Движение и столкновения на орбите: действительно ли доступ в космос находится под угрозой?
Представьте себе мир, в котором космос недоступен из-за "облака" мертвых обломков и спутников, окутавших Землю. При таком сценарии любая запущенная на орбиту ракета сможет просуществовать всего несколько часов или несколько дней, прежде чем будет уничтожена при столкновении с одним из этих обломков. В обществе, столь сильно зависящем от космоса, как наше, это было бы катастрофой. Больше никаких телекоммуникаций, никаких GPS, никаких наблюдений за Землей и предотвращения экологических катастроф.
Столкновение на орбите является катастрофическим событием не только из-за экономического ущерба, связанного с разрушением спутника, но, прежде всего, из-за количества мусора, который может образоваться в результате такого столкновения. Столкновение на скорости семь километров в секунду (это типичная скорость спутника на орбите НОО) порождает тысячи фрагментов, которые в свою очередь становятся потенциальными триггерами для других столкновений, что приводит к катастрофическому эффекту домино, который, если его не контролировать, может привести к насыщению орбитальных областей, представляющих научный и коммерческий интерес. Эта проблема хорошо известна уже несколько лет под названием "синдром Кесслера". В настоящее время крайне сложно очистить низкие орбиты от уже присутствующего мусора, но есть несколько мер, которые можно предпринять, чтобы смягчить проблему и попытаться предотвратить ее усугубление.
Управление космическим движением
В ответ на эту главную проблему современности начались дискуссии об управлении космическим движением, которое представляет собой контроль и управление движением на орбите, как это делается для воздушного движения. Однако в отличие от авиации, управление космическим движением не регулируется международными протоколами и стандартами. Поэтому координация между различными операторами затруднена или отсутствует. Не существует центрального, авторитетного органа, к которому бы сходились различные игроки. Каждый спутниковый оператор волен сам управлять своими спутниками, принимая те критерии, которые он предпочитает для оценки рисков потенциального столкновения и затрат на манёвр уклонения.
Еще одна причина отсутствия единого стандарта заключается в том, что каждый оператор использует различные данные для проведения оценки. Часто эти данные предоставляются государственными учреждениями, в других случаях их получают сами операторы, которые не заинтересованы в обнародовании информации, которую они считают конфиденциальной. Безусловно, для разработки общего свода правил, действующих на международном уровне, необходимо, чтобы спутниковые операторы начали обмениваться такими данными, чтобы облегчить координацию между различными игроками. Отсутствие строгих правил, регулирующих космическое движение, особенно очевидно, когда два действующих спутника находятся под угрозой столкновения. В этом случае не существует правила, устанавливающего, кто из них двоих должен выполнить маневр уклонения. И очевидно, что помимо критических моментов, связанных с осуществлением этого маневра, обе стороны заинтересованы в том, чтобы другая сторона перемещала свой спутник.
Нынешняя динамика, определяющая управление космическим трафиком, не сулит ничего хорошего в будущем; в ближайшие годы потребуется полная реструктуризация этой динамики и отношений между различными вовлеченными сторонами с целью оптимизации того, что, по общему мнению и целям, становится переполненным космическим пространством.
С появлением мегасозвездий на низкой орбите риск столкновений между действующими спутниками явно возрос. SpaceX со своими почти двумя тысячами Starlinks является одной из основных сторон, участвующих в этом сценарии. Компания Илона Маска не раз оказывалась в центре ситуаций, считающихся рискованными, например, близкое столкновение с одним из спутников группировки OneWeb в апреле 2021 года.
В этом случае SpaceX отключила автоматическую систему защиты от столкновений соответствующего корабля Starlink, чтобы не мешать маневру уклонения, который совершал OneWeb. Возвращаясь в прошлое (в 2019 год), еще одним актуальным случаем была встреча между Starlink и спутником Aeolus ЕКА. В связи с этим Европейское космическое агентство пожаловалось на большой недостаток координации. Но самым ярким случаем стала двойная встреча двух Starlinks с китайской космической станцией Тяньгун в 2021 году.
По этому случаю стали очевидны границы сотрудничества и диалога между различными сторонами: китайцы запросили по официальным каналам информацию о намерениях SpaceX, но не получили никакого ответа. Возможно, причиной такого молчания стало то, что законодательство США запрещает отношения между китайскими и американскими сотрудниками в космической сфере. Не получив от SpaceX никаких указаний на свои намерения, Китай был вынужден предпринять упреждающий маневр и переместить Тяньгун.
Как избежать столкновения на орбите?
Для того чтобы избежать столкновения двух спутников, необходимо знать их состояние, т.е. их положение и скорость. Применяя методы орбитального распространения к состоянию данного тела, можно изучить, как будет развиваться его траектория, чтобы предсказать возможность столкновения. Состояния почти всех действующих спутников занесены в специальные каталоги, которые постоянно обновляются. Для не взаимодействующих объектов, таких как мусор, неработающие спутники или оставшиеся на орбите разгонные блоки ракет-носителей, проводятся операции слежения, а их параметры также собираются в специальные каталоги.
Конечно, слежение не в состоянии обнаружить присутствие мелких обломков, размером менее 10 сантиметров, динамика которых остается неизвестной. Следующая анимация показывает эволюцию обломков, образовавшихся в результате столкновения спутника Iridium 33 со спутником Космос-2251 в 2009 году. За фрагментами следили и отмечали их распространение. Первоначально оно следовало по первоначальной орбите двух спутников, но со временем насыщало и различные орбитальные области.
очень быстро. На этих снимках видно, что уже через несколько часов после столкновения вдоль орбитальных плоскостей обоих спутников образовалось облако обломков.
