На момент середины 2023 года вокруг Земли вращается примерно 25000 искусственных спутников. В это число входят и действующие аппараты, и вышедшие из строя, и ступени выведения ракет-носителей, и различные обломки (таких большинство). Все эти спутники движутся по разным орбитам плотным слоем окутывая околоземное космическое пространство. Так почему же при такой «плотности» они не сталкиваются друг с другом?
Видимая на картинке «плотность» является визуальным искажением. В области низких орбит (высотой до 2000 км) объем пространства составляет порядка 1012 км3. А характерные физические размеры спутников – это метры. Например, Глонасс 2.71 х 3.05 х 2.71 метров, Starlink 3.2 х 1.6 х 0.2 метров. В совокупности все спутники занимают (грубо говоря) меньше 1 км3. Шанс столкновения чертовски мал.
Тем не менее, игнорировать вероятность столкновения нельзя. Во-первых, спутники не «висят» в космосе, а находятся в постоянном движении вокруг Земли. Во-вторых, орбиты спутников распределены хоть и не равномерно, но и не хаотично. Орбитальные параметры запускаемого аппарата (группы аппаратов) определяются исходя из целей миссии. Например, наклонение орбиты большей части группировки спутников Starlink составляет 53 градуса, чтобы гарантированно покрывать территорию США (за исключением Аляски). Взаимное расположение плоскостей орбит и количество спутников на одной орбите подобраны так, чтобы в небе над каждой точкой покрываемой территории находилось одновременно несколько аппаратов. Высота орбиты выбрана достаточно большой, чтобы минимизировать атмосферное торможение, и, одновременно, достаточно низкой, чтобы минимизировать расстояние до наземной приёмной станции.
Спутники, которые получают изображения земной поверхности, как правило располагаются на солнечно-синхронной орбите. Это особый тип орбиты. Спутник на ней проходит над любой точкой земной поверхности примерно в одно и то же местное солнечное время. Освещенность поверхности всегда будет примерно одинаковой. Такой эффект возможен лишь при определённом соотношении высоты и наклонения орбиты.
Критериев для выбора параметров орбиты много. Описанные выше приведены лишь для примера. Но из этого можно сделать важный вывод. Орбит с близкими значениями высоты и наклонения много. С увеличением количества запусков их число будет только расти. Это приводит к увеличению количества «пересечений» орбит. В расчете траектории движения всегда присутствует погрешность. Так происходит из-за того, что на спутник постоянно воздействует атмосферное торможение, солнечный ветер и т.д. Невозможно с идеальной точностью просчитать положение космического объекта в пространстве. Поэтому это именно область, а не точка. Формально, в случае круговых орбит, таких «пересечений» будет два (каждые пол витка). Но, так как такие орбиты не идеальный круг, а всё-таки немного эллипс, то расстояние при втором «пересечении» может быть выше порогового.
Чем так опасно столкновение в космосе?
Помимо очевидного выхода аппарата из строя, в результате образуется большое количество обломков. Так как каждое тело на орбите Земли движется со скоростью выше первой космической, то, итоговая скорость сближения варьируется от ~1.3 км/с (при угле между векторами скорости в 10 градусов) до ~15 км/с при «лобовом» столкновении. (Для сравнения, начальная скорость пули автомата Калашникова ~0.7 км/с.) На таких скоростях даже обыкновенная гайка обладает достаточной кинетической энергией, чтобы «прошить насквозь» корпус космического аппарата. При столкновении более габаритных объектов появляются десятки/сотни осколков. Здесь и далее речь идёт о достаточно крупных (для отслеживания с Земли) осколках размером более 10 см. Ситуация усугубляется тем, что эти обломки остаются в космическом пространстве. Конечно, со временем, в результате постепенного торможения о разреженную атмосферу высота орбиты будет снижаться, пока, наконец, обломок не опустится в плотные слои атмосферы, где и сгорит. Вот только время «падения» нелинейно зависит от высоты. И процесс схода может занять сотни и тысячи лет. Кроме того, в результате прецессии орбиты обломки будут «расползаться» из одной плоскости, со временем «окутывая Землю в клубок».
