Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества» № 2 (52) за 2021 г.

Авторы: Сергей Спиридонов, Олег Карпеко

В современном мире засорение низких околоземных орбит (ближняя операционная космическая зона) до высот 2000 км может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального мусора и, как следствие, к затруднению дальнейшего освоения космоса, поэтому во всех развитых странах этой проблеме придают большое значение.

Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» получила официальный статус на международном уровне после доклада Генерального секретаря ООН «Воздействие космической деятельности на окружающую среду». Особо было отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.
В соответствии с ГОСТ Р 52925–2008 «Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства» под космическим мусором понимаются все находящиеся на околоземной орбите космические объекты искусственного происхождения. Космический мусор оказывает опасное воздействие на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные объекты или содержащие опасные материалы (ядерные, токсичные и т. п.) могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и падении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.

Технологии удаления космического мусора

В настоящее время по данным Управления ООН по вопросам космического пространства (United Nations Office for Outer Space Affairs), на низких околоземных орбитах находится порядка 300 тысяч объектов космического мусора общей массой до 5000 тонн. Лишь небольшая их часть (размером более 10 см в поперечнике была обнаружена), отслеживается и внесена в каталоги с помощью наземных радиолокационных и оптических средств. Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов.
Эффективных практических мер по уничтожению космического мусора на орбитах более 600 км (где не сказывается очищающий эффект от торможения об атмосферу) пока не разработано. Международное сотрудничество по уборке космического мусора развивается по следующим приоритетным направлениям:

• экологический мониторинг околоземного космического пространства (ОКП), включая область геостационарной орбиты: наблюдение за космическим мусором и ведение каталога объектов космического мусора;
• создание международных информационных систем для прогноза засоренности ОКП и оценка опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения космических объектов и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы;
• разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц космического мусора;
• разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности ОКП.

Для эффективного удаления космического мусора из оперативной космической зоны предлагается несколько способов решения.

1. Одна из самых рациональных идей, предложенных НАСА — использовать мощные наземные лазерные установки непрерывного действия. В качестве разновидности этого метода выступает использование космических лазерных установок. С помощью лазеров предлагается корректировать траекторию полёта фрагментов, что позволило бы избежать столкновения с ними. Для этого на каждый обломок следует воздействовать лазерным излучением ежедневно в течение 1–2 часов. Это позволит скорректировать скорость движения на всего несколько сантиметров в секунду, но из-за громадных показателей скорости такое воздействие может изменить траекторию. Оценочная стоимость такой лазерной установки, а также сопутствующей ей инфраструктуры — несколько десятков миллионов долларов.

2. Концепция, разработанная Европейским космическим агентством (European Space Agency, ESA), предлагает вместо лазеров применять реактивную струю, с целью изменения орбиты космического мусора, для чего потребуется мощные космические аппараты. Однако, такая идея может быть реализована исключительно при обстреле крупных космических объектов, угрожающих планете или стационарным спутникам.

3. Европейское космическое агентство разрабатывает несколько видов «механизмов захвата» — подбора космического мусора, например, сети, гарпуны, роботизированные конечности и щупальца, а также сети наноспутников.

Вариант использования наноспутников, связанных электропроводной сетью длиной в 3 километра, предполагает сбивать спутники вниз по мере прохождения через магнитное поле Земли (поскольку возникает напряжение). Electro Dynamic Debris Eliminator, работающий на солнечных батареях и предложенный Star Technology и Research, может за десять лет избавить нас от всех крупных кусков мусора на низкой земной орбите.
Принцип сбора космического мусора с помощью сети очень прост: в космическое пространство забрасывается сеть наподобие рыболовецкой. Как только она наполнится мусором, специальный космический корабль-тягач потянет ее на орбиту захоронения, превышающую геостационарную на 235 километров (эта высота выбрана в качестве утилизации отработавших своё спутников) или на Землю. При вхождении в атмосферу мелкий мусор сгорит, а крупные куски будут доведены до Тихого Океана и сброшены туда.
Подобный эксперимент был проведен в 2016 году японскими учёными с попыткой захвата мусора с помощью 700-метровой сети, однако он оказался неудачным. Согласно ещё одной концепции, транспортировку должен осуществлять космический аппарат, использующий солнечный парус в качестве источника энергии движения.

