«Пробки» на орбите

Не вредят ли такие потоки искусственным спутникам, в том числе и казахстанским, которые сейчас работают на орбите Земли? На этот и другие вопросы мы попросили ответить ведущего научного сотрудника Астрофизического института им. В. Фесенкова, завсектором наблюдений искусственных спутников Земли и информационных систем Александра Серебрянского.

– Александр Владимирович, как известно, каждый год в конце апреля Земля проходит сквозь шлейф пыли, образованный хвостом кометы Тэтчер, но аст­рономы называют этот метеорный поток не в честь кометы, а по тому созвездию, в котором расположена область вылета метеоров. Радиант апрельского потока лежит ближе к созвез­дию Лиры, поэтому и сам поток называется Лириды, в нем есть как мелкие пылевые частицы, так и более крупные включения. Представляет ли это опасность для орбитальных спутников, ведь метеоры движутся с большой скоростью – порядка 49–50 километров в секунду?

– Подобные явления называются «космической погодой», и наш институт совместно с Институтом ионосферы проводят исследования, как раз и направленные в том числе на отслеживание этой «погоды» и ее возможного влияния на спутники.

Действительно, столкновение метеоритов со спутниками потенциально представляет угрозу, и уже есть несколько таких примеров. Скажем, это обнаружение повреж­дений на манипуляторе Международной космической станции, а также недавнее повреждение российского аппарата. К сожалению, точно предсказать такие события не представляется возможным. Правда, столкновения с метеоритом, способные полностью вывести спутник из работы или разрушить его, довольно редки. На моей памяти такого еще не было, а вот воздействие на спутники мелких частичек, пылинок происходит постоянно. Они, как наждачная бумага, царапают поверхность солнечных панелей, защитные и теплоизоляционные пленки аппаратов, что в конечном счете приводит к снижению сроков службы спутников. Для предотвращения такого воздействия используются специальные экраны, разрабатываются новые материалы. Такие задачи в освоении космоса всегда были стимулом для развития новых технологий, которые в итоге возвращаются на Землю и используются в нашей повседневной жизни.

– А повышенная солнечная активность, которая также фиксируется, не мешает работать космическим аппаратам?

– Радиационная и геомагнитная обстановка в околоземном космическом пространстве, связанная с активностью нашего Солнца, оказывает большое влияние на спутники. Потоки излучения и заряженные частицы солнечного ветра негативно воздействуют на электронику и материалы аппаратов. Это приводит к сбою и даже полной потере спутников. Чтобы этого не допустить, необходимо не только проведение соответствующих исследований, но и разработка на их основе механизмов защиты и новых материалов. Задача эта нелегкая и небыстрая, но результат того стоит, так как в конечном счете это позволит сберечь аппараты, продлить их жизнь, обезопасить ближний космос.

– Во время наблюдений за спутниками фиксировались ли нештатные ситуации? Если да, расскажите о них, пожалуйста.

– Мы каждый день анализируем обновленные каталоги объектов в околоземном космическом пространстве на предмет возможных опасных сближений аппаратов. Сейчас нас интересует геостационарная область, но в дальнейшем мы планируем расширить такие исследования на все орбиты.

Особое внимание, конечно, уделяем событиям, связанными с нашими «КазСат». Пока, к счастью, нештатных ситуаций с ними не фиксировалось, но бывали случаи, когда в поле наблюдения оказывались не два и даже не три, а сразу четыре, пять аппаратов.

– Другими словами, на космических орбитах стало тесно?

– Да, это так. Были еще «пропажи» аппаратов, когда, например, мы отслеживаем объект, а он вдруг на следующую ночь не обнаруживается там, где мы его ожидали увидеть. Это происходит из-за маневров в дневное время, когда мы не можем отслеживать объект, что также говорит о бурной деятельности на орбитах, возможно, это была отработка технологий захвата аппаратов или максимально близкого контролируемого сближения. Наши наземные средства не безграничны в своих возможностях, и с расстояния в 40 тысяч километров сложно разделить два объекта, которые расположены на удалении 150–200 метров друг от друга.

– Сколько сейчас спутников на орбите? Какие из них преобладают? Например, изучающие далекий космос, имеющие прикладной характер, типа спутников связи, или военные?

– Сейчас на околоземной орбите находятся порядка 30 000 объектов, но не все они являются функционирующими. Из числа работающих аппаратов, конечно, преобладают телекоммуникационные. Причем их количество значительно вырос­ло за последние годы благодаря запускам целых флотилий, таких как StarLink, например. В основном же на околоземных орбитах пре­обладает так называемый космический мусор.

