Читать книгу Мусор преграждает путь в Космос - В. И. Романов - Страница 4

Проблема орбитального — искусственного (техногенного) и естественного (космического) мусора является весьма близкой и актуальной для экскретологии такой динамической системы, как система «Земля-ОКП».

В первые годы освоения космического пространства вопрос о его загрязнении и влиянии этого загрязнения на земную природу вообще не ставился. Околоземная область функционирования искусственных космических объектов достаточно велика. Несмотря на то, что её объём оценивается огромной величиной ~10¹⁴ — 10¹⁵ км³, активная антропогенная деятельность в последние годы стала весьма ощутимо сказываться и здесь.

Освоение околоземного космического пространства, ближнего и дальнего Космоса являются жизненно необходимыми шагами развивающейся цивилизации. Для реализации подобных амбициозных задач требуется не только наличие ракетно- космической техники, но и осознание рисков негативных воздействий, которые она может нанести биосфере планеты. В понятие «ракетно-космическая техника» обычно включают [12]:

— космодромы (технические и стартовые комплексы, заправочно-нейтрализационные станции, хранилища и т. д.);

— средства выведения — ракеты-носители (PH) и разгонные блоки (РБ);

— космические аппараты (КА) и орбитальные станции;

— районы падения отделяющихся частей;

— командно-измерительные комплексы.

Околоземное космическое пространство (ОКП) может быть определено [12] как «область вокруг Земли, физические характеристики которой отличаются от характеристик собственно межпланетного пространства в связи с влиянием Земли. К этим физическим характеристикам относятся концентрация заряженных и нейтральных частиц, их энергия и химический состав, плотность твёрдого вещества, магнитное и электрическое поля. Протяжённость ОКП над освещённой стороной Земли в направлении на Солнце 1СН-12 земных радиусов, а над ночной стороной, по-видимому, превышает расстояние до орбиты Луны. Из понятия ОКП исключается атмосфера или, по крайней мере, тропосфера, стратосфера и мезосфера. Синоним — околоземное пространство».

При изучении околоземного космического пространства как объекта экскретологии следует его рассматривать во взаимодействии с биологическим миром планеты. При этом ОКП должен рассматриваться в качестве окружающей среды для Земли, как единой глобальной экосистемы, потому что все процессы, происходящие в ОКП, в том числе и связанные с освоением Космоса, оказывают влияние на экологическое состояние Земли.

Заметим, что околоземное космическое пространство должно рассматриваться не только как несколько защитных атмосферных оболочек Земли, но и как область активной ракетно- космической деятельности. Для представителей аэрокосмической промышленности ОКП — это несколько различных орбитальных режимов, соответствующих задачам запускаемых искусственных объектов. Современные средства космической индустрии сосредоточены на нескольких наиболее часто эксплуатируемых орбитах [13]:

— орбиты пилотируемых космических аппаратов (200–400 км);

— орбиты действия автоматических космических аппаратов различного назначения (высоты 800-1000 км);

— орбиты высот 1900-20500 км, где работают многочисленные многоспутниковые навигационные системы GPS (НАСА, США), ГЛОНАСС (Российское космическое агентство), GalileoSat (Европейское Космическое Агентство);

— геостационарная орбита (36 000 км от поверхности Земли).

Постоянно повышенный интерес к этой орбите со стороны многих государств объясняется её уникальностью. Находящийся на этой круговой экваториальной орбите спутник при некоторых условиях неподвижно зависает над экватором в точке своего стояния и может круглосуточно обслуживать значительную часть земной поверхности. На этой орбите работают спутники связи, ретрансляторы, метеорологические спутники и др.

За пределы геостационарной орбиты, называемой ещё «свалкой орбитального мусора» выводятся орбитально- космические экскреты — летательные аппараты, отслужившие свой срок, с опасными грузами или по каким то другим причинам нуждающиеся в изоляции от объектов ОКП и биосферы планеты. «Орбитальная свалка» начинается в 200 км от геостационарной орбиты и простирается до орбиты Луны.

Наиболее загруженной техногенными объектами является область ОКП на высотах от 850 до 1500 км, где имеются орбиты действующих автоматических космических аппаратов различного назначения. В этой же области сосредоточено больше всего орбитальных отходов и орбитального мусора.

Атмосферный слой орбитального мусора — высоты ниже 200 км — завершает существование большинства техногенных и природных объектов ОКП. Здесь они сильно тормозятся плотной атмосферой, некоторые сгорают, другие долетают до поверхности Земли или водных объектов.

Таким образом, область активной орбитальной ракетно-космической деятельности — это высоты над поверхностью Земли от 200 км до 36 000 км (см. схему Рис. 2.1.). Сама орбитальная ракетно- космическая деятельность (ОРКД) может быть определена как деятельность, связанная с процессами доставки и использования летательных аппаратов в околоземном космическом пространстве и в Космосе.

На высотах 800-1000 км долгое время располагалась основная масса спутников с ядерными энергетическими устройствами на борту, поскольку здесь они могут существовать многие сотни лет до полного исчезновения продуктов ядерного распада.

В состав и структуру техногенного орбитального мусора входят также продукты экспериментов в космосе, попадающие после разрушения исследовательских объектов на орбиты и в конечном счёте падающие на Землю. Продукты распада вещества космических ядерных реакторов, продукты технологических и биологических экспериментов, большое число частиц окиси алюминия, попадающих в космос и верхнюю атмосферу в результате работы реактивных двигателей, остатки ракетного топлива, окислителя и т. д. [14] также пополняют собой техногенный орбитальный мусор.

