X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космический мусор - история проблемы и перспективы решения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одной из главных проблем мировой космонавтики становится загрязнение околоземного космического пространства фрагментами разрушенных космических аппаратов. За полвека космической эры на околоземных орбитах скопилось несколько тысяч тонн мусора. Это - "отходы" совокупной космической деятельности человечества. Согласно данным очередного отчета НАСА, количество мусора на околоземной орбите постоянно увеличивается и приблизилось к критическим значениям.
Целью работы является изучение состояния проблемы образования космического мусора в околоземном космическом пространстве и современных способов его утилизации.
Задачами работы являются:
- выяснение содержания проблемы космического мусора;
- изучение истории возникновения проблемы космического мусора;
- выявление современного состояния проблемы космического мусора (актуальности угрозы космического мусора для человеческой цивилизации);
- изучение направлений развития способов и методов утилизации (нейтрализации) космического мусора с околоземной орбиты.
Предметом исследования является космический мусор, оказавшийся в околоземном космическом пространстве в результате космической деятельности человечества и угрозы развитию космических полетов. Объектом исследования являются способы утилизации космического мусора и перспективы их применения человечеством. В работе использованы общенаучные методы теоретического исследования: системный анализ, аналогия и моделирование, формализация и гипотетический метод.
В работе представлены результаты социологического опроса по проблеме космического мусора, теоретический расчет соударения мелкой фракции космического мусора с действующим космическим аппаратом и проведена качественная оценка результата столкновения. Также представлены подходы к вопросу утилизации космического мусора.
Для определения актуальности и масштаба проблемы космического мусора нами проведен опрос обучающихся МБОУ «СОШ № 18» г. Калуги, их родителей и учителей. Результаты опроса представлены в таблице 1.
Таблица 1.
|
№ п/п |
Вопрос |
Да |
Нет |
|
1 |
Знаете ли Вы, что такое космический мусор? |
59% |
41% |
|
2 |
Актуальна ли проблема загрязнения околоземного космического пространства? |
61,4% |
38,6% |
|
3 |
Известны ли Вам способы защиты или утилизации космического мусора? |
10% |
90% |
|
4 |
Из чего состоит космический мусор: Отходы работы МКС Отработавшие спутники Природный мусор (обломки планет, спутников) |
76% 47% 12% |
24% 43% 88% |
|
5 |
Стоит ли продолжать запуски КА до полной очистки от мусора? |
71% |
29% |
Анализ результатов опроса показывает необходимость исследования вопроса о космическом мусоре и рассмотрение результатов работы на школьной научно-практической конференции обучающихся.
1. Что такое космический мусор
Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные или содержащиеся на космических аппаратах опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы - объекты космического мусора, могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.
На околоземной орбите остаются исчерпавшие свой ресурс спутники, третьи ступени ракет-носителей, детали космических аппаратов, мелкие чешуйки засохшей краски и частицы обшивки. Это может быть и бытовой мусор - в предыдущие годы обитатели станций "Салют" и "Мир" запускали прессованные отходы в свободный полет с помощью специальной катапульты.
2. История возникновения проблемы космического мусора
Впервые о масштабном загрязнении космоса ученые заговорили в 1980-х, когда концентрация мусора на орбите Земли достигла такой плотности, что баллистикам требовалось хорошенько поработать, чтобы безопасно разместить среди него тот или иной спутник. В последнее десятилетие ситуация только ухудшилась. Количество мусора в околоземном пространстве столь велико, что это создает реальную опасность для работающих там автоматических станций.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в космос 4 октября 1957 года. С того времени было совершено более 4600 запусков, в результате которых у Земли появилось около 6000 спутников, при этом подавляющее большинство из них было выведено на геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit) и низкостационарные (LEO - Low Earth Orbit) околоземные орбиты. Несмотря на такое большое количество запущенных спутников, реально сегодня их эксплуатируется не больше тысячи. Но где же находятся остальные?
Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км. А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше - около 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля - несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера - миллионы. Причины разрушения спутников самые разные – самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения. Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли.
Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г., где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.
Основная часть
Причины образования космического мусора
Причинами образования космического мусора (т.е. умножения числа фрагментов на околоземных орбитах) является естественное столкновение объектов в космическом пространстве, дробление материалов на более мелкие части, дальнейшая доставка материала на орбиту (спутников, ракет, модулей МКС). Причинами разрушения ИСЗ является самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии (функциональные нарушения) и столкновения с космическим мусором.
Рано или поздно любой объект в результате трения об остатки атмосферы затормозится, начнет падать на Землю и сгорит в верхних слоях атмосферы, но в зависимости от размера объекта и высоты орбиты срок существования отходов может составлять от нескольких месяцев до сотни лет. Сейчас, когда в год осуществляются многие десятки запусков, околоземное пространство замусорено так, что это уже создает проблемы.
В настоящее время по разным оценкам в районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2000 км находится до 5000 тонн техногенных объектов. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода (поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать 60 000 − 100 000. Из них только порядка 10 % (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами, из них только 6 % отслеживаемых объектов — действующие. Около 22 % объектов прекратили функционирование, 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, и около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с. Вследствие огромного запаса кинетической энергии столкновение любого из этих объектов с действующим космическим летательным аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Примером может послужить первый случай столкновения искусственных спутников: Космос-2251 и Iridium 33, произошедший 10 февраля 2009 года. В результате оба спутника полностью разрушились, образовав свыше 600 обломков. Эффективных мер защиты от объектов космического мусора размером более 1 см в поперечнике практически нет.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это НОО, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО). Отчет НАСА выделил основных загрязнителей космоса. На первом месте - Россия (совместно со странами СНГ), которой принадлежит свыше 5000 аппаратов и различных обломков. США заняли второе место (4550 объектов). Тройку лидеров замыкает Китай.
Вклад в создание космического мусора по странам
|
№ п/п |
Страна |
Процентное соотношение |
|
1 |
Россия |
40% |
|
2 |
США |
27,5% |
|
3 |
Китай |
25,5% |
|
4 |
Остальные страны |
7% |
Удивительно, но существует противоположное мнение о необходимости сохранения космического мусора. Историки науки указывают на то, что некоторые объекты на орбите, рассматриваемые как мусор, будут представлять интерес для космических археологов будущего и поэтому должны быть сохранены. Генеральная уборка космического мусора на земной орбите, о которой в последнее время так много говорят, может привести к потере уникальных исторических артефактов. С таким предупреждением выступила австралийский археолог, доктор Элис Горман (Alice Gorman) из университета Флиндерса (Flinders University). Горман призывает сделать космический мусор (не весь, конечно) частью всемирного наследия (World Heritage). По её мнению, космическим агентствам пришло время оценить некоторые из миллионов объектов, находящихся в настоящее время на орбите Земли. «Чтобы уборка мусора была эффективной, вы должны быть в состоянии различить, что является барахлом, а что нет», — указывает археолог, предлагая обратить внимание, к примеру, на спутник Vanguard 1, который болтается в космосе аж с 1958 года — это самый старый «человеческий» объект на орбите. Сохранение этих объектов, по словам доктора, «может обеспечить свидетельство национального присутствия в космосе и помочь в восстановлении истории исследований внеземного пространства».
Влияние космического мусора на космические полеты
В марте 2001 года небрежность при работах в открытом космосе чуть было не привела к беде. Во время выхода в открытый космос американский астронавт Джеймс Восс потерял подставку для закрепления ног на корпусе станции. Металлический предмет размером 15x30 см и весом около 7 кг улетел в пространство, но спустя несколько дней вернулся. Астронавтам пришлось включать двигатели, чтобы избежать столкновения.
Степень влияния загрязненности космического пространства на функционирование космических систем определяется четырьмя факторами:
временем нахождения на орбите;
районами по предположению;
высотой орбиты;
наклоном плоскости орбиты.
