VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проблема техногенного засорения околоземного космического пространства и основные направления её решения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хакимов Д.Р. 1Лебедев С.А. 1

---

1МОУ «Введенская СОШ»

Косяченко И.Ф. 1Веселова О.О. 1

---

1МОУ «Введенская СОШ»

Работа в формате PDF

865 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

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. По ближайшим прогнозам, в будущем сложности будут нарастать как снежный ком. Основания для этого весьма серьезные.

За относительно короткое время «свидетельство» освоения космоса представляет собой двухслойный пояс мусора, окружающий планету Земля и составляющий, по разным оценкам, от 13 до 15 тысяч объектов общей массой более 6 тысяч тонн, что впоследствии может негативно сказаться на развитии и полноценном функционировании нашего общего дома.

Актуальность темы заключается в том, что мусор, который имеет место в околоземном пространстве и продолжающий там накапливаться, препятствует поступлению солнечных лучей и исследованию космоса. Эта тема на данный момент одна из самых горячих во всём мире.

Цель работы: изучение проблемы засорения космического пространства и пути её решения.

Предмет исследования: космический мусор и его утилизация

Задачи исследования:

На основе анализа научно-популярной литературы и Internet технологий описать аспекты возникновения проблемы космического мусора

Провести статистические исследования и выявить количество объектов, представляющих космический мусор и проблемы его утилизации.

Изучить принцип работы научных сотрудников Роскосмоса и КРАО и провести несколько сеансов наблюдения за космическим мусором

Провести количественную оценку опасности засорения различных орбит

Попытаться найти пути решения проблемы засорения космического пространства

Гипотеза исследования: при сложившейся практике запусков космических аппаратов проблема космического мусора станет важнейшей в ближайшем будущем.

Теоретическая часть

Ещё 100 лет назад человечество могло только с Земли наблюдать за звёздами и мечтать о полётах в космос. Тогда люди и не подозревали, что их деятельность когда-нибудь сможет привести к загрязнению, кажущегося таким необъятным, космоса. Но технический прогресс неизбежно связан с таким негативным последствием как загрязнение окружающей среды. Развитие технологий привело к созданию материалов, которые упростили жизнь человека, но имели побочный эффект – отходы стали загрязнять наш окружающий мир. До определённого момента казалось, что и на Земле места предостаточно, чтобы не заниматься этой проблемой, а просто убирать мусор на свалки. Однако стремительный технический прогресс, а также увеличение земного населения привели к значительному ускорению в производстве трудно утилизируемых отходов. В настоящий момент переработка и уничтожение мусора уже не является второстепенной задачей. Утилизация отходов давно уже выросла в отдельную отрасль, которой занимаются различные подразделения и структуры в государствах.

Стремительная космическая гонка между Советским Союзом и США привела к тому, что в космосе стали летать десятки и сотни спутников. Развитие космических технологий в других странах также повлияло на увеличение количества искусственных объектов в космическом пространстве. И опять, как ранее на Земле, стремительное развитие космических технологий привело к стремительному увеличению отходов в космосе. Сегодня человечество столкнулось с необходимостью решить вопрос по утилизации космического мусора. Иначе наше дальнейшее освоение космических далей может стать невозможным.

Космический мусор стал скапливаться в космосе приблизительно с середины двадцатого столетия, в тот момент, когда началась «космическая гонка». Весь мир следил за тем, как Советский Союз 4 октября 1957 года запустил в космос Спутник I, первый спутник в истории человечества, попавший на орбиту Земли. И хотя, по сегодняшним стандартам, этот спутник очень мал – он был не больше надувного мяча – на тот момент это стало великим достижением людей.

С каждым годом на орбите Земли скапливается все больше мусора.

За период с 1957 по 2014 годы с околоземных орбит сошло около 25,34 тысячи космических объектов.