– Мы об этом еще поговорим, а пока такой вопрос: какие страны лидируют в запуске спутников?

– Лидерами по запускам аппаратов в космос являются США, Китай, Великобритания и Российская Федерация. Скажем, Со­единенные Штаты в год выводят на орбиту порядка двух тысяч спутников.

– А когда был запущен последний казахстанский спутник? Сколько их сейчас и чем занимаются наши спутники? Можете ли Вы что-либо рассказать о меж­дународном сотрудничестве в этой сфере?

– Последний запуск казах­станских спутников состоялся 3 декаб­ря 2018 года. Тогда были запущены аппараты KazSTSAT, Al-Farabi-2, KazSciSat-1 на орбиты до 600 километров ракетоносителем Falcon-9. В частности, аппарат KazSciSat-1 измеряет магнитное поле Земли, Al-Farabi-2 был создан студентами
КазНУ имени аль-Фараби, а KazSTSAT осуществляет дистанционное наблюдение поверхности Земли с разрешением 22 мет­ра в разных диапазонах длин волн.

Кроме того, у Казахстана есть телекоммуникационные аппараты KazSat-1 (запущен 17 июня 2006 года, в настоящее время не функционирует), KazSat-2 (запущен 15 июля 2011 года) и KazSat-3 (запущен 28 апреля 2014 года). Все три аппарата находятся на гео­стационарных орбитах, то есть на расстоянии порядка 36 тысяч километров от поверхности Земли.

Еще есть аппараты Al-Farabi-1 (запущен 15 февраля 2017 года) и два аппарата серии KazEOSat (1 и 2, запущены соответственно 30 апреля и 19 июня 2014 года). Таким образом, сейчас у Казахстана на околоземной орбите находятся девять аппаратов.

Что касается международного сотрудничества, то стоит отметить, что аппараты серии KazSTSAT соз­даются совместно казахстанскими инженерами, специалистами Великобритании и Франции.

– Кстати, Александр Владимирович, скажите, как повлияли события последних лет, в частности пандемия коронавируса и резкое обострение международной обстановки, на проблемы освоения космоса, в том числе на создание и запуск космических спутников? Ведь это занятие недешевое.

– Статистика показывает, что количество запусков не уменьшилось. Наоборот, наблюдается значительный рост запусков аппаратов на низкие орбиты. И кстати, стоимость запусков неуклонно падает. Например, если вывод на орбиту тяжелых спутников в 80-х годах стоил порядка 60–70 тысяч долларов за кило­грамм груза (программа Space Shuttle), то в 2019–2020 годах Falcon Heavy делал это уже за 2 тысячи долларов за килограмм! Этот факт как раз и позволяет все большему числу частных компаний, а не государственным учреждениям, включаться в гонку за предоставление услуг вывода аппаратов на орбиты. Наиболее яркий такой пример – компания SpaceX, но существуют и другие.

– Как известно, сейчас в мире стремительно меняются компьютерные технологии. А как меняются спутники? Созданы ли «умные» аппараты, снабженные своего рода искусственным интеллектом, способные сами решать возникающие проблемы? Или спутники надо только «водить за руку»?

– Конечно же, технологический прогресс в первую очередь затрагивает аэрокосмическую область. Это всегда была наиболее технологичес­ки развитая сфера деятельности. Что же касается спутников, то они становятся компактнее. Появились такие классы аппаратов, как мини- и наноспутники. Кроме того, на спутниках дистанционного зондирования Земли применяются новые математические методы анализа изображения, включая элементы машинного обучения и нейросети.

Поддержание работоспособности созвездий аппаратов, таких как StarLink, например, осуществляется в большей степени способностью каждого из них самостоятельно принимать решения по уклонению от других объектов, поддерживать связь со своими «сородичами», оптимизируя работу всей системы, и другие функции. Разумеется, это касается и межпланетных миссий. К примеру, роверы, передвигающиеся искусственные аппараты, на Марсе также интенсивно используют современные методы машинного обучения, выбирая наиболее оптимальные пути достижения поставленной цели, обходя пре­грады во время своего движения. Более того, методы машинного обучения интенсивно используются еще на этапе разработки аппаратов и миссий в целом, позволяя заранее спрогнозировать возможные отказы оборудования или опасные ситуации.