Как и кто отслеживает спутники на орбите?
В Европе ключевую роль играет сегмент ЕКА по наблюдению и отслеживанию космического пространства (SST), который отслеживает мусор с помощью сети телескопов и радаров. Эти наблюдения используются в наземных инфраструктурах для выполнения операций по определению орбит, а полученные данные обрабатываются и используются для составления каталогов и баз данных. SST также отвечает за выполнение дополнительных услуг, таких как изучение эволюции орбиты и, возможно, выдача предупреждений о столкновении операторам спутников.
Как правило, спутники на НОО получают сотни сообщений с данными о соединении в неделю. Это своего рода бюллетень, в котором собрана информация обо всех возможных столкновениях между спутниками, которые могут произойти. Большинство этих предупреждений считаются малоопасными и автоматически фильтруются. Но некоторые из них, обычно два в неделю для каждого спутника, характеризуются более высоким риском, чем другие, и поэтому ими занимаются техники и инженеры, которые проводят углубленные исследования. Это требует многочасового анализа расстояния между двумя объектами, неопределенностей, связанных с их положением, и, наконец, вероятности столкновения.
Как определить риск столкновения со спутником?
Поскольку невозможно узнать точное положение двух тел, подверженных риску столкновения, используются статистические приемы: для каждого из них определяется эллипсоид вероятности, т.е. область пространства, в пределах которой объект определенно находится (даже если точно неизвестно, где именно в этой области). Эти эллипсоиды распространяются во времени, моделируя, как будет развиваться неопределенность в отношении положения двух тел до момента их ближайшего сближения. Если в момент их встречи два эллипсоида вероятности пересекаются, это означает, что вероятность столкновения существует.
Каждый день сообщения о данных о пересечении обновляются информацией о слежении, поэтому точность прогнозирования возможного столкновения со временем значительно повышается. Однако невозможно ждать до последнего момента, чтобы получить наиболее точную оценку, поскольку маневр уклонения требует времени на планирование и выполнение. По этой причине Управление ЕКА по космическому мусору предупреждает команды управления полетами за три дня до столкновения, а решение о проведении маневра по предотвращению столкновения принимается на день раньше, исходя из порога вероятности один к десяти тысячам.
Поэтому решение о проведении маневра принимается после многодневного процесса и многочасового анализа траекторий и неопределенностей. Эта тщательная работа проводится потому, что выполнение маневра по предотвращению столкновения является критическим и сопряжено со многими проблемами. Поэтому перед его выполнением необходимо провести тщательное расследование.
Проблемы маневра предотвращения столкновения
Как уже упоминалось, осложнения, связанные с маневром уклонения, многочисленны. Одной из первых серьезных проблем является проверка того, что временная орбита, на которую переводится спутник, сама по себе не представляет риска столкновения. Кроме того, для выполнения маневра и возвращения спутника на исходную орбиту необходимо использовать имеющееся у спутника топливо. Очевидно, что такое незапланированное потребление является проблемой для тех, кто отвечает за управление сроком эксплуатации спутника.
Во время маневра также весьма вероятно, что оперативную деятельность придется приостановить. Это представляет собой прерывание обслуживания в случае коммерческого спутника или прекращение сбора данных в случае научной миссии. И последний, но не менее важный недостаток этого вида маневра - экономические затраты. Для выполнения маневра по предотвращению столкновения необходимо забронировать время на наземной станции, чтобы иметь возможность правильно выполнять операции, кроме того, команда специализированных техников должна быть готова вмешаться в любой момент. В связи со всеми этими критическими моментами перед выполнением такого маневра проводится углубленный анализ, упомянутый выше, с целью убедиться, что этот маневр действительно необходим.
На сегодняшний день процесс предотвращения столкновений является полностью ручным, а описанные процедуры являются специфическими для каждой конкретной ситуации. С учетом экспоненциального роста числа спутников на орбите продолжать использовать такой подход немыслимо. Чем больше мы продвигаемся вперед, тем больше нам нужны автоматизированные механизмы для обработки и управления растущим числом возможных столкновений. Именно поэтому идея использования искусственного интеллекта и машинного обучения для автоматизации операций и процессов принятия решений, которые до сих пор выполнялись вручную, набирает обороты.
С этой целью Европейское космическое агентство в последние годы проводит серию конкурсов в области ИИ и машинного обучения, в ходе которых оно предоставляет участникам набор сообщений данных о стыках за прошлые годы, предлагая им разработать алгоритмы, способные воспроизвести процессы принятия решений, которыми руководствуются инженеры, реагируя на вероятность столкновения. Представленные результаты обнадеживают, но мы все еще далеки от создания операционной системы, которая достаточно точно справлялась бы с этими деликатными ситуациями.
С другой стороны, SpaceX сообщила, что на Starlink была внедрена элементарная автоматическая система защиты от столкновений. Информации о ней очень мало, и нет никаких подробностей о том, как работает эта система. Несомненно то, что на данный момент эта система практически бесполезна. В случае возможного столкновения с действующим спутником, последний не может знать, как и будет ли двигаться Starlink, и поэтому он неизбежно возвращается к "ручному" управлению ситуацией такого типа. В качестве примера можно привести столкновение Starlink-OneWeb (упоминавшееся ранее), для которого OneWeb попросил SpaceX отключить автоматическую систему защиты от столкновения, чтобы иметь возможность совершить маневр уклонения, не беспокоясь о возможном движении Starlink.
Поэтому усилий отдельных людей недостаточно. Для того чтобы справиться с переполненностью интересующих нас орбит, необходимо коллективное осознание и, следовательно, скоординированные усилия всех игроков в этом секторе. Только так можно гарантировать доступ к космосу в ближайшие годы.