Рис. 1. Динамика увеличения объемов космического мусора в космическом пространстве

На графике наглядно показано, что космос тогда, в середине 60-х годов XX века, казался безбрежным, и никому не приходило в голову, что его можно «засорить». Со временем люди нашли новые возможности использования космического пространства. Каждый год, с момента начала космической гонки, правительства разных стран, сотовые операторы, теле – радио - коммуникационные и GPS компании запускают на орбиту сотни спутников. Именно эти спутники, ракеты и другие объекты являются основными источниками загрязнения космоса и появления в нем космического мусора.

Именно эти спутники, ракеты и другие объекты являются основными источниками загрязнения космоса и появления в нем космического мусора. Прошло несколько десятилетий, и в геокосмосе стало тесно от космического мусора. Этот мусор состоит из закончивших свою активную работу искусственных спутников Земли, последних ступеней ракет, разгонных блоков, обломков ракет и спутников, возникших в результате преднамеренных и аварийных взрывов.

Космический мусор - продукт более чем 4,6 тысячи запусков и около 250 орбитальных разрушений запущенных аппаратов.

Космическая свалка достигла таких размеров, что начала саморазмножаться: дробиться при столкновении. С низких орбит фрагменты постепенно опустятся и сгорят в атмосфере, а вот на высоте выше 1000 километров, всё это может вращаться вечно[11].

Центр по борьбе с космическим мусором НАСА к космическому хламу относит следующие виды объектов [9]:

Покинутые космические корабли - когда космические корабли или детали космических кораблей приходят в упадок, их бросают в открытом космосе, где они находятся в свободном плавание. Дело в том, что ремонтировать корабль в некоторых случаях нет смысла, поскольку это слишком дорогостоящий процесс, поэтому их оставляют кружиться вокруг Земли, пока те не упадут или не столкнуться с другим космическим мусором.

Верхние части пусковых установок - современные шаттлы строят из нескольких частей, нагроможденных одна на другую. Для запуска шаттла необходимо несколько ракет, каждая из которых выполняет свою роль и отпадает. На самой верхушке шаттла находится верхняя часть, которая запускается в самый последний момент. А поскольку эта последняя деталь запускается уже в космосе, то многие материалы, отлетевшие с космического корабля, могут попасть в ловушку и надолго застрять на орбите вокруг Земли. Именно эти детали считаются самым большим космическим мусором.

Твердые отходы ракетного двигателя – для толчка во многих шаттлах используют твердое ракетное топливо. После запуска, отработанное топливо выбрасывается в окружающую среду и контейнер с топливом летает в космосе. В результате этого может произойти столкновение, и в космосе появится еще больше мусора.

Крошечные частицы краски – возможно в это нелегко поверить, но вокруг Земли летают миллионы крошечных кусочков краски. Высокая температура или воздействие летающих частиц постепенно срывают краску с космических кораблей и превращают ее в космический мусор.

На конец 2008 года было каталогизировано около 12500 космических объектов (КО) размером более 10 см, из них ~ 1000 функционирующих космических аппаратов. До 40% каталогизированных космических объектов составляют космические аппараты, прекратившие активное функционирование, а также использованные разгонные блоки, последние ступени ракет-носителей. Около 54% каталогизированных космических объектов составляют фрагменты, образовавшиеся в результате взрывов космических аппаратов, ракет-носителей, разгонных блоков или взаимных столкновений космических объектов. Более 300000 фрагментов космического мусора имеют размер от 1 до 10 см [8].

Экологические последствия космонавтики проявляются на поверхности планеты, в приземной атмосфере, в озоносфере, в верхней атмосфере и геокосмосе. Их уровень опасности зависит от массы стартующих ракет, частоты запусков, вида ракетного топлива, используемых технологий

Космический мусор имеет свойство саморазмножаться в результате его дальнейшего дробления при столкновениях двух фрагментов мусора. Уже сейчас космический мусор представляет серьезную опасность для пилотируемых полетов и нормального функционирования космических кораблей.

Космический мусор - продукт более чем 4,6 тысячи запусков и около 250 орбитальных разрушений запущенных аппаратов.

