направлении подается поток воздуха со скоростью примерно в 3000 км/ч (что вдвое выше скорости звука).
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Как правило, спутники при входе в атмосферу разрушаются
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Таким образом имитируется полет сходящего с орбиты спутника сквозь земную атмосферу.
«Мы помещаем предметы в воздушный поток, чтобы посмотреть на то, как они ведут себя в условиях имитации свободного падения», — говорит Виллемс.
«Продолжительность каждого эксперимента составляет всего 0,2 секунды, но этого времени достаточно для того, чтобы сделать множество снимков и необходимых измерений».
Данные, полученные в ходе экспериментов, будут внесены в компьютерные модели, благодаря которым можно будет более точно прогнозировать поведение космических аппаратов при сходе с орбиты.
(В этом ролике DLR смоделировано разрушение спутника Rosat в земной атмосфере.)
В настоящее время вокруг Земли обращается около 500 тыс. объектов орбитального мусора — от мелких металлических фрагментов до целых космических аппаратов размером с автобус — таких, как спутник Envisat Европейского космического агентства, который внезапно прекратил работу в апреле 2012 г.
«В целом количество фрагментов мусора, траектории которых мы отслеживаем, растет», — говорит Хью Льюис, старший преподаватель кафедры авиа- и ракетостроения в британском Саутгемптонском университете.
По мере роста объемов орбитального мусора будет расти и вероятность столкновения с ним работающих спутников или пилотируемых космических кораблей.
Уже сейчас по этой причине орбиту Международной космической станции приходится периодически корректировать.
«Фрагменты отработавших аппаратов сходят с орбиты с самого начала эпохи освоения космоса, — отмечает Льюис.
— Как правило, крупный объект входит в атмосферу раз в три-четыре дня, и эта проблема будет сохранять свою актуальность в течение долгого времени».
Хотя спутники в атмосфере и разрушаются под действием перегрузок и высоких температур, некоторые крупные обломки падают на Землю относительно целыми.
«Например, топливные баки, — говорит Льюис. — У некоторых космических аппаратов они размером с небольшой легковой автомобиль».
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Большинство отработавших спутников сводят с орбиты таким образом, чтобы они разрушились в атмосфере над безлюдными районами океанов
Хотя Виллемс и не бросает в аэродинамическую трубу легковые автомобили, его задача заключается в том, чтобы посмотреть, как ведут себя при разрушении крупные предметы, и какие из их фрагментов теоретически могут достичь земной поверхности.
«Обтекание одного компонента влияет на обтекание соседних, — объясняет он.
— В зависимости от того, падают ли они на Землю поодиночке или в сборе, меняется и степень вероятности их полного сгорания в атмосфере».
Но если космический мусор сходит с орбиты так часто, почему его обломки не пробивают крыши домов и не падают нам на голову?
В большинстве случаев ответ заключается в том, что отработавшие спутники целенаправленно сводят с орбиты за счет остатков бортового топлива.
При этом траектории схода рассчитываются таким образом, чтобы спутники сгорали в атмосфере над безлюдными районами океанов.
А вот незапланированные сходы с орбиты представляют гораздо большую опасность.
Одним из последних таких случаев стал нерасчетный сход с орбиты Верхнеатмосферного исследовательского спутника (Upper Atmosphere Research Satellite, UARS) американского космического агентства НАСА в 2011 году.
Несмотря на то, что 70% Земли покрыто океанами и обширные участки суши до сих пор остаются малозаселенными, вероятность того, что падение UARS приведет к разрушениям на Земле, составляла, по оценкам НАСА, 1 к 2500, отмечает Льюис.
«Это весьма высокий процент — мы начинаем беспокоиться, когда возможная опасность для населения составляет 1 к 10 000», — говорит он.
«Речь идет не о том, что обломок спутника упадет именно на вас — вероятность этого ничтожно мала. Имеется в виду вероятность того, что он упадет на кого-нибудь в принципе».
Если учесть, что каждый год в автокатастрофах по всему миру гибнет свыше миллиона человек, вероятность того, что фрагмент орбитального мусора причинит значительные разрушения на Земле, очень незначительна.
И все-таки ей не пренебрегают, поскольку страна, запускающая космические аппараты, в соответствии с соглашениями ООН несет юридическую и финансовую ответственность за любой ущерб, нанесенный вследствие такой деятельности.
По этой причине космические агентства стремятся свести риски, связанные с падением объектов с орбиты, к минимуму.
Эксперименты, проводимые DLR, помогут ученым лучше понимать и более тщательно отслеживать поведение космического мусора, в том числе при незапланированных сходах с орбиты.
