Первый искусственный спутник Земли был запущен в космос 4 октября 1957 года. С того времени было совершено более 4600 запусков, в результате которых у Земли появилось около 6000 спутников, при этом подавляющее большинство из них было выведено на геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit) и низкостационарные (LEO - Low Earth Orbit) околоземные орбиты. Несмотря на такое большое количество запущенных спутников, реально сегодня их эксплуатируется не больше тысячи. Но где же находятся остальные?

Ссылка в тему: Пробки в космосе.

Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км. А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше - около 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля - несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера - миллионы. Причины разрушения спутников самые разные – самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения. Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли.

Примерно вот так выглядит космический мусор на околоземных орбитах. Художник специально для Европейского Космического Агентства (ESA) нарисовал эти рисунки. Вы можете рассмотреть их в хорошем разрешении на сайте Агентства. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Космический мусор на LEO-орбитах. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Самые низкие освоенные человеком орбиты используются аппаратами съемки поверхности Земли, метеонаблюдения и связи, пилотируемыми кораблями и станциями. Они летают на высотах от 300 до 2000 тысяч километров. Именно здесь находится примерно 70% космического мусора и его концентрация на самых «заселенных» высотах - от 900 до 1500 километров – достигла такой величины, что даже если сейчас прекратить все новые запуски спутников, то примерно с 2055 года количество вновь образующихся объектов мусора начнет превышать его убыль (так называемое «самоочищение»).

Космический мусор на LEO-орбитах. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

А вот на орбитах, расположенных в диапазонах от 2 до 6 и от 12 до 19 тысяч километров космических аппаратов практически нет, поскольку здесь расположены слои высокой радиации (радиационные пояса Земли). Находиться в аппаратах на этих орбитах теоретически можно и долгое время, но для этого их нужно защитить свинцовыми плитами – а ведь их тоже нужно как-то туда доставить, что трудно и дорого, а, значит, коммерчески необоснованно. А вот область высот между 6 и 12 тысячами километров потихоньку начинает «заселяться» - правда, спутники связи туда только-только начинают запускать.

Вид LEO-орбит при рассмотрении над Северным полюсом. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Вид LEO-орбит при рассмотрении над экватором. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Геостационарное кольцо. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Выше 22 тысяч км над Землей располагается «незаселенная» область космического пространства вплоть до орбит геостационарных спутников на высоте 32 000 - 40000 километров. На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты. Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наши спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.

Моделирование взрыва на GEO-орбите. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Что же происходит в космосе после взрыва? Геостационарный спутник имеет скорость порядка 11 км/сек. При скоростях выше этого порога (третья космическая скорость) космический мусор мог бы преодолеть земное притяжение и улететь с орбиты. Но топливный бак и персональный двигатель к каждой частичке космического мусора не прикрепить, поэтому он остается на орбите, вращается вокруг Земли и множится, множится, множится.

Моделирование взрыва на GEO-орбите. На второй день после взрыва. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Сейчас на геостационарной орбите число работающих станций – примерно 350. Все они со временем превратятся в космический мусор, как превратились накопившиеся там бывшие в употреблении порядка тысячи старых объектов, размер которых больше 0,5 метра в поперечном сечении. Мелкого мусора, понятно, еще больше, но обнаруживать их труднее, хотя существует целая международная система слежения и за этими объектами.

Притяжение земли и центробежные силы влияют на геостационарные спутники. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Преимущества движения спутников по GEO орбитам очевидны. Но есть и недостатки, и один из них - большое расстояние между спутником и земной поверхностью. Но достаточная мощность или достаточно большая антенна, тем не менее, позволяют преодолеть это ограничение. Более серьезное ограничение связано с тем, что имеется только одна геостационарная орбита, представляет более серьезное ограничение, значит, ограниченное количество мест, в которые геостационарные спутники могут быть помещены – это связано с тем, чтобы ограничить количество частот, предназначенных для связи, чтобы не было помех при приеме и передаче сигналов с разных спутников. Но есть некоторые силы, которые изменяют орбиты со временем. К примеру, поскольку геостационарная орбитальная плоскость не совпадает с плоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, гравитационное притяжение Солнца и Луны постепенно увеличивает орбитальное наклонение каждого спутника, чтобы переместить геостационарные спутники с их экваториальной орбиты.