Космическая свалка достигла таких размеров, что начала саморазмножаться: дробиться при столкновении. С низких орбит фрагменты постепенно опустятся и сгорят в атмосфере, а вот на высоте выше 1000 километров, всё это может вращаться вечно[11]

В основном космический мусор сконцентрирован на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его и на высотах полета космических кораблей, а также МКС.

Утилизация космического мусора возможна только при его сгорании в атмосфере. По расчетам ученых, в течение нескольких лет спуститься до ее уровня могут объекты, расположенные на высоте ниже 600 км. Расположенному на высотах 800 км мусору на это требуется десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше — сотни лет [3].

С 2006 по 2014 годы ситуация с космическим мусором в области низкой околоземной орбиты, на которой реализуются пилотируемые программы, резко обострилась. В диапазоне высот 750-850 км концентрация фрагментов мусора увеличилась более, чем в два раза.

Из-за падения плотности верхних слоев атмосферы, вызванного ростом концентрации парниковых газов, различные объекты, обращающиеся вокруг планеты, будут дольше оставаться на своих орбитах [7].

Повышение в земной атмосфере концентрации парниковых газов приводит к росту температур на поверхности Земли, однако одновременно способствует охлаждению самых верхних слоев атмосферы, в частности термосферы.

Проблема засорения околоземного пространства вышедшими из строя спутниками и их фрагментами становится все более острой. Сейчас на орбите находится около 100 тысяч вышедших из строя космических аппаратов, последних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков, а также Космический мусор создает серьезную угрозу безопасности космических полетов… Столкновение с осколками может повлечь за собой гибель экипажа на пилотируемых космических аппаратах или орбитальных станциях. В 2005 году, например, останки взорванной китайской ракеты ударились о 31-летнюю американскую ракету, брошенную в космосе, а в 2009 году произошло столкновение отработавшего спутника Космос-2251 и телекоммуникационного спутника Iridium 33 на высоте 789 километров. В результате столкновения образовалось около 600 новых обломков космического мусора.

По данным Роскосмоса, в прошлом году в мире было запущено свыше 100 новых космических аппаратов. Сейчас весь мир практически рвется в космос. Еще в 1993 году, когда на космический мусор впервые обратили внимание официально, Генеральный секретарь ООН заявил: это мусор человечества, а не какой-то определенной страны [10]. Кто мог подумать, допустим, что на орбите когда-нибудь два спутника протаранят друг друга?

Насколько велика зона опасности вокруг станции однозначно определить сложно. Мусор может прилететь откуда угодно. Существуют определенные методы и приемы по учету вероятности столкновений. 16

Скажем, вероятность столкновения 10 в минус третьей-четвертой степени определяет необходимость увода станции на другую орбиту

разнообразные болты, гайки, пружины, скобы, и прочие объекты, вращающиеся вокруг Земли со скоростью приблизительно 10 километров в секунду. Столкновение с любым из таких фрагментов, даже размером один сантиметр, означает серьезное повреждение дорогостоящего спутника, а, скорее всего - его выход из строя [4].

Основную угрозу для спутников представляют частицы космического мусора размером от одного сантиметра и меньше, количество таких фрагментов на околоземной орбите с каждым годом продолжает возрастать.

Разнокалиберные обломки летят с высокой скоростью - 7-10 км/с, и поэтому столкновение с космическим кораблем или космической станцией фрагмента диаметром от нескольких сантиметров чревато катастрофическими последствиями. Есть данные, что на возвращенных несколько лет назад на Землю американских МТКК панелях солнечных батареях орбитального телескопа "Хаббл" было обнаружено 12 пробоин.

Если учесть, что космический мусор движется со скоростью ~10 000 м/c, получается что столкновение с килограммовым объектом обладает той же энергией, что и удар 10 тонного грузовика в глухую стену на скорости 360 км/ч (не говоря уж о встречном столкновении). К этому можно добавить, что вся сила удара приложена к площади в несколько квадратных сантиметров - становится ясно, что такого не выдержит ни одна обшивка.