Стоимость космических запусков постепенно снижается, а спутники становятся все более миниатюрными, так что в ближайшие десятилетия их количество будет только расти.
«Человечество все активнее использует космос, но проблема орбитального мусора при этом усугубляется, — говорит Льюис. — Чем больше новых спутников выводится на орбиту, тем больше их будет с нее сходить».
Иными словами, хотя вероятность попасть под обломок космического корабля остается ничтожно малой, с неба будет падать все больше и больше спутников.
Ни один объект, выведенный на околоземную орбиту, не может оставаться на ней вечно.
Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.
Почему орбитальные спутники такие нестабильные?
Может показаться, что спутники на орбите Земли — это самое простое, привычное и родное, что есть в этом мире. В конце концов, Луна висит на небе уже более четырех миллиардов лет и в ее движениях нет ничего сверхъестественного.
Но если мы сами запускаем спутники на орбиту Земли, они держатся там всего несколько или десятки лет, а после повторно входят в атмосферу и либо сгорают, либо падают в океан и на землю.
Более того, если взглянуть на естественные спутники на других планетах, все они держатся значительно дольше, чем антропогенные спутники, которые вращаются вокруг Земли. Международная космическая станция (МКС), например, обращается вокруг Земли каждые 90 минут, в то время как нашей Луне нужно порядка месяца на это. Даже спутники, которые находятся близко к своим планетами — вроде Ио у Юпитера, приливные силы которого согревают мир и разрывают его вулканическими катастрофами, — стабильно держатся на своих орбитах.
Ио, как ожидается, останется на орбите Юпитера на весь оставшийся срок жизни Солнечной системы, а вот МКС, если не принимать никаких мер, будет на своей орбите меньше 20 лет. Та же участь справедлива практически для всех спутников, присутствующих на низкой околоземной орбите: ко времени, когда нагрянет следующее столетие, почти все нынешние спутники войдут в атмосферу Земли и сгорят.
Самые крупные (вроде МКС со своей 431 тонной веса) упадут в виде крупных обломков на сушу и в воду.
Почему так происходит? Почему этим спутникам плевать на законы Эйнштейна, Ньютона и Кеплера и почему они не хотят соблюдать стабильную орбиту постоянно? Оказывается, есть ряд факторов, вызывающих эту орбитальную суматоху.
- Атмосферное сопротивление
Это, пожалуй, самый важный эффект, который также является причиной того, почему спутники на низкой околоземной орбите нестабильны. Другие спутники — вроде геостационарных спутников — тоже сходят с орбиты, но не так быстро. Мы привыкли считать «космосом» все, что находится выше 100 километров: выше линии Кармана. Но любое определение границы космоса, где начинается космос и заканчивается атмосфера планеты, будет притянутым за уши. В реальности частицы атмосферы простираются далеко и высоко, просто плотность их становится все меньше и меньше. В конечном счете плотность падает — ниже микрограмма на кубический сантиметр, потом нанограмма, потом пикограмма — и тогда мы все с большей уверенностью можем называть это космосом.
Но атомы атмосферы могут присутствовать и на расстоянии тысяч километров, и когда спутники сталкиваются с этими атомами, они теряют импульс и замедляются. Поэтому спутники на низкой околоземной орбиты нестабильны.
- Частицы солнечного ветра
Солнце постоянно испускает поток высокоэнергетических частиц, по большей части протонов, но есть также электроны и ядра гелия, которые сталкиваются со всем, что встретят. Эти столкновения, в свою очередь, изменяют импульс спутников, с которыми сталкиваются, и постепенно их замедляют. По прошествии достаточного времени, начинают нарушаться и орбиты. И хотя это не основная причина схода с орбиты спутников на НОО, для спутников подальше это имеет более важное значение, поскольку они приближаются, а вместе с этим растет и атмосферное сопротивление.
- Несовершенное гравитационное поле Земли
Если бы у Земли не было атмосферы, как у Меркурия или Луны, смогли бы наши спутники оставаться на орбите всегда? Нет, даже если бы мы убрали солнечный ветер.
Это потому, что Земля — как и все планеты — не является точечной массой, а скорее структурой с непостоянным гравитационным полем. Это поле и изменения по мере того, как спутники вращаются вокруг планеты, выливаются в воздействие приливных сил на них. И чем ближе спутник к Земле, тем больше воздействие этих сил.