Для примерного представления об объектах загрязнения космического пространства, разрабатывают математические модели его засоренности. Они описывают распределение загрязняющих объектов в пространстве, их движение и физические характеристики (размер, массу, плотность и др.). Разрабатываемые модели бывают двух видов: краткосрочные (период до 10 лет) и долгосрочные (до 100 лет). Модели засоренности принимают во внимание рост числа орбитальных объектов в результате запусков, маневрирование (засоренность, связана с включением ракетных двигателей твердого топлива), разрушение (взрывы и столкновения) т.д. Кроме того, целью долгосрочных моделирований является составление прогнозов количества объектов как функции времени.
Тенденции, установленные на основе долгосрочных моделей, заключаются в следующем:
- если космические полеты будут проходить также, как и раньше, то в будущем загрязнение космического пространства ускориться из-за столкновений, связанных с увеличением массы на орбите;
- фрагменты мусора, образовавшиеся после взрывов, являются в данное время одним из главных источников загрязнения;
- фрагменты, образовавшиеся в результате столкновений, могут порождать следующие загрязнения, это приведет к росту загрязненности в геометрической прогрессии.
Избежать этого можно путем уменьшения нагрузки на нижнюю околоземную орбиту. Также проблема состоит в возращении в атмосферу Земли космических объектов. За последние 40 лет их отмечено более 16000. В течение последних 5-ти лет примерно раз в неделю происходит попадание в атмосферу объекта с площадью поперечного сечения около 1м2. Вхождение того или иного объекта в атмосферу связано не только с опасностью механического удара, но и с возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.
3. Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора
В настоящее время около 12% всего каталогизированного комического мусора составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры запуска спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном это крепежные детали, заглушки и т.д. Мероприятия по уменьшению загрязненности такими объектами принимать относительно нетрудно, как технически, так и экономически. В тоже время возможны ситуации, когда отделение деталей безвыходно из-за технических причин. В ходе полета может происходить неспециальное образование мелкого мусора: выбросы шлаков при работе двигателей на твердом топливе, отделение частиц краски вследствие эрозии, вытек теплоносителя и т.п. Необходимо принимать меры по уменьшению процесса образования мелкого мусора. Осколки, образовавшиеся в результате разрушения космических аппаратов (КА), составляют 43% состава орбитальных объектов и 85% космического мусора размером более 5см. Основной причиной разрушения космических аппаратов являются взрывы и столкновения.
Анализ разрушения КА показал, что спуск с орбиты либо пассивация (выброс энергии) после реализации космическим аппаратом своей задачи позволяет предотвратить большую часть таких случаев. К числу эффективных мер можно отнести сжигание или продувание неиспользованного топлива, разрядку аккумуляторных батарей, освобождение жидкостей из-под давления. Вероятность случайного столкновения КА на околоземной орбите хотя и не значительна, но все-таки есть. Примером такого случая было столкновение осколка, образовавшегося в результате взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан», с действующим французским спутником CERISE, в результате была нарушена его работоспособность. Таким образом, увеличение числа и размеров спутников на орбите ведет к повышению вероятности столкновений. Что касается спутников, которые заканчивают свою программу, то значительному уменьшению вероятности столкновений будет влиять их перевод на нижнюю орбиту или контролированное возвращение в атмосферу.
4. Концепции защиты от космического мусора
Учитывая современный уровень засоренности околоземного пространства, следует применить концепции прямой и непрямой защиты. Защита от частиц размером 0,1-1 см может осуществляться за счет применения экранных конструкций. Защита от частиц размером более 1см может осуществляться за счет принятия специальных мер при проектировании КА, заключающихся в расположении жизненно важных систем в так называемых мертвых зонах относительно направления удара потоком мусора. Что касается экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые одношаровые выносные экраны, размещающиеся перед корпусом аппарата, и сложные многошаровые конструкции из металла и керамики. Также ориентируя определенным образом космический корабль, космонавты могут использовать его в качестве экранной защиты. Такая практика уже применялась на орбитальной станции «Мир». Для кораблей «Шаттл» орбитальная степень ориентируется таким образом, чтоб его хвостовая часть была повернута в направление движения. Работы в космосе происходят таким образом, чтоб космонавты были защищены корпусом станции.
