Как МКС и другие спутники защищаются от космического мусора?

МКС и другие спутники защищаются от крупного мусора путем изменения орбит, а от более мелких угроз - используя защитные экраны от столкновений.

С тех пор как первый спутник был отправлен в космос, некоторые непредвиденные последствия угрожают сорвать освоение человеком космического пространства. Наиболее заметной из них является проблема космического мусора. Новые запускаемые спутники должны учитывать космический мусор в своих траекториях, чтобы предотвратить любые неудачи. Эти крошечные частицы движутся с чрезвычайно высокой скоростью - на несколько порядков быстрее, чем даже самые быстрые пули автомата.

Растущее число спутников, запускаемых в космос, приводит к увеличению количества космического мусора. Долгосрочные миссии, такие как Международная космическая станция (МКС), должны постоянно быть начеку, чтобы не допустить катастрофических столкновений.

Давайте посмотрим, какие меры были приняты на МКС и других спутниках для решения этой серьезной проблемы.

Угроза космического мусора

Космический мусор - это крошечные твердые массы, как искусственного, так и природного происхождения, которые находятся вблизи Земли на низкой околоземной орбите (НОО). Их размер варьируется от нескольких микрометров до десятков сантиметров в поперечнике.

По оценкам, на орбите Земли находится более 100 миллионов фрагментов мусора микрометрового размера, около 100 миллионов фрагментов размером 1 мм и более, 500 000 фрагментов размером с гальку (~ 1 см) и 23 000 фрагментов размером с мяч. Эти частицы движутся со скоростью 25266,7 км/ч и выше. Для сравнения, дульная скорость АК-47 составляет около 2555,6 км/ч, а диаметр пули - 7,62 мм. Таким образом, очевидно, что космический мусор представляет собой экзистенциальную угрозу для спутников и населяющих их людей.

Фактически, в 1978 году ученый НАСА Дональд Дж. Кесслер предсказал, что за критическим порогом концентрации мусора на НОО очередное столкновение вызовет каскадный эффект, в результате которого будет образовываться экспоненциально больше мусора, что приведет к полной неработоспособности НОО.

Защита от космического мусора

Невозможно защитить от космического мусора со 100% эффективностью, поскольку в космосе сотни миллионов таких фрагментов. Большинство из них слишком малы, чтобы их можно было отследить. НАСА отслеживает объекты размером 10 см и более, поскольку их больший размер позволяет измерять и контролировать их.

Существует три уровня угрозы, в зависимости от размера и скорости снаряда. Меры защиты варьируются от орбитального маневрирования для крупных объектов (размером более 10 см с высоким потенциалом угрозы) до щитов от столкновений, которые поглощают удар более мелких, менее опасных объектов (размером менее 1 см).

Орбитальное маневрирование

Орбитальное маневрирование - это преднамеренное изменение траектории спутника с целью избежать столкновения. Самый простой способ реализации этого - отключить ракетные ускорители, если они есть у спутника. Для МКС создается пространственная сетка 50 км на 50 км в космосе, в центре которой находится космический корабль. Объекты размером 10 см и более отслеживаются, а их траектория наносится на карту. Если объект попадает в пространственную сетку МКС, инициируется манёвр по уходу от мусора.

Рассчитывается вероятность столкновения. Если вероятность оказывается больше 1/100 000 (>0.00001), то начинается манёвр, но только если он не ставит под угрозу цели миссии. Если вероятность превышает 1/10,000 (>0.0001), то манёвр инициируется, если только манёвр не увеличивает угрозу для экипажа. Двигатели запускаются для придания космической станции кинетической энергии, достаточной для того, чтобы избежать объекта в ближнем космосе. Как только объект пролетит мимо, начинается возвращение на исходную орбиту.

Щит Уиппла

Как следует из названия, щит Уиппла - это физический барьер для защиты от столкновения мусора с объектом размером 1 см и менее. Щит носит имя своего изобретателя Фреда Уиппла. Это двухступенчатая система защиты. Первый - это бамперный щит из алюминиевого сплава толщиной 0,26 см, который выходит в открытый космос. Он поглощает основную часть любого столкновения, в результате чего объект разбивается на еще более мелкие части.

Вторая ступень - это сама стенка космического корабля, которая предназначена для того, чтобы выдержать любое столкновение от значительно ослабленных частиц. Между щитом-бампером и стенкой космического корабля есть некоторое пространство, называемое расстоянием противостояния, которое составляет 10,2 см.

Набивной щит Уиппла

Это простая модернизация предыдущей конструкции щита, где между внешним слоем и внутренней стенкой космического корабля вводится слой начинки. Внешний бампер представляет собой алюминиевый сплав толщиной 0,15 см. Расстояние между внешним бампером и начинкой составляет 5,1 см.

Набивка состоит из двух слоев: керамический слой, обращенный к внешнему щиту, за которым следует полимер с подходящими свойствами на растяжение, например, кевлар. За слоем набивки следует стенка космического корабля, снова разделенная 5,1 см. Наличие двух слоев перед стенкой космического корабля значительно снижает риск контакта с самим космическим кораблем, что является идеальным сценарием.

Сетчатый щит Уиппла

Как следует из названия, внешний слой этой конструкции состоит из алюминиевой сетки (очень тонкие перекрещивающиеся волокна алюминия), которая поглощает первоначальный удар и разбивает обломки на более мелкие частицы, которые затем останавливаются расположенным позади слоем начинки.

Защита от осколков состоит из многоступенчатой системы, предназначенной для воздействия на объекты в зависимости от их потенциала повреждения. Для крупных частиц (>10 см) наиболее подходящим способом действий является орбитальное маневрирование. Для частиц среднего размера порядок действий зависит от их обнаруживаемости.

Если они обнаружены достаточно рано, то в зависимости от вероятности столкновения и выполнения целей миссии начинается орбитальный манёвр. Если они не обнаружены, то они слишком малы, чтобы представлять смертельную угрозу для космического аппарата, поэтому используются щиты столкновения различной структуры, в зависимости от защищаемой области и вероятности столкновения на орбите.