- Гравитационное влияние остальной части Солнечной системы
Очевидно, Земля не является полностью изолированной системой, в которой единственная гравитационная сила, которая влияет на спутники, рождается на самой Земле. Нет, Луна, Солнце и все остальные планеты, кометы, астероиды и другое вносят вклад в виде гравитационных сил, которые расталкивают орбиты. Даже если бы Земля была бы идеальной точкой — скажем, сжалась бы в невращающуюся черную дыру — без атмосферы, а спутники на 100% были бы защищены от солнечного ветра, эти спутники постепенно начали бы падать по спирали в центр Земли. Они оставались бы на орбите дольше, чем существовало бы само Солнце, но и эта система не была бы идеально стабильной; орбиты спутников в конечном счете нарушались бы.
- Релятивистские эффекты
Законы Ньютона — и кеплеровых орбит — это не единственное, что определяет движение небесных тел. Та же сила, которая заставляет орбиту Меркурия прецессировать на лишние 43» в век, приводит к тому, что орбиты нарушаются за счет гравитационных волн. Скорость этого нарушения невероятно мала для слабых гравитационных полей (вроде тех, что мы нашли в Солнечной системе) и для больших расстояний: потребуется 10150 лет, чтобы Земля по спирали спустилась к Солнцу, а степень нарушения орбит околоземных спутников в сотни тысяч раз меньше этого. Но эта сила присутствует и является неизбежным следствием общей теории относительности, эффективно проявляясь на более близких спутниках планеты.
Все это не просто влияет на созданные нами спутники, но и на естественные спутники, которые мы находим на орбите других миров. Ближайшая к Марсу луна Фобос, например, обречена быть разорванной приливными силами и по спирали спуститься в атмосферу Красной планеты.
Несмотря на наличие атмосферы, которая составляет всего 1/140 земной, атмосфера Марса большая и диффузная, и, кроме того, Марс не имеет защиты от солнечного ветра (в отличие от Земли с ее магнитным полем). Поэтому через десятки миллионов лет Фобос всё. Может показаться, что это случится не скоро, но это ведь меньше 1% от того времени, которое Солнечная система уже существует.
Но ближайшим спутником Юпитера не является Ио: это Метис, по мифологии первая жена Зевса. Ближе Ио есть четыре небольших спутника, из которых Метис ближе всего — всего в 0,8 радиуса Юпитера от атмосферы планеты. В случае с Юпитером за нарушение орбит отвечают не атмосферные силы и не солнечный ветер; с орбитальной полуосью в 128 000 километров, Метис испытывает внушительные приливные силы, которые несут ответственность за нисхождение по спирали этой луны к Юпитеру.
В качестве примера того, что бывает, когда преобладают мощные приливные силы, можно отметить комету Шумейкера — Леви 9 и ее столкновение с Юпитером в 1994 году, после того как она была полностью разорвана приливными силами.
Такова судьба всех спутников, которые по спирали идут к своему родному миру.
Сочетание всех этих факторов делает любой спутник фундаментально нестабильным. Учитывая достаточное время и отсутствие других стабилизирующих эффектов, нарушаться будут абсолютно все орбиты. В конце концов, все орбиты нестабильны, но некоторые — нестабильнее других.
ESA — Механизм схода с орбиты
Агентство6866 просмотра 12 лайков
Команда DOM под руководством доктора Дженни Кингстон и Стива Хоббса состоит из аспиранта Кьяры Палла и включает более 12 студентов магистратуры. Команда разработала развертываемый парус, который должен увеличить атмосферное сопротивление и вызвать повторный вход и сгорание старого спутника в атмосфере Земли.
Демонстратор технологии уменьшения космического мусора на низкой околоземной орбите
Полезная нагрузка DOM, покомпонентный вид Космический мусор — это совокупность устаревших искусственных объектов, вращающихся вокруг Земли.
Это представляет большой риск для нынешних и будущих космических миссий. Инициатива ESA Clean Space устанавливает требования по предотвращению образования космического мусора. Международный интерес к этой проблеме отражен в руководящих принципах Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IADC), в которых указывается удаление космических систем, создающих помехи в районе низкой околоземной орбиты (НОО), не позднее, чем через 25 лет после окончания Миссия. Новым космическим кораблям потребуются прочные и надежные системы для схода с орбиты. Стратегии пассивного удаления, которые используют атмосферное сопротивление как силу ухода с орбиты, особенно привлекательны, поскольку они не зависят от двигательных возможностей космического корабля (многие небольшие спутники на низкой околоземной орбите не имеют двигательных установок).
Полезная нагрузка механизма спуска с орбиты Крэнфилда
Инженерная модель DOM в походном положении Cranfield De-Orbit Mechanism (DOM) представляет собой технологический демонстратор тормозных парусов, который в настоящее время разрабатывается в Крэнфилдском университете.
Блок полезной нагрузки предназначен для развертывания тормозного паруса в конце миссии, что увеличивает эффективную площадь спутника.