Одной из важнейших мер по уменьшению засоренности является информирования об опасностях, связанных с загрязненностью космического пространства и о многочисленных источниках образования космического мусора. Экономически оправданным является применения мер по уменьшению загрязнения на ранних стадиях конструирования КА. С использованием долгосрочных имитационных моделей космической среды ведется работа для оправдания эффективности разных сценариев и затрат связанных с их использованием. Исследования позволяют оценить, какое влияние оказывает разного рода практика в этой области. Также проблема столкновений и взрывов связана с неконтролируемыми запусками различных космических аппаратов. Для решения этой проблемы необходимо установить контроль за материалами, технологиями производства и запуска космических аппаратов. Во избежание столкновений КА, что является основой появления крупных частей мусора, целесообразно ввести прогнозируемые расчеты для установления безопасных стартовых окон, исключающих пересечение траектории полета КА с пилотируемыми кораблями, находящимися на орбите.
В краткосрочной перспективе наибольшую пользу может принести исключение случайных взрывов КА. Эффективной мерой предотвращения таких разрушений является пассивация аппаратов в конце программы полета. В долгосрочной перспективе при отсутствии мероприятий по уменьшению засоренности из-за нагромождения объектов на орбите может значительно возрасти опасность для проведения космических операций в области, как низкой, так и высокой околоземной орбиты. Мероприятия по снижению загрязненности и защиты космоса могут влиять на конструкции КА, их стоимость и эксплуатацию. Экономически выгоднее предвидеть и внедрить эти изменения на ранних этапах проектирования и производства КА и ракетоносителей.
Таким образом, из-за увеличения загрязненности космоса растет риск столкновений, причиняющих повреждения КА. Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить задачу улучшения состояния космической среды, разумным шагом по сохранению космического пространства для будущих поколений в настоящее время есть принятие мер по уменьшению загрязненности.
4. Качественный состав космического мусора
По данным РАН, около 85% космического мусора приходится на долю крупных частей ракет и разгонных блоков, с помощью которых искусственные спутники Земли выводятся на орбиту, а также самих отработанных спутников
Еще 12% мусора – это элементы конструкции, отделяющиеся в процессе запуска спутников и их эксплуатации.
Все остальное, около 3% – мелкие фракции и осколки, возникшие в результате их соударения. На диаграмме (приложение 2) представлен процентный состав космического мусора ракетного происхождения: очевидно, что наибольший процент имеет мусор в виде обломков спутников. Это и объяснимо: ИСЗ – наиболее востребованные космические аппараты. На заре космической эры далеко не все ИСЗ, запущенные на околоземную орбиту, оказывались работоспособными. По некоторым данным, только 3 спутника из 10, запущенных выходили на заданную орбиту и работали. Остальные так и остались на орбите.
Рано или поздно любой объект в результате трения об остатки атмосферы затормозится, начнет падать на Землю и сгорит в верхних слоях атмосферы, но в зависимости от размера объекта и высоты орбиты срок существования отходов может составлять от нескольких месяцев до сотни лет. Сейчас, когда в год осуществляются многие десятки запусков, околоземное пространство замусорено так, что это уже создает проблемы.
5. Расположение космического мусора
Для изучения мест расположения мусора мы рассмотрели виды орбит и виды космических аппаратов, расположенных на них. Космический мусор сконцентрирован, в основном, на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его и на высотах полета космических кораблей и Международной космической станции (МКС). В августе прошлого года Центр управления полетами провел маневр уклонения МКС от столкновения с фрагментом космического мусора, а в октябре отложил коррекцию орбиты станции из-за опасности нового столкновения.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов:
НОО – низкие околоземные орбиты;
ГСО – геостационарная орбита;
ССО – солнечно-синхронные орбиты (приложение 3).
Если космический мусор, расположенный на высотах ниже 600 км, в течение нескольких лет входит в атмосферу и сгорает в ней, то мусору, расположенному на высотах 800 км, на это требуются десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше - сотни лет.
