ВВЕДЕНИЕ
С развитием космических технологий и увеличением числа запусков малых космических аппаратов (МКА), проблема засорения околоземного пространства становится всё более актуальной. По данным различных исследований, на орбите Земли находится более 20 000 объектов размером более 10 см, включая неработающие спутники и фрагменты космического мусора. Малые космические аппараты, хотя и имеют меньшие размеры, вносят значительный вклад в загрязнение околоземного пространства. Их несвоевременный увод с орбиты создаёт риски столкновений, угрожающих действующим миссиям и Международной космической станции.
Актуальность проблемы
Засорение околоземного пространства представляет собой угрозу для всех действующих космических аппаратов. Столкновения с космическим мусором могут привести к катастрофическим последствиям, включая потерю спутников и угрозу для жизни астронавтов. Кроме того, с каждым новым запуском количество объектов на орбите продолжает расти, что делает проблему ещё более актуальной. По оценкам, если не принять меры, количество объектов на орбите может вырасти до 50 000 к 2030 году. [1] Поэтому увод МКА с орбиты в конце их эксплуатации является важнейшей задачей для обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности.
2 Основные методы увода МКА с орбиты
2.1 Пассивные методы
2.1.1 Атмосферное торможение
Атмосферное торможение — это метод увода малых космических аппаратов (МКА) с орбиты, основанный на использовании сопротивления, создаваемого остаточной атмосферой, даже на относительно больших высотах. Несмотря на крайне низкую плотность атмосферы в околоземном пространстве, её воздействие на орбитальные объекты является значимым фактором, особенно для аппаратов, функционирующих на низких околоземных орбитах (НОО, или LEO — Low Earth Orbit).
Принцип работы заключается в том, что при движении спутника на орбите он сталкивается с разреженными частицами газов верхних слоёв атмосферы. Эти столкновения создают силу аэродинамического сопротивления, которая постепенно снижает орбитальную скорость аппарата. В результате высота орбиты уменьшается, и со временем спутник входит в более плотные слои атмосферы, где трение приводит к его интенсивному нагреву и последующему разрушению — сгоранию.
Метод особенно эффективен для аппаратов, работающих на высотах до 600–700 км, где плотность атмосферы, хотя и невелика, всё же достаточна для создания заметного тормозящего эффекта в течение разумных временных промежутков (от нескольких месяцев до нескольких лет). Например, спутники на высотах около 600 км могут быть успешно сведены с орбиты за счёт естественного атмосферного торможения без необходимости использования дополнительных двигательных установок или сложных механизмов.
Преимущества метода:
— отсутствие затрат на топливо и двигательные системы;
— экологическая безопасность - аппарат полностью уничтожается в атмосфере, не создавая долгосрочного космического мусора;
— простота реализации - не требует активного управления после завершения миссии.
Ограничения метода:
— эффективность сильно зависит от солнечной активности, которая влияет на плотность верхних слоёв атмосферы;
— не подходит для аппаратов на высоких орбитах (например, геостационарных), где атмосферное сопротивление пренебрежимо мало.
2.1.2 Солнечные паруса
Солнечные паруса представляют собой инновационный метод увода космических аппаратов с орбиты, основанный на использовании давления солнечного света для создания тяги и замедления аппарата. Этот метод включает развёртывание больших структур с высокой площадью поверхности, которые эффективно взаимодействуют с солнечным излучением.
Принцип работы заключается в том что, солнечные паруса используют эффект давления света, который возникает из-за фотонов, испускаемых Солнцем. Когда солнечные фотоны попадают на поверхность паруса, они передают свою импульсную силу, что позволяет аппарату медленно, но уверенно изменять свою траекторию движения. В отличие от традиционных двигательных систем, солнечные паруса не требуют топлива, что делает их экологически чистым и экономически выгодным решением.
Одним из первых успешных примеров использования солнечных парусов является миссия IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), запущенная Японским космическим агентством (JAXA) в 2010 году. IKAROS стал первым космическим аппаратом, который продемонстрировал возможность маневрирования с помощью солнечного паруса в межпланетном пространстве. На рисунке 1 представлена модель космического аппарата IKAROS.
Преимущества метода:
— экономия ресурсов. Не требует топлива, что снижает вес аппарата и затраты на запуск;
— экологическая безопасность. Минимизация воздействия на окружающую среду, так как нет выбросов и космического мусора;
— долгосрочное использование. Солнечные паруса могут работать в течение длительного времени, обеспечивая постоянное воздействие солнечного света.
Ограничения метода:
— зависимость от солнечной активности. Эффективность солнечных парусов может снижаться на больших расстояниях от Солнца, где интенсивность солнечного излучения уменьшается;
— влияние космической среды. Аэродинамическое сопротивление в атмосфере может быть недостаточно эффективным для аппаратов на низких орбитах, где солнечные паруса могут не давать ожидаемого эффекта.
2.1.3 Магнитные системы
Магнитные системы представляют собой метод увода космических аппаратов с орбиты, основанный на взаимодействии с магнитным полем Земли. Этот подход использует электромагнитные силы для создания тормозящего момента, который постепенно снижает орбитальную высоту аппарата.
