XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космический мусор
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Aннотация
С момента запуска первого спутника прошло 65 лет. Этого времени человечеству хватило, чтобы превратить орбиту планеты в огромную технологическую свалку. Космический мусор стал глобальной проблемой, способной помешать дальнейшему использованию околоземного пространства.
Когда-то в космосе его станет так много, что мы больше не сможем запускать новые спутники.
Космический мусор представляет собой твердые отходы космической деятельности.
Ученые подсчитали, что сейчас в космосе находится почти 128 млн кусков космического мусора размером более 1 мм и 34 тыс. частиц размером более 10 см. Все, что меньше 1 мм подсчитать крайне трудно. Около 3 тыс. спутников вышли из строя из-за мусора и сами превратились в космический мусор.
Цель проекта:Выяснить наличие на орбите Земли отработанных космических объектов или космического мусора.
Задачи проекта:
1.Выяснить, откуда возник космический мусор.
2.В чём состоит угроза космического мусора для Земли.
3.Мера безопасности полётов КА.
4. Предполагаемые меры уничтожения космического мусора.
Введение.
Степень опасности космического мусора определяется в основном тремя факторами:как долго космический мусор находится на орбите,какова скорость движения, велика ли сложность утилизации космического мусора.
Главная проблема мусорного кризиса в космосе — выход из строя работающих спутников при столкновении с космическим мусором. Из-за больших скоростей опасность представляют даже частицы менее 1 см, они могут пробить противометеоритную защиту орбитальной станции. При столкновении с объектом более 10 см любой космический аппарат или станция гарантированно уничтожаются.
В мае 2016 года в Международную космическую станцию (МКС) влетела частица космического мусора размером в сотые доли миллиметра и оставила на МКС скол диаметром около 7 мм. Чтобы не допустить более разрушительных последствий МКС приходится регулярно менять свою орбиту, уворачиваясь от мусора.
Основная часть.
Историческое значение орбитального мусора.
Некоторые учёные говорят о том, что часть космических отходов необходимо сохранить.
Считается, что в будущем они будут представлять интерес для исследователей, которые решат изучить технологии прошлого.
Не в пользу этой теории говорит то, что большинство современного мусора будет выведено с орбиты уже через 1000 лет.
Ряд происшествий внесло огромный вклад в мусорную проблему, которая сделала вопрос загрязнения космоса наиболее острым.
Суть проблемы.
Собственно, самая очевидная угроза, исходящая от космического мусора, — это угроза физического столкновения. На текущем уровне развития технологий не существует какого-либо способа защитить космические аппараты от небольшого объекта, размером с пулю, движущегося со скоростью 10 км/с. Ну а про защиту от более крупных объектов и заикаться не приходиться, хотя на орбите их существенно меньше. На орбите находится огромное количество различных спутников, необходимые для работы разных служб, GPS, метеорология, да куча всего, в общем. Уничтожение одного из них не сделает всю систему нежизнеспособной, но в условиях увеличения количества мусора в будущем это может серьёзно повлиять на работоспособность этих систем.
В 1979 году американцы запустили первую программу по изучению космических аппаратов, находящихся в нерабочем состоянии. Любопытна структура искусственных объектов, находящихся в непосредственной близости от нашей планеты:
работающие аппараты – 6%;
выведенные из эксплуатации КА – 22%;
разгонные блоки и ступени РН – 17%;
технологические элементы, отходы, сопутствующие запускам, фрагменты и обломки – 55%.
За всё время программы шаттлов, на них было обнаружено порядка 170 следов на иллюминаторах от столкновения, к счастью с микрочастицами (0,2 мм в диаметре). Около 70 иллюминаторов пошли под замену.
В июле 1996 года французский спутник столкнулся с третьей ступенью французской ракеты Arian, запущенной намного раньше;
В 1964 году в атмосфере взорвался американский спутник с ядерной установкой.
В 1976 году советский военный аппарат с ядерным реактором упал в северной части Канады.
Французская ракета Arian.
29 марта 2006 года российский спутник «Экспресс АМ11» столкнулся с космическим мусором. В результате столкновения, был разгерметизирована система терморегулирования, спутник, потерял ориентацию и начал неконтролируемое вращение.
10 февраля 2009 года российский спутник «Космос-2251», выведенный из эксплуатации в 1995 году, столкнулся с американским коммерческим спутником Iridium 33.
Для контроля мусора космическими агентствами ведутся соответствующие реестры.
