Мусор преграждает путь в космос

Говоря о распределении искусственного орбитального мусора в околоземном пространстве, можно отметить его преимущественное нахождение в зонах наиболее заселённых орбит. Такими зонами признаны: геостационарные орбиты на высотах около 40 тысяч км от поверхности Земли и орбиты на высотах 800 ч— 1 ()()() км. Можно ещё отметить зону пилотируемых полётов на высотах около 300 км и солнечно-синхронные орбиты.

Объекты орбитального мусора, в отличие от орбитальных отходов, не могут быть экономически выгодно утилизированы и поэтому должны уничтожаться — самопроизвольно (сгорая в атмосфере) или принудительно с использованием технических средств и устройств.

Количество орбитальных экскретов в виде отходов, отбросов и космического мусора неуклонно растёт. В настоящее время более 22 тысяч крупных фрагментов и множество мелких летает вокруг Земли со скоростями порядка 10 километров в секунду и выше. Когда космическое оборудование на летательных аппаратах завершает свою миссию, оно становится орбитальным мусором или отходом в зависимости от его положения на орбите и от возможности быть утилизированным.

Рис. 4.1. Схема входа тела в плотные слои атмосферы

Мусорные объекты на участке входа в плотные слои атмосферы также могут представлять опасность столкновений для взлетающей ракетной техники. Их траектории спуска и торможения рассчитать чрезвычайно сложно из-за постоянно меняющихся параметров атмосферы, геометрических и динамических характеристик движущихся тел.

Эволюция орбиты спутника или элементов орбитального мусора и время их существования определяется, в основном, естественными возмущениями: гравитационным полем Земли и его несферичностью, гравитационным воздействием Луны и Солнца, давлением солнечной радиации и тормозящим действием атмосферы. Вследствие торможения объект постепенно (по спирали) входит в более плотные нижние слои атмосферы, где в конце концов из-за трения и сгорает.

Рассмотрим особенности спуска в плотную атмосферу тел на примере искусственного спутника Земли (ИСЗ). В процессе спуска сопротивление атмосферы Земли вызывает уменьшение большой полуоси орбиты ИСЗ, в результате чего он по спирали снижается к Земле. При достижении высоты около 160 км спутник сможет сделать всего пару оборотов и сгорит в атмосфере, войдя в резкий и необратимый спуск.

Время жизни спутника определяется физическими характеристиками атмосферы, активностью Солнца, а также эксцентриситетом его орбиты и размером её большой полуоси. Теоретически этот параметр предсказать можно только с большой ошибкой. В таблице ниже представлены времена жизни типичного ИСЗ на завершающем этапе его существования для разных значений его траекторных параметров: перигея и апогея [26].

Таблица № 2.3.1.

Время существования ИСЗ массой 100 кг и диаметром 1 м, сутки

Из таблицы видно, что и высоты апогея и перигея сильно влияют на время существования Т₀ орбитального объекта. Например, увеличение высоты перигея в 2 раза приводит к почти пятидесятикратному росту Т₀ для траекторий с низким апогеем и более чем к восьмидесятикратному увеличению Т₀ для траекторий с высоким апогеем. Указанные в таблице значения параметра Т₀ имеют большую погрешность из-за неопределенностей в значениях геометрии спускаемого объекта, его ориентации в полёте и вариациях изменения плотности воздуха с высотой.

От характеристик входа в плотные слои атмосферы зависит не только время существования тела, но и вероятность его сгорания в атмосфере. При больших углах входа в атмосферу время пребывания объекта в ней относительно мало, и тело может не успеть разогреться до высоких температур; при пологих траекториях объекты постепенно разогреваются потоком до температур плавления их материалов, оплавляются и сгорают.

Рис. 4.2. Схема захоронения геостационарных спутников и других объектов орбитального мусора

Увеличение скорости входа однозначно ускоряет нагрев и плавление тела и уменьшает время пребывания объекта в атмосфере. Таким образом, вероятность долететь до поверхности Земли более высока у относительно медленных тел с крутой траекторией полёта. Уменьшая начальный угол входа в плотную атмосферу, можно добиться более полного сгорания орбитального мусора.

Следует иметь в виду, что в некоторых случаях крупные объекты техногенного мусора, а также объекты, содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы, могут представлять прямую ударную или радиационную опасность для обитателей Земли. При их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоёв атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п. случаются жертвы.