Орбиты на высоте 19-22 тысячи километров от поверхности Земли. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Здесь находятся спутники навигационных систем России и США (Глонасс и Навстар), и постепенно разворачиваются системы такого же рода для Европы (Галилео) и Китая (Компас). Навигаторы нового поколения по сигналам КА этих систем нам позволяют ориентироваться на местности, именно они устанавливаются в автомобилях, в такси – их может приобрести любой желающий.

Чтобы уменьшить риск столкновения, геостационарные спутники по окончании их космической миссии должны быть удалены из зоны GEO. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Придать спутнику третью космическую скорость сегодня обходится в два раза дороже любого перемещения с одной GEO- орбиты на другую, и сегодня дополнительными двигателями оснащена примерно пятая часть космолетов. Чтобы осуществить такой подъем, нужно затратить столько топлива, сколько требуется спутнику на 3 месяца работы. Но можно «забрасывать» спутники не так далеко - подъем спутников на 300 км выше их рабочей орбиты позволяет перевести их на безопасное «кладбище», то есть орбита бы захламлялась, но сроки жизни работоспособных спутников продлевались бы и им реже требовалась бы замена, а, значит, пусть частично, но проблема мусора может решаться. Сегодня это единственная возможность сохранить уникальный ресурс GEO-орбит.

Спутник удален с GEO-орбиты. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Однако, этот маневр возможен в том случае, если не только хватает топлива , но и не происходят незапланированные отказы и неисправности, вроде отказа связи или неисправностей в электропитании.

Отклонение GEO-спутника от первоначальной орбиты. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Неидеальная, то есть некруговая форма земного экватора заставляет GEO-спутники медленно «стекать» к одной из двух точек устойчивого равновесия вдоль экватора, то есть к дрейфу назад и вперед относительно этих точек. Кроме того, долгосрочное влияние Солнца, Луны и Земли проявляется таким образом, что, если спутник израсходует топливо, постепенно орбитальная плоскость, на которой он будет вращаться вокруг Земли (хотя это происходит и не моментально) отклонится по отношению к первоначальной. По законам небесной механики плоскость орбиты прецессирует с периодом 52 года и амплитудой около 15°. А это означает угрозу другим геостационарным спутникам, поскольку дважды в день такой старый мусор будет пересекать их GEO-орбиту.

Корректировка орбиты спутника. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Но дрейфует не только космический мусор. Работающий спутник не может перемещаться строго по расчетной орбите. По тем же причинам, что и мусор, GEO спутник постоянно уходит с идеальной орбиты, и необходимо компенсировать этот уход посредством периодического включения корректирующих двигателей, толкающих спутники в направлении «север-юг» и «восток-запад». Если бы наземные службы этого не делали, то все они в направлении «восток-запад» тоже бы «стекли» в две естественные природные «впадины» (105° западной и 75° восточной долготы). Из-за таких маневров орбита GEO- спутников не круговая, а слегка эллиптическая, и расстояние от центра Земли до спутника колеблется в течение суток. Эти колебания довольно значительные – по 10-20 и больше километров вверх-вниз от идеальной орбиты. На одной такой эллиптической орбите может находиться теоретически несколько спутников, но чтобы они не столкнулись ими нужно управлять так, чтобы они все время находились в противоположных точках этой орбиты. На практике из-за неизбежных ошибок при выполнении маневров спутников и невозможности суперточно определить относительную орбиту, спутники двигаются все-таки не по одинаковым траекториям и не совсем в фазе «один напротив другого», и сейчас это обычно не больше шести спутников в одном таком вот «окне допуска».

Варианты того, как могут выглядеть GEO-орбиты к 2112 году. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Что будет, если космический мусор не «убирать» с GEO-орбит, уже понятно. Для LEO-высот самое страшное - это космический мусор, перетертый в пыль. Он может вращаться там тысячи лет, и, если такой пыли будет много, через неё эти тысячи лет нельзя будет пролететь. Поэтому убирать мусор на низких орбитах нужно сейчас, поскольку избавляться от крупных объектов – задача реальная, а избавиться от микропыли поможет только волшебник. По оценкам специалистов стоимость единицы такой «уборочной» техники обойдется раз в десять дороже, чем запуск одной ракеты-носителя типа «Протон». Даже если начинать их использовать сейчас, количество комического мусора к 2112 году увеличится, но, если всё пустить на самотек, и ничего не менять в космическом бизнесе, ситуация может стать неуправляемой.