При скорости 10 километров в секунду частицы размером 0,5

Как и прежде, больше всего объектов искусственного происхождения "числится" за Россией и странами СНГ - 5018 (+ 603). Из них, 1381 (+ 2) - спутники, а 3637 (+ 601) - фрагменты РН и "мусор".

За США "числятся" 4550 (+ 291) объектов. В том числе 1101 (+ 3) спутников и 3449 (+ 388) ступеней и фрагментов.

У Китая 2932 (+ 159) объектов: 77 (- 1) спутников и 2855 (+160) объектов иного происхождение. Китай увеличил свою "долю" в загрязнении космического пространства.

Именно в термосфере находятся спутники и обломки космических аппаратов - космический мусор.

Этот слой начинается на высоте 80-90 километров и простирается до высоты около 800 километров..

В настоящее время на орбите находится по разным оценкам от 13 до 15 тысяч объектов общей массой более 6 тысяч тонн. Только 6% от этой массы - эксплуатируемые космические объекты, в то время как 40% - нефункционирующие, но не поврежденные спутники, и 54% - фрагменты преимущественно образовавшихся в результате взрывов или разрушений аппаратов.

12 тысяч 58 объектов — это третьи ступени ракет, разгонные блоки и обломки космической техники. Еще 3 тысячи 312 объектов — работающие и вышедшие из строя космические аппараты [7].

В свое время ученые предлагали смоделировать на компьютере траекторию полета мелких частиц. Эта задача стоит по сей день. Проблема в том, что мусор постоянно меняет траекторию. Пример с "Салютом-7". Его перевели на более высокую орбиту, удаленную от Земли более чем на 460 км: исследования показывали, что "Салют-7" должен там пролетать лет 20. А он упал через несколько лет вследствие непредсказуемо возросшей активности Солнца, что, в итоге, нарушило все планы и расчеты. Станция начала тормозиться и быстро терять высоту.

Практическая часть

Изучив теорию, я решил заняться этим вопросом вплотную. А где, как не в экспедиции можно детально разработать свой проект?

Мои исследования проходили в Крымской астрономической обсерватории, под руководством

научных сотрудников Роскосмоса , КРАО и ГАИШ.:Румянцева В.В, Ирсмамбетовой Т.Р, Татарникова А.М

С 2003 г. КРАО принимает активное участие в программе исследований космического мусора

совместно инициированной Институтом прикладной математики (ИПМ) им. М.В. Келдыша РАН и Главной астрономической обсерватории (ГАО) РАН в рамках проекта организации научной сети для исследования объектов естественного и техногенного происхождения в околоземном

космическом пространстве. Радиолокационные наземные системы, которыми располагают Службы контроля космического пространства, имеют радиус обзора, ограниченный несколькими (5—10) тысячами километров. Для обнаружения и отслеживания далеких объектов, как правило, используется пассивная астрономическая оптика.

При соблюдении некоторых условий, такие наблюдения дают возможность решать многие научные задачи, прежде считавшиеся методически неразрешимыми. Например: уточнение значений низких гармоник геопотенциала и их изменений во времени; уточнение теории влияния светового давления на движение геостационаров; исследование формы и конструктивных особенностей объектов по результатам фотометрических и спектральных наблюдений; уточнение теории атмосферного торможения, воздействующего на объекты с вытянутой орбитой на высотах сгорания (100—150 км); разработка теории регистрации сверхмалых космических объектов и теории эволюции элементов космического мусора под воздействием гравитационных и негравитационных сил; моделирование процессов образования и эволюции облаков техногенных частиц; исследование возможностей уменьшения экологической нагрузки на околоземное космическое пространство.

В задачи Служб входит обнаружение, слежение, каталогизация и идентификация всех искусственных небесных тел. Систематические наблюдения нужны для поддержания параметров орбиты космических объектов, для вычисления орбитальных параметров вновь запущенных объектов или потерянных ранее и т. д. Кроме того, Службы контроля занимаются анализом аварийных ситуаций, возможностей опасного сближения спутников, их маневрирования. Информационные центры Служб контроля космического пространства обрабатывают до 50 тыс. наблюдений в день. Все запущенные с 1957 г. спутники занесены в каталог, в котором кроме параметров орбиты дается информация общего характера (номер спутника, его название, страна, дата и место запуска, дата сгорания, если это произошло).