Принцип работы заключается в том что, магнитные системы включают установку на борту спутника электромагнитов или постоянных магнитов, которые генерируют магнитное поле. При движении аппарата в магнитном поле Земли возникает сила Лоренца, создающая сопротивление и замедляющая его движение. Этот эффект особенно заметен на низких околоземных орбитах (НОО), где напряжённость магнитного поля достаточно высока.
Исследования, проведённые в рамках программ Европейского космического агентства (ESA), показали, что магнитные системы могут эффективно использоваться для контроля орбиты. Например, в экспериментальных миссиях демонстрировалась возможность снижения высоты орбиты без использования традиционных двигательных установок.
Преимущества метода:
— энергоэффективность. Для работы магнитных систем требуется относительно мало энергии, что делает их экономически выгодными;
— экологичность. Отсутствие выбросов и использования химического топлива снижает негативное воздействие на окружающую среду;
— гибкость применения. Магнитные системы могут комбинироваться с другими методами, такими как атмосферное торможение или солнечные паруса, для повышения эффективности.
Ограничения метода:
— зависимость от магнитного поля. Эффективность метода сильно зависит от напряжённости и конфигурации магнитного поля Земли, которая варьируется в зависимости от высоты и географического положения;
— ограниченная скорость торможения. Магнитное торможение работает медленно и может потребовать длительного времени для значительного снижения орбиты.
2.2 Активные методы
2.2.1 Двигательные установки
Двигательные установки играют ключевую роль в коррекции орбит и торможении космических аппаратов. Существует несколько типов двигателей, среди которых выделяются химические и электрические двигатели, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.
Химические двигатели – используют реакцию горения топлива для создания тяги. Они обеспечивают значительную мощность и могут быстро изменять скорость аппарата. Однако такие системы требуют наличия топлива, что увеличивает вес и стоимость запуска. Примеры применения химических двигателей включают стартовые этапы ракет и маневры на низких орбитах.
Электрические двигатели – ионные и электрореактивные, используют электрическую энергию для создания тяги. Они более энергоэфективны и могут работать продолжительное время, что позволяет достичь высоких скоростей. Ионные двигатели, например, обеспечивают высокую эффективность и длительный срок службы, что делает их идеальными для межпланетных миссий и корректировки орбит. Они работают на принципе ионизации газа и последующего разгона ионов с помощью электрических полей. На рисунке 2 представлен аппарат “Dawn”, первый межпланетный космический аппарат NASA.
Преимущества двигательных установок:
— эффективность. Современные двигательные установки, особенно электрические, предлагают высокую эффективность использования топлива и длительное время работы;
— гибкость. Возможность коррекции орбиты и выполнения маневров в различных условиях;
— долговечность. Электрические двигатели, такие как ионные, могут работать в течение длительного времени, что делает их подходящими для дальних космических миссий.
Ограничения двигательных установок:
— затраты на эксплуатацию. Двигательные установки, особенно электрические, могут быть дорогими в эксплуатации из-за необходимости в высокотехнологичном оборудовании и источниках энергии;
— необходимость в топливе. Химические двигатели требуют наличия топлива, что ограничивает время работы и возможности маневрирования.
2.2.2 Тросовые системы
Тросовые системы представляют собой инновационный метод управления орбитой, основанный на развёртывании специальных тросов, которые взаимодействуют с магнитным полем Земли или атмосферой. Эти системы особенно эффективны для малых космических аппаратов и могут значительно ускорить процесс снижения орбиты.
Принцип работы электродинамических тросов заключается в использовании проводящего троса, который движется в магнитном поле Земли, генерируя электрический ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем создаёт силу Лоренца, которая тормозит аппарат.
Механические тросы работают за счёт аэродинамического сопротивления в верхних слоях атмосферы или гравитационного градиента для стабилизации и торможения. На рисунке 3 представлено фото аппарата Tethered Satellite System во время демонстрационных испытаний.
Преимущества метода:
— экологичность. Не требуют топлива и не производят вредных выбросов;
— энергоэффективность. Используют естественные силы (магнитное поле, атмосферу) для торможения;
— компактность. Особенно подходят для малых аппаратов (кубсатов, наноспутников);
— ускоренное снижение. Могут значительно сократить время нахождения на орбите после завершения миссии.
Ограничения:
— сложность развёртывания. Требуют точного управления и могут быть подвержены нештатным ситуациям;
— зависимость от высоты. Эффективность снижается на высоких орбитах с разреженной атмосферой;
— ограниченная применимость. Наиболее эффективны для аппаратов массой до 500 кг.
2.2.3 Ионные пучки
Ионные пучки представляют собой технологию, использующую направленный поток ионов для генерации тяги в вакууме. Эта технология позволяет космическим аппаратам двигаться с высокой эффективностью, что делает её особенно привлекательной для долгосрочных миссий в космосе.
Ионные двигатели работают на основе ионизации газа (обычно ксенона), который затем разгоняется с помощью электрических полей. Процесс включает следующие этапы:
1. ионизация. Газ превращается в ионы с помощью электронного пучка или плазменного источника;
2. ускорение. Сформированные ионы ускоряются через электрические поля, создавая направленный поток;
3. тяга. Выходящие из двигателя ионы создают реактивную силу, которая приводит аппарат в движение.
