Космические дворники: кто обеспечит безопасность околоземного пространства

Космические технологии играют все большую роль в повседневной жизни каждого человека: от них напрямую начинают зависеть здоровье, благосостояние, безопасность как отдельных жителей, так и целых стран, регионов. Становится очевидно: нужно сделать так, чтобы околоземное пространство оставалось безопасной средой для развития индустрии. Но число космических аппаратов и размер спутниковых группировок неизменно растут, причем нелинейно. Выработавшие свой ресурс КА остаются на перегруженных орбитах, создавая опасность столкновений и образования обломков. Тот ценный ресурс, которым является околоземное пространство, конечен, и рано или поздно человечество окажется неспособным его использовать.

Пространство конечно

В 2022 году на околоземную орбиту выведены 2409 новых объектов, и это больше, чем когда-либо прежде. Большинство из них – спутники коммерческих низкоорбитальных группировок. Ситуацию усугубляет тот факт, что для наиболее популярных приложений — связь и мониторинг земной поверхности — подходит достаточно узкий диапазон орбит. Из более чем 30 тыс. выявленных на сегодня фрагментов космического мусора размером более 10 см, более половины расположены ниже 2 тыс. км.

В это число не входят слишком малые для отслеживания объекты (более 1 см), однако они все равно могут нанести вред космическим аппаратам. По расчетам Европейского космического агентства (ЕКА), таких объектов на околоземной орбите не менее миллиона.

В руководящих принципах ЕКА по борьбе с космическим мусором говорится, что спутники должны покинуть защищенные орбиты в течение 25 лет после прекращения их использования. Но сегодня большинство из них этому условию не отвечают.

Согласно прогнозу организации, меры по борьбе с космическим мусором, реализуемые сейчас, не исправят положение. Довольно скоро (максимум, к 2200 г.) ситуация разовьется по самому неблагоприятному сценарию — к так называемому синдрому Кесслера, когда число обломков будет расти даже при отсутствии новых запусков. Для сохранения устойчивого околоземного пространства требуется сводить с орбиты все отработавшие срок спутники и не менее 90% верхних ступеней ракет-носителей. Это позволит остановить рост объема космического мусора. При этом нужно сводить с орбит и все те неуправляемые объекты, которые успели накопиться за 70 лет освоения космоса.

Механизмы сведения спутников с орбиты

Процесс очистки околоземного пространства может быть разным. В одном случае сервисный аппарат захватывает обслуживаемый спутник и переводит его на более низкую орбиту, откуда он уже сходит естественным путем и сгорает в атмосфере. Или наоборот: выводит его на более высокую, так называемую кладбищенскую орбиту.

Второй метод применяется к геостационарным (ГСО) спутникам. Для увода с орбиты используются различные тормозные устройства: классические тормозные двигатели, увеличивающие сопротивление аппарата паруса; захватывающие выбросы атмосферы тросы и ленты. Есть и проект аппарата-своеобразного "мусорного пакета", собирающего обломки в некоторого рода "сумку".

Типы захватов

• Механический

Механические захваты, различные роботизированные манипуляторы — старейшее и наиболее отработанное решение. Они могут быть созданы для какой-то одной задачи, например — стыковки с жидкостным апогейным двигателем ГСО-аппарата, как это было сделано на MEV-1. Также они могут быть универсальными, какие пытаются создать на своеобразных "чистильщиках" околоземного пространства. Чем более универсален манипулятор, тем он сложнее и, соответственно, дороже. Повышается в этом случае и вероятность отказа.

• Магнитный

Магнитный захват подразумевает гораздо меньшее количество движущихся частей, чем в механическом, что делает его дешевле и надежнее. Но эти плюсы нивелируются существенным минусом: магнитный захват требует наличия в конструкции ответной магнитной части. Т.е. он сможет работать только со специально оборудованными КА, а все объекты, которые сейчас находятся на низкой околоземной орбите (НОО), будут недоступны для этого.

• Сети

Этот способ был предложен для удаления обломков, с которыми невозможно состыковаться. Технология протестирована в рамках миссии RemoveDEBRIS. Главный минус — затрудненность маневрирования спутника с сетью после захвата обломков. Это может привести к следующим столкновениям.

• Гарпуны

Гарпун также был предложен в качестве механизма для улавливания неуправляемого космического мусора. Однако гарпун в случае неудачи может разрушить спутник-мишень и только увеличить количество обломков.