Первый пояс мусора располагается на низких околоземных орбитах на высоте 300 – 2000 км от поверхности Земли
Количество космического мусора: 70%
Масса мусора: около 500 т технических объектов
Число объектов мусора поперечником не более 1 см (по статистическим оценкам): от 60 000 до
100000 штук.
6.Концентрация мусора
Самая большая концентрация мусора приходится на самые заселенные высоты – от 900 до 1500 км. Даже если прекратить новые запуски спутников, то примерно с 2055 года количество вновь образующихся объектов мусора начнет превышать его убыль (так называемое «самоочищение»).
Второй пояс мусора располагается в области орбит на высоте 32 000 – 40 000 км от поверхности Земли, здесь около 25% КМ (приложение 1).
На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты. Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.
9.Опасность космического мусора
В первую очередь от космического мусора страдают объекты, находящиеся на орбите. В июле 1983 года чешуйка краски размером менее миллиметра попала в иллюминатор американского челнока "Челленджер" и проделала в нем кратер диаметром 2,4 мм и примерно такой же глубины. После посадки корабля едва не треснувшее стекло пришлось заменить.
Опасность КМ заключается ещё и в том, что после старта ракеты топливные баки опустошаются и отделяются от корпуса ракеты, после чего осколками выпадают на землю. Если старт ракеты не удался, и она вместе со спутником взрывается - последствия куда более плачевны: миллионы маленьких осколков ракеты и спутника выпадают космическим дождем на землю.
7 сентября 2007 года российская ракета "Протон-М" взорвалась вместе с японским спутником на борту через 2 минуты после старта. Осколки космических кораблей обрушились недалеко от казахского города Джезказган. В паре метров от дома пастуха Бориса Урматова упал 3,5-метровый кусок топливного бака (Байконур находится в 1600 км!).
20 февраля 2008 г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник – шпион, имевший в баках около 400 кг ядовитого гидразина. Спутник потерял управление и возникла угроза его падения на Землю, место падения определить не представлялось возможным.
12 марта 2009 г. космический мусор заставил экипаж МКС укрыться в корабле «Союз», который выполняет роль спасательной капсулы. Предупреждение о приближении фрагмента «космического мусора» к МКС поступило слишком поздно для того, чтобы совершить маневр отклонения. Поэтому космонавты временно покинули станцию. В «Союзе» экипаж провел 10 минут, а затем вернулся на борт МКС, сейчас он возобновил свою нормальную работу, сообщает BBC, ссылаясь на агентство НАСА. По предположениям, космонавтам угрожали обломки старого маршевого двигателя.
Расчет силы соударения мелкой фракции КМ с действующим космическим аппаратом.
Чтобы представить, какую опасность представляет мусор для космических кораблей и их пилотов, приведем такие данные. Бронебойная пуля без взрывчатки имеет диаметр 1,2 сантиметра и длину 10 сантиметров и движется со скоростью до 1,5 километров в секунду. Аналогичные по размерам орбитальные частицы искусственного происхождения могут столкнуться со станцией на скорости до 15 километров в секунду, и это учитывая, что ее обшивка отнюдь не бронированная.
Исходные данные:
1) массу КА принимаем равной 50 т;
2) число фрагментов космического мусора от 60 000 до 100 000.
Расчет: используя формулы второго закона Ньютона и формулу ускорения получаем значения силы соударения в диапазоне от 50 000 до 83 000 Н!!! (приложение 4).
При скорости 10 км/с частица диаметром 0,5 мм пробивает многослойный скафандр!
Осколки на такой скорости прошивают алюминиевые листы в 10 раз толще их диаметра!
Но самое главное - почти невидимый рукотворный метеорит выбивает из мишени целое "облако" частиц, в 200 - 300 раз превышающее его по массе!
10.Некоторая статистика столкновений космических аппаратов с мусором.