Отработавшие спутники.
Большинство космических аппаратов работает пять-десять лет, после чего их меняют на новые.
За пятьдесят лет было запущено более 6.5 тысяч спутников, из которых около 3.5 тысяч все еще вращается вокруг нашей планеты.
Сегодня сразу несколько компаний планируют покрыть планету доступным спутниковым интернетом. OneWeb для этого хочет вывести на НОО около 700 аппаратов, а SpaceX – более 12 тысяч.
Система спутников Starlink
Еще одной проблемой могут стать кубсаты – малые или сверхмалые спутники, ставшие особенно популярными в последнее десятилетие. Они немного весят и дешево стоят, поэтому их забрасывают на орбиту в виде дополнительного груза десятками штук. При этом они имеют малый срок жизни и практически неуправляемы.
Спутник формата CubeSat
Утилизация отработавших свой срок космических аппаратов происходит путем их спускания в атмосферу или вывода на орбиты захоронения. Крупные объекты затапливают в несудоходных районах Мирового океана. Для транспортировки аппарата на «мусорную» орбиту необходимо дополнительное горючее, а стоимость вывода в космос каждого лишнего килограмма – десятки тысячи долларов. А платить лишние деньги никто не хочет.
Синдром Кесслера
Помимо угрозы физического уничтожения, космический мусор может являться причиной полной непригодности ближнего космоса для практического использования. Данную теорию описывает так называемый синдром Кесслера, описанный консультантом НАСА Дональдом Кесслером в 1978 году. Суть данной теории заключается в «эффекте домино». По мере увеличения количества объектов на орбите увеличивается и количество потенциальных источников мусора. Таким образом, возникает «цепная реакция», ведущая к появлению всё новых и новых обломков. Однако на низких орбитах взаимодействие с атмосферой постепенно уменьшает количество мусора, и это подводит нас к следующей угрозе.
Падение космического мусора на Землю.
Объекты, находящиеся на низкой орбите, еще находятся под влиянием атмосферы земли и постепенно замедляются, в результате через какое-то время начинают снижаться и входить в более плотные слои атмосферы. Многие объекты сгорают в атмосфере, но есть и те, что достигают поверхности планеты. Так, по данным НАСА, почти ежегодно отдельные фрагменты космических аппаратов достигают поверхности Земли.
Кладбище космических кораблей.
Точка Немо — это самая удаленная от суши место на Земле, также называемая океаническим полюсом недоступности. Полюс недоступности — это место, которое наиболее сложно достигнуть из-за её удалённости, обычно от береговой линии. Ближайшая суша находиться в 2688 километрах от Точки Немо, а ближайшим населенным местом периодически становится МКС, орбита которой проходит над этим местом. Низкое содержание питательных веществ (круговорот в южной части Тихого океана блокирует попадание питательных веществ в этот район) и удаленность от прибрежных вод делают это место практически безжизненным, поэтому Точка Немо — идеальное место
для захоронения космических аппаратов. Периодически этот район называют кладбищем космических кораблей.
Расположение космического мусора в океане.
7. Похороны космического аппарата.
Как и при любой другой космической операции, захоронение космического аппарата требует соответствующей подготовки. После проведения необходимых расчетов и предупреждения местных властей, аппарат, достигнув необходимого местоположения, начинает торможение. Кстати, в результате захоронения части космического аппарата могут разлетаться на большой площади. Так, например, останки станции «Мир», затопленной в 2001 году, разлетелись на участок протяженностью 3000 километров. Подобная особенность несколько раз становилась причиной ЧП. В 1979 году часть американской станции «Скайлэб» упала на территории Австралии, в 1991 году обломки станции «Салют-7» упали на территории Аргентины. Также в 1997 году недогоревшая часть ракеты упала на женщину в Оклахоме. К счастью, все эти случаи произошли без жертв.
8. Орбита захоронения.
Помимо наземного кладбища также существует орбита, на которую отправляют уже отработавшие космические аппараты для уменьшения вероятности столкновения с ещё работающими аппаратами. Существует две официальных орбит захоронения: для космических аппаратов, располагавшихся на геостационарной орбите, и для аппаратов для военных разведывательных спутников с ядерной энергетической установкой.
Другая орбита захоронения находится на высоте от 600 до 1000 километров. На эту орбиту отправляют военные спутники с ядерной энергетической установкой.
9. Пути решения.