Опасность засорения космического пространства вызвана не только большим количеством обломков ракет и космических аппаратов, но и распределением их в пространстве вокруг Земли [1]. Если бы использовались все возможные орбиты, то космический мусор вокруг Земли тоже был бы распределѐн равномерно. Освоение космического пространства показывает, что на одни орбиты космические аппараты выводятся чаще, чем на другие. Например, США часто выводят космические аппараты на орбиты с наклонениями 28 градусов, а Россия на орбиты с наклонениями 50-70 градусов. Такие различия связаны с задачами, которые решают с помощью космических аппаратов. Если космический аппарат находится на орбите с наклонением i к плоскости экватора Земли, то его трасса будет лежать в поясе географических широт от +I до –i. Точно так же и космический мусор будет двигаться в поясе географических широт, заданном наклонением плоскостей орбит [2]. Особенно хорошо это видно на компьютерной модели.

Для изучения особенностей распределения космического мусора по географической широте вокруг Земли была взята за основу круговая орбита.

Круговые орбиты очень часто используются для решения практических задач, поэтому на таких орбитах находится много обломков космических аппаратов. Предположим, что высота орбиты над поверхностью Земли задана и остаѐтся постоянной. Тогда положение фрагмента будет определяться наклонением орбиты, долготой восходящего узла и временем прохождения перигея. Предположим, что все обломки на заданной круговой орбите с постоянным наклонением распределились равномерно и по долготе восходящего узла, и по траекториям-окружностям. Задача заключается в определении плотности космического мусора на заданной высоте.

Для решения этой задачи удобно применить газомеханическую модель космического мусора с приведѐнной плотностью к одной частице. Это означает, что на заданной высоте круговой орбиты находится единственная частица, которая равномерно распределяется по всей поверхности шагового слоя в пределах географических широт  i0 .

Рассмотрим наложении двух облаков космического мусора на одной высоте 300 км над поверхностью Земли. Первое облако создано американскими космическими аппаратами, то есть имеет наклонение i  28⁰ . Второе облако создано Россией и имеет наклонение i  57⁰ .

Засорение орбит с характерными наклонениями

для США (28 градусов) и России (57 градусов)

Рис.4. Наложение двух облаков космического мусора

На рис.4 показана плотность космического мусора от наложения двух облаков.

пределах географических широт до 28⁰ находится космический мусор и США, и России. Однако на этих широтах плотность космического мусора США составляет 2

фч/кв.м, а плотность космического мусора России в 2 раза меньше, то есть 1 фч/кв.м.

пределах географических широт от 28 до 57 градусов находится только российский космический мусор с плотностью 1 фч/кв.м. Этот результат очень важен для международных переговоров, например, о возможных штрафах за засорение космического пространства. Пусть США и Россия создали на орбитах по одной частице космического мусора. Космический мусор США имеет плотность 2 фч/кв.м и мешает российским космическим аппаратам в пределах широт до 28 градусов.

Условный штраф США составляет 2  28  56 единиц. Космический мусор России имеет плотность 1 фч/кв.м и мешает американским космическим аппаратам в пределах широт тоже до 28 градусов. Условный штраф России составляет 128  56 единиц. Следовательно, создав на орбитах по одной частице космического мусора США должны заплатить России 28 условных единиц, которые экономисты и дипломаты с помощью инженеров должны пропорционально перевести в реальные средства.

Сводная таблица предложений государств Мира по решению проблемы космического мусора

Для решения задачи по сбору мусора предлагается создание специального космического корабля – космического сборщика мусора (КСМ), который на околоземной орбите будет баражировать в космическом пространстве в поисках мусора, его захвате и дальнейшем уничтожении.