Нулевой мусор

Европейское космическое агентство намерено с 2030 г. вести свою деятельность так, чтобы не добавлять в околоземное пространство новые неуправляемые объекты.
В 2018 г. ЕКА опубликовало список собственного космического мусора и объявило тендер на спуск с орбиты какого-либо из фрагментов с демонстрацией технологии, применимой в широком масштабе.

• RemoveDebris

В рамках программы "нулевой мусор" ЕКА профинансировала проект RemoveDebris. Все его составляющие были доставлены на МКС, откуда уже и стартовала сама миссия. Исполнителем RemoveDEBRIS стал возглавляемый Airbus консорциум. Экспериментальный спутник спроектирован, построен, а также управлялся на орбите дочерней компанией Airbus — Surrey Satellite Technology Limited (SSTL). SSTL поставила платформу, на которой разместили свои системы Airbus, ArianeGroup, CSEM, Inria, ISIS, SSC и Стелленбосский университет.

В 2018 г. космический аппарат впервые выловил несколько космических обломков и продемонстрировал технологии удаления космического мусора. Были испытаны системы автономной навигации, обнаружения и сближения с космическими объектами (оптические и радиолокационные), а также захвата спутника-мишени сетью и увода его с орбиты с помощью надувания большого шара. Испытаны гарпун и тормозной парус.

• ELSA-d

Система ELSA-d (End-of-Life Services by Astroscale demonstration) — разработанная японским стартапом Astroscale технология, подразумевающая захват при помощи смонтированной на спутнике магнитной стыковочной пластины.

Astroscale на 2024 г. запланировала запуск первого коммерческого прототипа сервисного устройства "ELSA-M", способного свести с орбиты несколько спутников за одну миссию.

Круглая стыковочная пластина Astroscale будет диаметром 15 сантиметров, общий вес оборудования составляет менее 500 граммов. Компании Astroscale и Astro Digital (разработчик малых КА) заявили недавно, что первая стыковочная платформа будет в конце этого года установлена на некий спутник (который не был назван) для запуска в четвертом квартале 2024 года.

После демонстрации Astroscale предложит коммерческие услуги клиентам, которые эксплуатируют спутниковые группировки на НОО. Как планирует стартап, к 2030 г. обслуживание крупных группировок при помощи этой технологии станет рутинной операцией. Первым партнером программы стал OneWeb, чьи спутники находятся на орбите высотой 1200 км. Если на космическом аппарате выйдет из строя двигательная установка, или по каким-то причинам будет потеряно топливо, то со столь высокой орбиты он не сойдет естественным путем в течение положенных 25 лет.

Через месяц после того, как в октябре 2021 г. в рамках программы ELSA-d был успешно захвачен клиентский спутник, с компанией два контракта заключило и Космическое агентство Великобритании. Предполагается сведение двух космических аппаратов с низкой околоземной орбиты в 2025 г. В рамках этих контрактов два стартапа — швейцарский ClearSpace и японский Astroscale — получили чуть менее $1 млн на проведение технико-экономического обоснования миссии. Позднее, в сентябре 2022 г., эти же компании получили $4,28 млн уже на саму миссию.

В 2026 г. Astroscale планирует испытать роботизированную руку, способную перевести неуправляемый объект на более низкую орбиту, откуда он уже сойдет естественным путем, сгорев в атмосфере.

Clear Space

Этот стартап — дочернее предприятие Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Миссия ClearSpace-1 по захвату и удалению объектов с орбиты объявлена в качестве первого шага к созданию новой устойчивой и перспективной коммерческой космической экосистемы. В соответствии с контрактом с ЕКА стоимостью €110 млн ClearSpace попытается захватить, а затем контролируемо ввести в атмосферу сервисный аппарат и часть верхней ступени РН Vega массой чуть более 100 кг.

В мае 2023 г. ClearSpace подписала контракт с Arianespace на запуск своего аппарата, назначив миссию на вторую половину 2026 г. Также 14 ноября Intelsat и Clear Space заключили контракт на заправку спутников Intelsat топливом и продление их срока службы. Эта миссия запланирована на 2026 — 2028 гг.

Объявлены цены на уборку

В апреле американский стартап Kall Morris впервые озвучил цены на уборку космического мусора. На Космическом симпозиуме в США представитель компании раздал участникам 52 карточки, на каждой из которой был изображен принадлежащий США космический неуправляемый объект, его масса, дата запуска и номер по каталогу Командования воздушно-космической обороны США.
Например, цена уборки обломка от космического корабля NASA весом 2245 кг составила $62,5 млн.