В целом, поиск путей решения этой проблемы ничем не отличается от решения проблемы творческого беспорядка у вас на столе, только масштаб у первой слегка побольше. Имеется два пути — создавать меньше мусора или убирать старый.
Как говорится, «Чисто не там где убирают, а там где не мусорят!». Собственно, в этом и суть. К основным направлением снижения создаваемого мусора относят следующие меры:
Снижение массы запускаемого аппарата.
Увеличение срока эксплуатации космических аппаратов.
Минимизация количества остающихся в космическом пространстве частей КА
Утилизация отработавших частей и самого космического аппарата либо возвращение частей обратно на Землю.
Одно из развивающихся направлений — использование материалов, позволяющих ракетам-носителям вывести аппарат на орбиту, а затем сгореть в атмосфере. Т.е. такой материал должен выдерживать все взлетные нагрузки, и при этом не должен быть супер тугоплавким, чтобы за счет трения сгореть в атмосфере. На данный момент таких материалов в ракетостроении нет.
Второй способ — это возвращение частей КА на Землю. Самый очевидные примеры — это многоразовые ступени SpaceX и программа SpaceShuttle.
10. Утилизация уже имеющегося мусора.
В отличие от проектируемых с замыслом утилизации аппаратов, мусор на орбите сам себя утилизировать не может. Все текущие проекты «по уборке» космического мусора находятся либо в разработке, либо в виде идеи. Было озвучено множество идей, которые можно классифицировать следующим образом:
Лазеры
Захват
Воздушные шары
Буксир с солнечным парусом
Солнечный парус
Облако вольфрама.
Аппараты-самоубийцы.
Орбитальные мусоровозы.
Российский сборщик космического мусора, перерабатывающий космический мусор в топливо.
11. Объем мусора на орбите.
Определить точно, сколько нежелательных объектов летает на орбите, практически невозможно. Обломки постоянно сгорают в атмосфере, фрагментируются, космические аппараты регулярно выходят из строя, увеличивая количество мусора. Кроме того, отслеживать небольшие фрагменты сложно технически.
Космический мусор на орбите
Общая масса мусора в околоземном пространстве оценивается от 6 до 7,5 тыс. тонн.
Отстыковка твердотопливных ракетных ускорителей
По информации НАСА, каждый год несколько крупных фрагментов КА достигают поверхности Земли.
Проблема мусора на околоземном пространстве способна закрыть для человечества космос.
12. Основные методы защиты космических аппаратов
Отследить траекторию мелкой мусорной частицы практически невозможно. Но от нее можно защититься с помощью специального экрана. Сегодня используются многослойные конструкции, состоящие из алюминия, керамики и полиамидных волокон. Более тяжелые фрагменты можно засечь с помощью телескопов или радаров, но от них аппаратам приходится уклоняться.
Международная космическая станция
У Международной космической станции есть условный защитный периметр: 1,5х50х50 км. Если траектория объекта проходит через него, то МКС выполняет маневр уклонения.
При высокой вероятности столкновения экипаж переводится в грузовой корабль, чтобы в случае аварии экстренно эвакуироваться
Заключение
Необычные и захватывающие факты о загрязнении космоса, про которые многие не знают:
Начало глобальному загрязнению было положено в 2007 году, после китайской операции.
Часть отходов, которая летает по орбите, появилась ещё в 80-х годах.
Шаттл «Челленджер» практически вышел из строя при столкновении с частицей мусора размером с песчинку.
Уже сейчас технике приходится серьёзно маневрировать при взлёте, чтобы не столкнуться с отходами.
Минимальный срок разработки и внедрения рабочего способа для уборки космоса — 20 лет.
Загрязнение космоса — глобальная проблема, и время для её решения уже было упущено. Для удаления космического мусора я бы выбрала лазеры. Лазеры были бы прикреплены к носу КА, в КА была бы расположена система обнаружения космического мусора. Она наводила бы лазер на скопление мусора и стреляла так, чтобы не оставалось даже мелких частиц.
Список источников.
Сайт school-science.ru›
habr.com›ru/company/macloud/blog/559886/
Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы. Сборник трудов Под редакцией Л. М. Зеленого, Б. М. Шустова, Москва ИКИ РАН 2019
БДЭ «Космонавтика», том 25, изд-во Аванта+Астрель, 2006.
Сурдин В., Первушин А., Левитан Е., Мамуна Н. «Космос. Прошлое, настоящее, будущее» М. Издательство АСТ, 2018.