Преимущества метода:
— высокая эффективность. Ионные двигатели имеют значительно более высокий удельный импульс по сравнению с традиционными химическими двигателями, что позволяет экономить топливо;
— долгосрочные миссии. Они идеально подходят для длительных космических полетов, таких как миссии к дальним планетам, где важна экономия ресурсов;
— непрерывная работа. Ионные двигатели могут работать продолжительное время, обеспечивая плавное и стабильное ускорение.
Ограничения метода:
— значительные энергетические ресурсы. Ионные двигатели требуют больших количеств электроэнергии, что ограничивает их применение на аппаратах с ограниченными источниками энергии;
— медленное разгон. Хотя ионные двигатели эффективны, они обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими двигателями, что делает их менее подходящими для стартовых этапов полета или быстрого маневрирования.
2.3 Гибридные методы
Гибридные методы в космических технологиях представляют собой комбинацию пассивных и активных систем, что позволяет значительно повысить эффективность увода космических аппаратов с орбиты и улучшить их маневренность. Эти методы объединяют преимущества различных технологий, обеспечивая более устойчивые и экономичные решения для космических миссий.
2.3.1 Совместное использование двигателей и парусов
Комбинация ионных двигателей с солнечными парусами позволяет увеличить эффективность увода, особенно на низких орбитах. Солнечные паруса используют давление солнечного света для создания тяги, в то время как ионные двигатели обеспечивают дополнительное ускорение. [6]
Преимущества метода:
— экономия топлива. Солнечные паруса уменьшают зависимость от топлива, продлевая срок службы аппарата;
— увеличение маневренности. Возможность комбинировать разные режимы тяги позволяет более точно управлять орбитой и скоростью аппарата;
— долгосрочные миссии. Сочетание этих технологий делает миссии более устойчивыми и эффективными.
2.3.2 Применение тросовых систем в сочетании с солнечными панелями
Тросовые системы могут быть использованы для управления орбитой космических аппаратов, а солнечные панели обеспечивают дополнительную энергию для работы двигателей.
Преимущества метода:
— Дополнительная энергия. Солнечные панели могут заряжать аккумуляторы, которые питают двигатели и другие системы, повышая общую энергоэффективность;
— Устойчивость системы. Комбинация тросовых систем и солнечных панелей позволяет более эффективно управлять орбитой, уменьшая потребность в активном маневрировании;
— Экологичность. Обе технологии не требуют топлива и минимизируют негативное воздействие на окружающее пространство.
3 Примеры реализованных технологий
Миссия RemoveDEBRIS: Эта миссия, запущенная в 2018 году, продемонстрировала технологии захвата и увода объектов с помощью сетей и гарпунов. Она стала первой в мире, которая успешно испытала такие методы на практике, продемонстрировав возможность удаления космического мусора с орбиты. На рисунке 4 представлено фото аппарата RemoveDEBRIS, использующегося для вывода космического мусора с орбиты.
Система DragRacer: Эксперимент по сравнению эффективности пассивного и активного увода, который показал, что комбинация методов может значительно повысить эффективность. В ходе испытаний было установлено, что использование активных методов в сочетании с пассивными позволяет существенно сократить время, необходимое для уводы аппаратов.
Проект ESA Clean Space: Разработка стандартов и технологий для обеспечения экологичности космических миссий. Этот проект активно исследует возможности уводы МКА с орбиты, включая использование новых материалов и технологий, которые минимизируют воздействие на окружающую среду.
4 Правовые и экономические аспекты
Международные организации, такие как КОПУОС (Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных целях), активно разрабатывают рекомендации по обязательному уводу космических аппаратов с орбиты. Эти рекомендации направлены на минимизацию рисков столкновений между действующими спутниками и космическим мусором, а также на защиту космической среды, что является важной задачей для обеспечения устойчивого использования космоса в будущем.
С учетом того, что космическая деятельность продолжает расти, количество объектов на орбите увеличивается. Поэтому важным шагом является разработка и внедрение национальных стратегий по управлению космическим мусором. Многие страны, включая ведущие космические державы, уже начали формировать свои собственные подходы к этой проблеме, что способствует улучшению глобальной ситуации.
Экономическая эффективность методов увода является ключевым фактором при выборе технологий для малых космических аппаратов (МКА). Это связано с тем, что затраты на увод должны быть сопоставимы с потенциальными убытками от столкновений, которые могут включать не только финансовые потери, но и ущерб, причиненный другим спутникам или даже международным проектам. По оценкам, стоимость устранения космического мусора может достигать миллиардов долларов, что подчеркивает важность разработки эффективных и экономически целесообразных методов уводы.
В условиях ограниченных ресурсов и растущих затрат на космические миссии, необходимо учитывать экономические аспекты при проектировании новых аппаратов и их миссий. Это включает в себя не только выбор технологий для уводы, но и использование инновационных решений, таких как системы активного уводы или методы, позволяющие уменьшить образование мусора в процессе эксплуатации спутника.