4. Прикрепление к каждому отдельному объекту космического мусора реактивного двигателя и транспортировка в ручном режиме крупных объектов на орбиту захоронения.

5. Применение роботов, транспортирующих мусор с орбиты на поверхность Земли.

6. Воздействие на мусор облака вольфрамовой пыли, что увеличит вес каждого объекта и заставит их сойти с орбиты.

7. Воздушные взрывы.

Этот метод, который назвали Space Debris Elimination, или SpaDE, предусматривает запуск спутников на низкую орбиту с помощью воздушных взрывов в атмосфере. Дэниел Грегори из Raytheon BBN Technologies, шт. Вирджиния, предлагает в данном случае использовать воздушный шар или самолет, способный летать в разреженной атмосфере, которые будут создавать воздушные взрывы, чего, согласно исследованиям в начале 2012 года, достаточно, чтобы сбить с орбиты низкоорбитальный космический мусор.

8. Применение электростатических методов для «ловли» объектов космического мусора. По замыслу разработчиков, сеть или длинный металлический трос, по которому пропускают ток, должны притягивать мелкие фрагменты мусора и затем отправлять их в плотные слои атмосферы. В начале 2017 года на орбиту был выведен корабль «Конотори-6», который попытался проверить на практике такой способ.

9. Запуск специального спутника для «отлова» объектов космического мусора.

Оригинальную идею уборки орбиты предложил французский инженер Джонатан Миссель. Он разработал проект спутника Sling-Sat (спутник-праща), оснащенного специальным манипулятором многоразового использования. Такой спутник, сблизившись с космическим мусором, захватывает его специальным манипулятором. При этом по причине разных векторов движения Sling-Sat начинает закручивать, но благодаря регулируемому наклону и длине «рук» маневр является полностью контролируемым, что позволяет, вращаясь наподобие футбольного мяча, осмысленно менять собственную траекторию, отправляя «спутник-пращу» навстречу следующим кускам космического мусора. В тот момент, когда спутник оказывается на траектории движения ко второму космическому объекту, первый элемент космического мусора будет высвобожден в процессе вращения. Причем произойдет это под таким углом, чтобы элемент космического мусора гарантировано врезался в атмосферу нашей планеты и сгорел. Добравшись до второго объекта космического мусора, спутник повторит операцию и будет делать так всякий раз, получая при этом дополнительный заряд кинетической энергии от космического мусора и одновременно отправляя его на Землю.
Проведенное компьютерное моделирование показывает, что предложенная схема теоретически обладает высокой топливной эффективностью. И это понятно: в случае со «спутником-пращей» энергию предполагается брать от давно уже разогнанных до 1-й космической скорости кусков спутников и ракет, а не из топлива, которое
к нашему сборщику мусора пришлось бы доставлять с Земли. У представленной Мисселем концепции есть узкие места. Стоит отметить, что ни один из кусков космического мусора, естественно, не адаптирован для захвата манипулятором и, самое главное для больших ускорений во время интенсивного вращения. В том случае, если кусок будет слишком большим и тяжелым, его энергия во время вращения может оказаться достаточной для разрушения самого себя, а также манипулятора.
В то же время создание вместо одного объекта космического мусора большого количества других, что вряд ли приведет к улучшению ситуации в космосе на низких околоземных орбитах. При этом, безусловно, идея видится интересной, а в случае адекватного технического воплощения — эффективной.
Швейцарский проект Clean Space One заключается в выводе на орбиту спутника для захвата космического мусора. Ожидается, что он развернет коническую сеть, чтобы поймать старый спутник Swiss Cube. Сеть развернется, а затем закроется с куском космического мусора внутри. Оба объекта затем сгорят в атмосфере.
Спутник Swiss Cube, который, как ожидается, будет захвачен новым устройством очистки после того как он провел более пяти лет на орбите, имеет размер 10 см на 10 см. Обнаружение его в пространстве будет первой проблемой, так как объект постоянно вращается, а его освещеннность меняется.

