Предложен способ спасти спутники от лавины космического мусора

Количество космического мусора на орбите будет расти лавинообразно, если только человечество не проведёт в космосе генеральную уборку. Как спутники будут выживать в этом хаосе?

Учёные из Аризонского университета предложили свой ответ в препринте научной статьи, опубликованном на сайте arXiv.org.

Как уточняет NASA, на сегодняшний день просторы Вселенной бороздят около 500 тысяч фрагментов мусора размером в несколько сантиметров и более 100 миллионов объектов ‒ менее миллиметра в поперечнике.

На низкой околоземной орбите (до 2000 километров над Землёй) их скорость достигает 36 тысяч километров в час. Из-за этого даже крошечный кусочек металла превращается в убийственный снаряд.

Если такое "пушечное ядро" сталкивается с крупным объектом (например, с неработающим спутником), оно может оторвать от него отдельные детали, которые пополнят запасы космического мусора и в свою очередь превратятся в новое "оружие". Из-за этого количество мусора на орбите может расти как снежный ком.

Орбитальные отходы уже наносили ущерб действующим космическим аппаратам. Так, 10 февраля 2009 года действующий спутник связи "Иридиум-33" (США) был уничтожен столкновением с аппаратом "Космос-2251", запущенным СССР в 1960-х годах.

Ситуация становится ещё более напряжённой в свете проектов по запуску огромных роёв микроспутников. Так, 2 сентября 2019 года Европейское космическое агентство было вынуждено изменить орбиту спутника дистанционного зондирования Земли Aeolus, чтобы избежать столкновения с одним из 60 аппаратов Starlink, запущенных в мае компанией SpaceX.

Авторы нового исследования проанализировали несколько возможных стратегий выживания в замусоренном космосе.

Так, они оценили эффективность щитов Уипла. Эта технология давно используется для защиты космических аппаратов от микрометеоритов и небольших фрагментов мусора.

Речь идёт о тонкой оболочке, которая окружает основную стенку спутника на некотором расстоянии от неё. Когда в такую броню врезается "снаряд", он разбивается на множество мелких обломков, летящих под разными углами. В результате вместо одного сокрушительного удара миссия испытывает несколько неопасных попаданий в разных местах.

Однако, по расчётам авторов новой работы, подобная стратегия эффективна лишь против фрагментов космического мусора размером не более сантиметра.

При этом артефакты величиной в пять сантиметров и более могут быть отслежены земными радарами. Так что эксперты предлагают наблюдать за ними непрерывно и в случае необходимости давать зонду команду на коррекцию траектории.

Остаётся вопрос, что делать с объектами размером более одного сантиметра, но менее пяти. Они невидимы для земных локаторов, и вместе с тем от них не спасают щиты Уипла.

Специалисты рассчитали, что инфракрасная камера поможет спутнику самостоятельно обнаружить подобную опасность на расстоянии десятков километров.

Однако такая дистанция даёт аппарату лишь несколько секунд на спасение. Поэтому человечеству придётся оснащать спутники быстродействующими надёжными двигателями с высокой тягой.

На эту роль хорошо подойдут твердотопливные двигатели, способные включиться за доли секунды. Однако они, как правило, одноразовые. В качестве многоразовой альтернативы можно использовать как топливо твёрдые гели. Ещё одно возможное решение состоит в том, чтобы снабдить аппарат целым набором одноразовых двигателей.

Для проверки своих идей авторы предлагают запустить кубсат, состоящий из трёх кубических блоков с ребром в десять сантиметров. В такие габариты уместятся 16 твердотопливных двигателей, инфракрасная камера и керамический щит Уиппла, прозрачный для инфракрасных лучей. Наблюдения за кубсатом помогут понять, насколько эффективны выбранные стратегии защиты от космического мусора.