Технически КСМ включает следующие узлы:

1. Две горловины-уловителя

2. Два распределителя потоков

3. Одноразовые бункеры для мусора

4. Отсек управления

5. Солнечные батареи

При помощи собственных систем слежения, а также земных систем обнаружения корабль будет получать данные о мусоре. При сближении с мусором корабль будет захватывать горловиной-уловителем мусор и измельчать большие фрагменты первой планшайбой.

Планшайба

Планшайба – рабочий орган КСМ. В настоящий момент планшайбы нашли широкое применение в прокладке подземных тоннелей. Под землёй они перемалывают грунт, камни, скальные породы позволяя тоннельно-буровой машине продвигаться вперёд. Конструкции планшайб бывают различные. Есть более закрытые планшайбы и более открытые планшайбы. [17]

Для компенсации воздействия ударной силы частиц мусора о внутренние стенки КСМ необходимо сделать слой высоко эластичного материала. Между корпусом горловины уловителя и слоем эластичного материала будут установлены демпферы, которые должны производить гашение ударов частиц мусора и снижать колебание эластичного слоя, переводя кинетическую энергию в тепловую. (Рис.7)

После первой планшайбы измельчённый мусор будет дробиться второй планшайбой на фрагменты такой фракции чтобы при входе в плотные слои атмосферы они гарантировано сгорели не достигнув Земли. (Рис.4)

Далее, после второй планшайбы, измельчённый мусор через систему распределения потоков будет поочерёдно направляться в одноразовые бункеры. Бункеры будут пристыковываться с разных сторон КСМ. Сначала весь поток будет направляться в один бункер. При его заполнении датчики подадут сигнал на распределитель потоков и он автоматически переключит поток на другой бункер.

В настоящий момент распределители потоков очень широко применяются в системах пневмотранспорта сыпучих материалов. С их 30

помощью различные сыпучие материалы например мука, сахар, цемент и т.д. распределяются в нужных направлениях. (Рис.8) [18]. Их также называют стрелки, по аналогии с устройствами на железных дорогах, которые помогают направить поезд по нужному пути.

Заключение

Цель проведённого исследования заключалась в разработке практического пути решения проблемы сбора и уничтожения космического мусора.

В рамках настоящего исследовательского проекта были проделаны следующие виды работ:

- систематизированы данные по проблеме местонахождения и объемов разномасштабных объектов космического мусора в околоземном пространстве;

- составлены сводные таблицы: «Число объектов искусственного происхождения на околоземной орбите, отслеживаемых средствами контроля космического пространства», «Количество объектов искусственного происхождения на орбите по странам», а также «Сводная таблица предложений государств Мира по решению проблемы космического мусора»;

- выполнены проектные разработки функциональной модели космического сборщика мусора.

В ходе проделанной работы сформулирован ряд выводов:

1. «Свидетельство» освоения космоса представляет собой двухслойный пояс мусора, окружающий планету Земля и составляющий, по разным оценкам, от 13 до 15 тысяч объектов общей массой более 6 тысяч тонн;

2. Космический мусор состоит из закончивших свою активную работу искусственных спутников Земли, последних ступеней ракет, разгонных блоков, обломков ракет и спутников, возникших в результате преднамеренных и аварийных взрывов;

3. Космический мусор сконцентрирован на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли;

32

4. Общее кол-во объектов искусственного происхождения на околоземной орбите составило в 2016 году 16051;

5. Пояс космического мусора является одной из глобальных экологических проблем, которую возможно частично решить путём использования Космического Мусоросборщика (КМ).

Список информационных источников

1. guardian.co.uk

2. http://lenta.ru/news/2010/01/14/stakill/

3. http://newsland.ru/News/Detail/id/505539/

4. http://www.24.kg/bigtiraj/63700-oon-sovetuet-ubratsya-v-kosmose-pishet.html

5. http://www.isra.com/news/126159

6. http://www.osp.ru/

7. http://www.rbc.ua/rus/digests/show/iz-za-globalnogo-potepleniya-kosmicheskiy-musor-hranitsya-05082010092000

8. http://www.rg.ru/2009/04/14/ivanov.html

9. http://www.rg.ru/2010/06/03/reg-sibir/musor-kosmos.html