10. Проект учёных из японского исследовательского института Riken предполагает использование мощного лазера для того, чтобы сбивать мусор с орбиты. Согласно проекту, если установить на Международной космической станции мощный оптико-волоконный лазер, то проблему получится разрешить довольно быстро. План представляется не таким уж и сложным.

Нужно использовать оставшийся от космической обсерватории EUSO инфракрасный телескоп для поиска космического мусора на орбите Земли. Затем наступает черёд оптико-волоконного лазера CAN, который обычно используется в ускорителях частиц. Луч лазера должен изменить траекторию полёта обломка мусора, после чего он войдёт в атмосферу планеты и сгорит. Японские учёные утверждают, что точность такой системы будет настолько высока, что сбивать можно будет даже объекты размером всего в 1 квадратный сантиметр.
Команда университета Riken опубликовали часть своих наработок в журнале Acta Astronautica. Следующим их шагом станет попытка установки на МКС 20-сантиметрового телескопа и 100-волоконного лазера. Если эксперимент продемонстрирует состоятельность японской теории, на МКС будет установлена полноразмерная лазерная установка для уничтожения космического мусора. Ее размеры будут намного больше экспериментальной. Телескоп будет уже диаметром 3 метра, а лазер будет состоять из 10 000 волокон. Такой лазерной пушкой можно будет сбивать мусор на расстоянии до 100 километров от космической станции.
Теоретически в будущем на орбиту возможен вывод отдельного космического аппарата, который будет целенаправленно очищать пространство вокруг Земли от мусора.

11. Ученые из Китая предлагают, пожалуй, один из самых радикальных методов: специальные лазеры для того, чтобы уничтожить космический мусор.

Группа ученых из Инженерного университета ВВС Китая планирует использовать лазер для дробления крупных фрагментов на более мелкие, которые впоследствии можно либо сжечь в атмосфере, либо собрать и отправить подальше от Земли. Согласно плану, если закрепить лазер на любом спутнике, он сможет по команде излучать короткие вспышки в инфракрасном диапазоне. Количество вспышек составляет 20 в секунду. Как заявляют эксперты, этого количества должно хватить для того, чтобы разрушить крупные обломки. Китайские эксперты рассчитали углы излучения и позицию по отношению к Земле, при которой лазерные лучи будут наиболее эффективны, а также разработали проект строительства на орбите станции, предназначенной специально для уничтожения космического мусора.

Таким образом, проведенный анализ направлений борьбы с космическим мусором показывает, что в ближайшей перспективе в качестве средств противодействия отечественной орбитальной группировке в первую очередь могут рассматриваться спутники, создаваемые по программам Sling-Sat (спутник-праща) и Clean Space One. Это обусловлено в первую очередь тем, что данные космические аппараты могут действовать избирательно, по конкретному космическому объекту, в отличие от сетей, воздушных шаров, электростатических методов и т. п. При этом, в первую очередь, воздействие возможно на мини- и наноспутники (похищение или увод с орбиты).
В дальнейшей перспективе в качестве средств противодействия отечественной орбитальной группировке могут применяться устройства, использующие реактивные двигатели и лазерные установки.
Рассматриваемые способы борьбы с космическим мусором не предусматривают его уничтожение на его орбите движения, а только увод на орбиту захоронения или в плотные слои атмосферы.
Необходимо отметить, что все пути и разрабатываемые средства борьбы с космическим мусором могут иметь двойное назначение (или маскировать работы) и обладают потенциалом противоспутникового оружия. 

Авторы:
Сергей Спиридонов, подполковник в отставке, старший научный сотрудник военного института (научно-исследовательского) ВКА имени А. Ф. Можайского, кандидат военных наук, доцент, член-корреспондент АВН.
Олег Карпеко, подполковник, начальник отдела военного института (научно-исследовательского) ВКА имени А. Ф. Можайского, кандидат военных наук.