10 февраля 2009 года столкнулись российский военный (официально нерабочий) и американский коммерческий спутники. На пике количество образовавшихся обломков превышало две тысячи. На момент середины 2023 года их осталось 1066 штук.
За время космической эры (от момента запуска первого искусственного спутника) произошло достаточно много событий, приведших к образованию космического мусора. Кроме непосредственно столкновений, обломки могут появляться в результате взрыва остатков топлива в ступени ракеты-носителя или после испытания противоспутникового оружия.
Сколько же всего рукотворного мусора в космосе?
Точного ответа не знает никто. Если выше речь шла о достаточно крупных обломках, которые можно отследить с Земли с помощью радаров и телескопов, то количество более мелких (меньше 10 см.) элементов можно лишь оценить по косвенным критериям. Разные заинтересованные агентства руководствуются различными исходными параметрами при моделировании космического мусора. Поэтому и оценки от НАСА и от ЕКА получаются несколько отличающиеся друг от друга.
В результате столкновения/взрыва в космосе образовавшиеся обломки могут стать участниками нового столкновения, которое породит новые обломки и так далее. Такая цепная реакция именуется синдромом Кесслера. Начало такого каскадного эффекта прогнозировали на 2000 год. Но даже сегодня мы не наблюдаем десятки столкновений ежедневно. Ничего похожего на события из фильма «Гравитация». Существует мнение, что эффект уже начался, просто пока не сильно заметен. Например, у НАСА есть математическая модель эволюционирования облака обломков. В зависимости от настроек модели количество мусора растёт разными темпами. Но все равно требуются десятилетия, чтобы увеличить количество обломков в разы.
Как это соотносятся с наблюдаемой действительностью?
Столкновение спутника с обломком не обязательно приводит к полному разрушению. Всё может ограничиться выходом из строя отдельного прибора или потерей связи. Сообщения о потере связи и управляемости спутником публикуются регулярно. А узнать, что послужило причиной: брак при изготовлении, вспышка на солнце или космический мусор – дистанционно не представляется возможным. Чем ниже высота, тем меньший размер мусора может засечь радар. Большинство действующих спутников оснащено системой маневрирования. От известных угроз проще уклоняться.
Последнее на сегодня столкновение двух крупных объектов случилось в 2009 году (14 лет назад). Тогда размер отслеживаемого каталога составлял 15 тысяч объектов против сегодняшних 25. До Starlink оставалось десять лет.
Закроется ли космос насовсем?
Конечно нет. Даже если рассматривать реализацию самого негативного сценария, когда противоборствующие страны будут пытаться активно сбивать спутники друг друга. Сильно возрастут риски для крупногабаритных спутников на низкой орбите, это да. Но останется геостационарная орбита, останутся навигационные спутниковые системы. С развитием технологий, с миниатюризацией компонентов , с удешевлением стоимости вывода на орбиту потеря части спутников будет просто закладываться в издержки. Пострадает индустрия спутниковых снимков и пилотируемая космонавтика в виде обитаемых станций. Но не исчезнет совсем. Просто станет более рискованной.
Выводы
- Околоземное космическое пространство слишком объемно, чтобы в нём образовалась непроходимая завеса из космического мусора.
- Существуют орбиты с определённым соотношением высоты и наклонения, на которых плотность мусора выше.
- Столкновение или взрыв габаритного спутника может породить сотни и даже тысячи новых обломков.
- В ближнем космосе около полумиллиона объектов размером от 1 до 10 см. Их сложно отслеживать, но они представляют опасность.
- Столкновения порождают обломки, которые могут привести к новым столкновениям, создав каскадный эффект.
- На текущий момент должны происходить единицы столкновений в год. Этого недостаточно для запуска лавинообразной реакции.
По материалам Хабр