При столкновении спутника с мусором часто образуется новый мусор (так называемый синдром Кесслера – образование нового мусора при столкновении КА с КМ), что в будущем может привести к неконтролируемому росту засорённости космоса. Вот лишь некоторые зафиксированные данные:
1) 1983 г. песчинка (менее 1мм в диаметре) оставила серьезную трещину на иллюминаторе шаттла Endeavour;
2) в 1996 г. на высоте около 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты Arian.
3) в 2001 г. МКС едва не столкнулась с семикилограммовым прибором, утерянным американскими астронавтами;
4) в октябре 2007 г. солнечная батарея станции «Мир» получила значительные повреждения от КМ.
11.Важнейшие события, повысившими засоренность космоса.
11 января 2007г. на высоте 865 км китайская ракета уничтожила отработавший свой срок китайский спутник «Фэнъюнь», столкнувшись с ним встречным курсом. В результате появилось более 2000 новых обломков размером в несколько сантиметров и более, то есть, засорённость космоса поднялась сразу на 22 %.
20 февраля 2008г. на высоте 250 км ракета SM-3 уничтожила неисправный спутник-шпион, имеющий в баках около 400 кг ядовитого гидразина (а также из-за опасности рассекречивания). Из-за небольшой высоты большинство осколков, скорее всего, относительно быстро войдёт в атмосферу.
Спутник Iridium - аппарат коммерческой связи, запущен в 1997 году. Космический аппарат "Космос-2251" - аппарат военного назначения, запущен в 1993 году, с 1995 года этот космический аппарат выведен из состава российской орбитальной группировки и до настоящего времени не использовался.
10 февраля 2010 г. на высоте около 790 километров над северной частью Сибири зафиксирован первый случай столкновения двух искусственных спутников в космосе. Спутник связи «Космос-2251», запущенный в 1993 году и выведенный из употребления, столкнулся с коммерческим спутником американской компании спутниковой связи «Iridium 33». В результате столкновения образовалось около 600 обломков, большая часть которых останется на прежней орбите.
12. Методы борьбы с космическим мусором
1. Международные стандарты:
- «Общесистемный стандарт по предупреждению образования космического мусора»;
- «Увод космических аппаратов с геостационарной орбиты (ГСО) по завершении эксплуатации».
2. Лицензирование деятельности национальных и международных организаций.
3. Отслеживание и картографирование КМ.
4. Очищающий эффект атмосферы Земли (если высота орбиты не выше 600 км)
5. Сеть оптических инструментов для астрометрических и фотометрических наблюдений космического мусора, которая объединяет 18 обсерваторий, 25 телескопов, в работе участвует более 50 наблюдателей и исследователей.
6. Сбор обломков КА при помощи американских шаттлов
7. Сжигание КМ лазером
8. Заменить многоступенчатые ракеты многоразовыми системами
Заключение
Эффективных способов уничтожения космического мусора на данный момент не существует. Пока они не появились, необходимо предотвращать дальнейшее загрязнение космоса. Иначе процесс загрязнения космоса станет необратимым и путь в космос человечеству будет закрыт на несколько сотен лет!!!
Именно поэтому международное сотрудничество по проблемам космического мусора находит свое развитие в следующих направлениях:
- экологический мониторинг околоземного пространства, в том числе и в районе геостационарной орбиты;
- прогноз засоренности околоземного пространства способом математического моделирования космического мусора;
- разработка методов защиты космических устройств от влияния частиц космического мусора;
- разработка, изучение и последующее внедрение мероприятий, которые направлены на снижение засоренности космического пространства.
Например, вооруженные силы США уже делают успехи во исполнении своих планов по превращению космического мусора в новые работающие спутники. Некоторое количество машиностроительных компаний заключили контракты с DARPA - агентством по перспективным научно-исследовательским разработкам в США.
Британские ученые также обеспокоены проблемой засорения околоземного пространства Земли, («Биржевой лидер», 03.10.2012). Они предлагают новую идею борьбы с космическим мусором, заключающуюся в сборке мусора специальным аппаратом, так называемым «космическим гарпуном», затем перемещать этот мусор в более низкие слои атмосферы, где он теоретически будет сгорать. Другие проекты по борьбе с мусором в космических просторах предполагают собирать его на орбите с помощью специальной сети.