– А теперь давайте вернемся к проблеме космического мусора. Правда ли, что вокруг Земли возник своего рода искусственно созданный пояс из спутников, который уже сейчас создает сложности для запуска космических аппаратов, нацеленных на изучение глубин космоса?

– Да, количество объектов искусственного происхождения в околоземном космическом пространстве, и в особенности на низких орбитах, так сильно возросло за последние несколько лет, что астрономы столкнулись с проблемой влияния этих аппаратов на исследование космоса. Дело в том, что объекты исследований у астрофизиков находятся на пределе возможностей современных, даже самых крупных телескопов. По этой причине наблюдатели часами следят за одним и тем же объектом или областью неба, накапливая сигнал. И бывает, что в этот самый момент в поле зрения может оказаться довольно яркий спутник, испортив тем самым целые часы ценных наблюдений.

К сожалению, это стало довольно распространенным явлением. Не случайно проблема плотной «заселенности» околоземной орбиты обсуж­далась в Меж­дународном аст­рономическом союзе, по этому вопросу были публикации и в самом уважае­мом научном сообществе журнале Nature, где говорилось о том, что искусственные спутники начинают уже мешать не только наблюдателям с поверх­ности Земли, но и телескопу Хабл.

– Может ли возникнуть своего рода «час икс», когда орбиты будут так переполнены искусственными аппаратами, что появится реальная угроза «эффекта домино»?

– Сейчас это, пожалуй, самая главная проблема. Этот эффект известен как синдром Кесслера. Еще в 1978 году ученый из НАСА Дональд Кесслер описал худший сценарий, связанный с космическим мусором. Если насыщение этим мусором околоземного пространства достигнет критической стадии, может начаться цепная реакция по типу «эффекта домино»: сталкиваясь друг с другом, обломки порождают новые обломки. Каскад столкновений и разлет осколков уничтожат большую часть спутников и сделают околоземное пространство не пригодным для навигации на многие годы. Роковая черта – 2055  год, когда «рож­даемость» мусора превысит его «смертность».

– Насколько я знаю, в Голливуде был даже снят фильм-катастрофа на эту тему «Гравитация» о том, что россия­не уничтожают собственный искусственный спутник, обломки которого разлетаются во все стороны, сталкиваются с другими обломками…. Все это несется в пространстве с огромной скоростью, дырявя американский шаттл и в клочки разнося международную космическую станцию. Другими словами, очередной космический армагеддон.

– К сожалению, сценарий Кесслера становится все более вероятным. В наших исследованиях, опубликованных в ряде статей, мы тоже о нем говорим и приводим свои оценки вероятности столкновений. В частности, если в 2012 году опас­ные сближения с отдельно взятым спутником происходили раз в 12 лет, то уже к 2030 году они будут случаться раз в 3 года!

Но проблема заключается не в только в том, что синдром Кесслера может привести к многомиллиард­ным потерям из-за разрушения космических аппаратов, но и в том, что большой рост осколков и их выживаемость в условиях безвоз­душного пространства действительно не позволят нам интенсивно осваивать космос на протяжении десятилетий, а современная цивилизация уже немыслима без космических технологий.

– Но проблема утилизации космического мусора как-то решается?

– Нет, хотя в этом направлении идут интенсивные работы. Дело в том, что утилизация космического мусора – многопараметрическая задача, она зависит от того, какие орбиты мы рассматриваем, какие аппараты. На низких орбитах, где сейчас максимальное количество объектов, космический мусор остается недолго: из-за трения с атмо­сферой Земли (а на таких высотах она хоть и сильно разряжена, но все же присутствует) аппарат сходит с орбиты и сгорает в плотных слоях атмосферы.

Тем не менее проблема здесь остается из-за большого количества объектов и больших скоростей (порядка 10–15 км⁄сек!). То есть, с одной стороны, орбиты быстро самоочищаются, а с другой – даже маленькие фрагменты мусора, порядка сантиметра, представляют существенную угрозу. Причем таких маленьких обломков значительно больше, чем крупных.

Если же говорить о более высоких орбитах, где относительные скорости меньше (на гео­стационарной орбите это порядка 5 км⁄сек), то там угрозу представляют объекты более крупные, размером в 10 сантиметров, где их хоть и меньше, но время жизни намного больше, поэтому они накапливаются. Орбиты там не самоочищаются так эффективно, так как атмосферы Земли уже практически нет. Кроме того, на больших расстояниях фрагменты менее 10 сантиметров очень сложно отслеживать, нужны телескопы большой апертуры, а поскольку фрагментов много, понятно, что практически не представляется возможным все это контролировать.