Миссия «Уборка космоса». РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

Чтобы вновь запускаемые в космос спутники, и в том числе вот такой «уборщик» не стали сразу же новыми объектами космического мусора, уже сейчас ведется наблюдение, каталогизация летающих объектов на орбитах и моделирование ситуаций на разных высотах околоземного пространства с учетом прохождения Земли через многочисленные метеорные потоки, а также отслеживание наиболее опасных направлений прихода в околоземное пространство естественных космических объектов. Это сложная работа, требующая специальных техники и знаний. И всё же точность предсказаний таких ситуаций не может быть гарантировано высокой. Это связано с тем, что постоянно растет число пользователей космоса, появляются новые технологии, по которым для предсказаний пока просто не хватает статистики, это связано и с неопределенностью будущих взрывов и столкновений объектов на орбитах.

Процентное соотношение объектов на GEO-орбитах. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

По данным на декабрь 2004 года из 1124 известных объектов, находящихся на GEO-орбитах, 31% - это действующие спутники, 37 % - дрейфующие вокруг Земли объекты, 13% колеблются примерно около стабильно равновесных точек, 153 объекта по орбитам которых нет данных и 60 неидентифицированных (неопознанных) объектов.

Взрыв спутника. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

12 февраля этого года на высоте 800 км над Сибирью столкнулись российский спутник, выведенный на орбиту в 1993 году, контролируемый, но не функционирующий, и американский, запущенный в 1997 году, обеспечивающий связь компании «Моторола» (система «Иридиум»). «Мы никак не ожидали столкновения. Но невозможно отследить движение всех объектов на орбите, и этот инцидент еще раз говорит о необходимости тесного сотрудничества между странами по вопросам космоса», - заявил Пентагон, признав свою ошибку в расчетах траектории и уточнив, что это первый случай столкновения на орбите неповрежденных спутников.

Между тем, напомним, что в апреле 2005 года американцами в космос был выведен корабль «Dart», который должен был встретиться с отработавшим военным спутником «Mublcom», чтобы провести проверку метода автономной стыковки. Оба агрегата, кстати, были неповрежденными объектами. В результате компьютерной ошибки навигация аппаратов была проведена с ошибками, они столкнулись, стали объектами поврежденными и, как объясняли американцы, оба должны были сгореть при входе в плотные слои атмосферы без особых сложностей. Так или иначе, обе эти ситуации незапланированные, и гарантий, что такого больше не повторится, быть не может.

Проблем в космосе хватает и без этого. На сегодня зафиксировано почти 200 взрывов космических объектов, и, вполне возможно, что часть из них связана со столкновениями с фрагментами космического мусора. Проверить и доказать это не всегда просто. Наши астрономы за последние 10 лет зафиксировали более 1000 непрогнозируемых изменений скорости дрейфа, опять же часть из них может объясняться столкновением с мелкими фрагментами.

Задача утилизации космических отходов должна решаться. РАССМОТРИТЕ КАРТИНКУ.

В общем, как ни крути, тонны космического мусора – это реальная проблема. Как её решать в глобальном плане? Ученые стран, что-то делают уже сейчас, что-то придумывают на будущее. Главное, что всем ясно – это задача, дорогая, сложная, кстати, коммерчески выгодная, и всё же не та, решение которой можно отложить на послезавтра. Не стоит забывать, что несколько десятков спутников имеют на борту радиоактивные вещества. И уже сегодня известны два случая радиоактивного заражения поверхности Земли при падении таких аппаратов - в Антарктиде и Канаде.

Конечно, это не значит, что нужно закатывать глаза от страха и напряженно ждать, когда с нами произойдет что-то ужасное. Ученые нас пугают не только этим. Например, в статье «В 2012 году нас ждет Большой БУМ планеты Земля?» В. Берест поясняет суть двух теорий, появившихся не так давно и не имеющих статус официальных, но всё-таки созданным людьми весьма компетентными в своих областях - в физике и геологии - и задает вопрос: так ли беспочвенно волнение обывателей по поводу грустного прогноза календаря майя, если и серьезные специалисты считают, что во многом декабрь 2012 года может сделать проблему засорения космических орбит Земли в 2112 году несущественной по сравнению с той, что нам «светит»? Радует лишь то, что это только теории, которые никаких однозначных ответов на этот вопрос не дают, а лишь предсказывают события, которые могут произойти с определеной степенью вероятности -а это значит, что могут и не произойти. Так что не будем раньше времени переживать или опускать руки. Наоборот, закатаем рукава, и все, как один поймем, как это важно – не сорить в собственном доме, особенно, если этот дом - наша планета, такая хрупкая Земля.