Это ускорит его распад на орбите и утилизацию за счет выгорания в атмосфере при входе в атмосферу. Дизайн основан на опыте Центра космических исследований Крэнфилда в области спуска с орбиты парусов (например, Icarus 1 на TechDemoSat-1, запущенном в 2014 году). DOM представляет собой автономный блок (140 мм x 80 мм x 56 мм) весом менее 0,5 кг. Он будет установлен на боковой панели спутника ESEO. В нем размещены ленточные рессорные гики, алюминизированные каптоновые паруса (каждый по 0,125 м 2 ) и спусковой механизм. Гики, изготовленные из меди и бериллия, и паруса с узором, разработанным на основе биомиметических исследований «Миура-ори», наматываются на центральную катушку в середине устройства и удерживаются на месте кевларовыми шнурами. . Устройство компактно хранится в одном блоке перед развертыванием. Как только команда развертывания отправлена, кевларовый шнур обрезается, и энергия напряжения, накопленная в плечах стрелы, преобразуется в кинетическую энергию вокруг центральной катушки, что приводит к развертыванию.
Цель состоит в том, чтобы создать окончательный проект, способный сводить с орбиты целый ряд спутников без необходимости значительных изменений конструкции.
Контактный телефон
Доктор Дженни Кингстон
j.kingston @ cranfield.ac.uk
Спасибо за лайк
Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!
Новый метод вывода спутников с орбиты может помочь смягчить кризис космического мусора
Ожидается, что в течение следующего десятилетия количество спутников на низкой околоземной орбите (НОО) будет быстро увеличиваться, пополняя уже существующие. Этому увеличению числа спутников сопутствует повышенный риск столкновений между активными спутниками, неактивными спутниками или другим космическим мусором, образующих космический мусор. Этот повышенный риск столкновения вызывает озабоченность, ранее отмеченную Центром космической политики и стратегии Аэрокосмической корпорации.
Существующая популяция искусственных объектов на НОО уже привела к тому, что космический мусор стал самоподдерживающимся из-за дополнительных столкновений между обломками. Даже сейчас большинство малых спутников при уходе с орбиты полагаются только на атмосферное сопротивление, из-за чего эти аппараты остаются на орбите намного дольше срока их полезного использования и повышают риск образования обломков в результате внутреннего взрыва или столкновения.
Группа аэрокосмических ученых и инженеров разрабатывает новую технологию для уменьшения количества мусора, остающегося в этой критической среде. Решение, известное как литий-ионный аккумулятор Deorbiter, будет использовать аккумулятор, уже находящийся на борту космического корабля, для уменьшения количества мусора путем воспламенения аккумулятора до теплового разгона для создания тяги для спуска с орбиты.
«Все знают о литий-ионных батареях и о том, что они подвержены риску перегрева и возгорания, — сказал д-р Джозеф Неманик, старший научный сотрудник отдела энергетических технологий. «Deorbiter с литий-ионным аккумулятором превращает эту слабость в силу».
Путем контролируемой активации теплового разгона образующиеся раскаленные газы направляются через сопло для создания тяги для спуска с орбиты. Этот подход является первой бортовой технологией космического корабля с нулевой добавленной массой, способной уменьшить орбитальный мусор и помочь защитить низкую околоземную орбиту от космического мусора.
Устройство Deorbiter с литий-ионной батареей будет контролируемым образом активировать тепловой разгон и использовать образующиеся раскаленные газы для создания тяги для спуска с орбиты. «Большинство малых спутников вообще не имеют двигательной установки и застревают на орбите, на которую они были первоначально доставлены, — сказал доктор Джон ДеСейн, старший научный сотрудник отдела исследований двигателей.
«Обычно атмосферное сопротивление — единственный способ вывести спутник с орбиты, но, используя батарею спутника в качестве двигательной установки, можно уменьшить общий срок службы и вероятность столкновения».
Команда уже продемонстрировала доказательство концепции в Исследовательском центре аэрокосмических двигателей. Ученые продемонстрировали активацию аккумуляторных элементов космического класса, которые достигли эффективной тяги, сравнимой с коммерческим твердотопливным двигателем. Хотя эта сила может быть дополнительно увеличена за счет технических изменений, проектируемой тяги достаточно, чтобы сократить остаточное время орбиты для небольшого спутника на 55% на НОО.
Несмотря на эти благоприятные результаты, существуют препятствия для внедрения этой инновационной технологии. Возможно, самым большим препятствием является изменение взглядов людей на выход из строя тепловых батарей.
«Чтобы рассказать людям, что вы можете умело использовать одну из самых страшных вещей, которые могут произойти в космосе, требуется много убеждений», — сказал Неманик.