Поэтому работа по избавлению от космического мусора начинается еще на Земле, до того, как аппарат выведен на орбиту. Инженеры детально рассматривают все конструктивные особенности аппарата, состав его компонентов, материалы и так далее, минимизируя риски образования обломков. Специалисты просчитывают механизм вывода аппарата и его разгонных блоков (ступеней) на орбиту захоронения при завершении сроков эксплуатации или окончании своей миссии.

– Поясните, что такое орбита захоронения?

– Орбитой захоронения считается высота, на 200 километров превышающая высоту геостационарной орбиты. Надо отметить, что проблема засорения околоземного пространства космическим мусором возникла сразу после запусков первых искусственных спутников Земли, еще в конце 50-х годов. Но официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 года, где было особо отмечено, что эта проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение общего космоса, что одинаково негативно влияет на все страны. И сейчас государства, входящие в Европейское космическое агентство, приняли соглашение о том, что все космические аппараты обязаны иметь системы самоуничтожения – при выходе из строя они должны автоматически сходить с орбиты и сгорать в плотных слоях атмосферы.

Сейчас ведется постоянный международный мониторинг космического мусора, все обнаруженные объекты заносятся в единый каталог, который издает американское агентство NORAD. Кстати, первый казахстанский спутник связи, запущенный в октябре 2006 года, в августе 2009-го тоже был переведен на орбиту захоронения.

Самым крупным космическим мусором признана орбитальная станция «Мир», которая была затоплена в Тихом океане 23 марта 2001 года. По оценкам специалистов, станция потеряла не более 15% от своего веса во время прохож­дения плотных слоев атмосферы, а это значит, что на океа­ническом дне покоится махина весом свыше 100 тонн!

– Говорят, среди хлама, заполняющего околоземное пространство, есть и довольно неожиданные вещи. Например, перчатка первого американца Эда Уайта, вышедшего в открытый космос, а также фотоаппараты, плоскогубцы, гаечный ключ, зубная щетка, ящик с инструментами и мусорные мешки, выбрасывавшиеся со станции «Мир» на протяжении более 10 лет.

– Поэтому в наши дни несколько коммерческих компаний и ряд государственных учреждений в разных странах приступили к разработке «мусоросборщиков». Каждая из них предлагает свое решение проблемы: кто-то отрабатывает технологии вывода с орбиты мусора, воздействуя на малые фрагменты лазером (метод эффективен для низкоорбитальных объектов), другие разрабатывают что-то наподобие рыбацких сетей для отлова фрагментов, третьи нацелены на захват больших фрагментов и целых аппаратов манипуляторами.

– Есть ли альтернатива околоземным спутникам? Или их с каждым годом будет становиться все больше, как машин на наших дорогах?

– Как астрофизик скажу, что кроме выхода человека в космос другой альтернативы нет, ведь космос поз­воляет нам эффективно решать огромное количество задач. Тут ключевое слово – «эффективно». Ну как иначе в режиме фактически онлайн отследить метеорологическую обстановку сразу на всем пространстве нашей страны? Или как проследить условия для сельхозработ на больших просторах, определить уровень созревания культур, достаточности воды, удобрений и прочее? Все это позволяют сделать несколько аппаратов дистанционного зондирования Земли.

А с помощью сверхточных аппаратов позиционирования определяются подвижки земной коры, появляется возможность прогнозирования катастроф, разрушения платин и так далее. Кроме того, спутники помогают разведывать новые месторождения полезных ископаемых. Я уже не говорю о возможности предоставить связь в самых удаленных и труднодоступных областях на Земле. Для Казахстана, учитывая его площадь, это очень актуально.

Не стоит забывать и о задачах поддержания обороноспособности страны. И такое количество задач растет, поэтому интенсивность освоения космоса будет только возрастать. Скорее всего, это приведет к значительному росту числа аппаратов и, как следствие, к пересмот­ру всего комплекса обеспечения безопасности и правил поведения на космических «дорогах».

Уже сейчас на уровне Организации Объединенных Наций ведутся работы по выработке таких правил. И Казахстан является активным участником таких обсуждений. С территории нашей страны осуществляются запуски спутников, что накладывает определенную ответственность по обеспечению безопасности «движения» в космосе. Это послужило одной из причин начала проекта по созданию системы космической осведомленности, и наш Астрофизический институт планирует дальнейшее развитие этого направления с интеграцией в международные программы по обеспечению безопасного использования космического пространства в мирных целях.