Кроме того, процессы газовыделения и сублимации материалов в разреженной атмосфере полётов приводят к образованию около КА облака собственной внешней атмосферы. В её состав входят твёрдые частицы, отрывающиеся от поверхности аппарата, продукты выхлопа двигателей, газы и твёрдые частицы, попадающие в околоземное космическое пространство из внутренних отсеков КА за счёт утечек, при шлюзовании и т. д. [15].

Космический летательный аппарат оказывается окружённым локальным облаком продуктов собственных выделений. Особенно плотное облако возникает около пилотируемых объектов, так как процессы жизнедеятельности космонавтов его постоянно пополняют. Плотность собственной внешней атмосферы КА оказывается заметно выше окружающей среды — величины порядка 10 ⁸-10"¹⁰ кг/м³, тогда как плотность атмосферы Земли на высотах пилотируемых полетов ~10¹² кг/м³.

Каждая из фракций антропогенного загрязнения распространяется в ОКП под действием различных процессов. Крупные фрагменты и осколки космического мусора разлетаются в ОКП по различным орбитам, создавая вокруг Земли искусственный пояс, который может существовать длительное время. Его вещество испытывает вековые возмущения вследствие аэродинамического сопротивления разреженной атмосферы, плазмы магнитосферы и солнечного ветра. Одним из существенных факторов эволюции этого пояса являются взрывы пассивных или действующих ИСЗ и их столкновения с другими ИСЗ или с орбитальным мусором. Динамика их движения описывается кеплеровскими уравнениями движения с учётом сопротивления среды и взаимных столкновений. Постепенно часть осколков, находящихся на низких орбитах, теряет высоту и сгорает в атмосфере. Наиболее крупные фрагменты могут выпасть на поверхность Земли.

Микрочастицы, образуемые в ОКП в результате взрывов, выбросов двигателей ракет-носителей, распространяются в виде некоторого относительно быстро рассеивающегося облака. На высотах 200–500 км облака таких частиц с размерами от долей микрона до сотен микронов находятся на орбите от нескольких часов до нескольких суток. Эволюция микрочастиц во многом носит статистический характер, учитывая их более высшую числовую плотность и, соответственно, более высокие вероятности взаимных столкновений. Уход их с орбиты и рассеивание в пространстве вызывается значительным атмосферным торможением.

В конечном итоге микрочастицы также попадают в плотные слои атмосферы и тормозятся. Часть из них пополняет пылевую фракцию на высотах мезосферы, другие опускаются в более низкие слои.

Следует иметь в виду, что в околоземном пространстве присутствуют не только антропогенные объекты, но и природные. Тела природного происхождения — кометы, астероиды, метеорные потоки, межпланетная пыль, потоки заряженных частиц солнечного и галактического происхождения — составляют постоянный естественный фон околоземного пространства.

Что касается техногенной составляющей экскретов в ОКП, то она представлена мусорными, отходными и отбросными объектами, концентрации которых существенно различны для разных областей и слоёв ОКП. Пространственные распределения экскретных мусорных объектов по наклонениям плоскостей их орбит к плоскости экватора Земли, а также их распределение по географической широте для фрагментов тел с диаметром > 10 см представлены на графиках рис. 2.2. и рис. 2.3.

Рис. 2.2. Пространственное распределение орбитальных мусорных экскретов

Рис. 2.3. Распределение орбитальных мусорных экскретов по высотам и наклонениям орбит

Из этих графиков видно, что относительно крупные мусорные экскреты сосредоточены в области ОКП на высотах от 200 км до 1000 км с наклонениями плоскостей орбит к плоскости экватора Земли от 60 до 90 градусов и с географическими широтами от 50 до 86 градусов.

В общем случае в понятие «Орбитально-космические мусорные экскреты» включены следующие объекты (смотри приведённую ниже Схему):

— Орбитальный техногенный мусор;

— Орбитальный космический мусор;

— Орбитальные отбросы;

— Орбитальные отходы,

— Газообразные выбросы.

Из этой схемы видно, что экскреты, появляющиеся в ОКП, связаны как с техногенными вмешательствами, так и с природными — из космического пространства.

Схема состава орбитально-космических мусорных экскретов

Дадим краткое определение этих экскретов.

Орбитально-космический мусор — объекты внеземного происхождения, появляющиеся в околоземном пространстве Земли под действием гравитации планеты, захламляющие ОКП, нарушающие работу ракетно-космической техники и жизнь биогеоценозов.

Орбитальные потенциально-сырьевые отходы — потерявшие работоспособность летательные аппараты ракетно-космической техники и их фрагменты, которые могут быть использованы в качестве сырья.

Орбитальные отбросы — продукты жизнедеятельности космонавтов в околоземном космическом пространстве.

Газообразные выбросы — газообразное «облако» продуктов, выделившихся из конструкции ЛА, возникших при выхлопе двигателей, а также просочившихся из отсеков КА. Несмотря на то, что плотность газообразной «оболочки» спутников в сотни раз превосходит плотность окружающей среды в ОКП, эти экскреты практически не влияют на орбитальное движение летательных аппаратов и поэтому они не рассматриваются в нашей книге.

Орбитальный техногенный мусор — не имеющие ценности обломки летательных аппаратов ракетно-космической техники, а также вспомогательных приборов или механизмов, их разрушенные детали и фрагменты, находящиеся в ОКП на орбитах захоронения и на входе в плотные слои атмосферы (ниже «200 км). К орбитальному техногенному мусору причисляют обломки, фрагменты и частицы объектов техногенного происхождения, которые возникают при взрывных и столкновительных авариях в ОКП. Такой орбитальный мусор может появиться в любом месте ОКП и приземной атмосферы.

Подробно поведение космических мусорных экскретов в околоземном космическом пространстве и в атмосфере планеты обсуждается в следующих пунктах этого раздела книги.