Выше шла речь только о том "небесном мусоре", который образовался по вине человека, осваивающего космическое пространство. Но есть еще и "мусор", который допустила сама природа, - осколки естественно разрушившихся планет и других космических тел, несущихся в межпланетном пространстве. Считается, что не менее половины спутников, запущенных к Марсу, с большой долей вероятности, были погублены именно метеорными потоками.
Но все же человечество постепенно приходит к пониманию того, что сорить в космосе надо как можно меньше. Например, если на "Мире" экипаж складывал отходы в контейнер и периодически выбрасывал его в открытый космос, то на Международной космической станции все отходы убирают в грузовой корабль "Прогресс", который затем отстыковывается, и вместе с мусором бесследно сгорает в верхних слоях атмосферы.
С другой стороны, свалки отходов - самый характерный признак существования высокоразвитого общества. Об этом лучше всех знают археологи, раскапывающие останки исчезнувших цивилизаций. Возможно, что инопланетяне когда-нибудь найдут человечество по куче мусора космических масштабов.
Литература:
1. Акшинин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов//издательство Москва,1983 №4-64;
2. Федоров Е.К. Экологический кризис и социальный прогресс// Л.: Гидрометеоиздат,1977.-176с.;
Статьи из журналов и сборников:
3. Становление физики невесомости // Осипьян Ю., Регель Л. // Правда,1986-64с.;
4. Экологические перспективы и космонавтика/ А.Д.Урсул //Земля и вселенная.-1976.-№2.-с.32;
5. Ракеты – носители США А.К.Ивашкевич //Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.32;
6. Космический мусор «Магеллан», «Фридом» // Земля и Вселенная.-1993 №4.-с.37;
7. Проблема космического мусора Л.В. Рыхлова // Земля и Вселенная.-1993 №6.-с.36.
Электронные публикации в Интернете:
8. Кричевский С.В., Черкасова М.В. Программа Международного Социально – экономического союза «За экономическую безопасность ракетно – космической деятельности» [Электрон. ресурс]-24 апреля 2000.- Режим доступа: http://www.ecoline.ru/books/raket/18.htm;
9. Прохоров Герман «Прогресс – М55» привез на МКС новогодние подарки [Электрон. ресурс]-12 февраля 2000.- Режим доступа: http://www.gazeta.ru /2005/12/24/last82962.shtml;
Приложение 1
Концентрация мусора
Первый пояс мусора
Высота: 300 – 2000 км от поверхности Земли
Количество космического мусора: 70%
Масса мусора: около 500 т технических объектов
Число объектов мусора поперечником не более 1 см (по статистическим оценкам): от 60 000 до 100 000. Из них:
а) 10% обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами;
б) только около 6 % отслеживаемых объектов — действующие;
в) около 22 % объектов прекратили функционирование;
г) 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей;
д) около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.
5. Средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с
Второй пояс мусора
Высота: 32 000 - 40000 км от поверхности Земли
На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты.
Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наземные спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.
Приложение 2
Общий состав космического мусора
По данным РАН, около 85% космического мусора приходится на долю крупных частей ракет и разгонных блоков, с помощью которых искусственные спутники Земли выводятся на орбиту, а также самих отработанных спутников
Еще 12% мусора – это элементы конструкции, отделяющиеся в процессе запуска спутников и их эксплуатации.
Все остальное, около 3% – мелкие фракции и осколки, возникшие в результате их соударения
Состав космического мусора ракетного происхождения
Приложение 3
Виды орбит и их использование
Приложение 4
Расчет силы соударения мелкой фракции космического мусора с космическим аппаратом
Исходные данные:
M = 500 т = 500 000 кг
N (число фрагментов): N1 = 60 000, N2 =100 000
Время соударения принять равным 1 с
Формулы:
Второй закон Ньютона F = m· a
Ускорение
Сила соударения в пределах от 50 000 до 83 000 Н