Под космическим мусором (space debris) подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям. По типу происхождения можно выделить несколько категорий космического мусора (в скобках – приблизительный процент от общего числа зарегистрированных и отслеживаемых фрагментов мусора):

• отработавшие верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей (18%);
• исчерпавшие свой ресурс либо вышедшие из строя спутники и технологический мусор (24%);
• вторичный мусор – обломки, образовавшиеся в результате столкновения двух спутников (16%) либо после проведения испытаний средств противоспутниковой обороны (42%).

В категории вторичного мусора большую часть составляют фрагменты малого размера (диаметром менее 10 см). Наиболее существенный вклад в «замусоривание» ближнего космоса внесло испытание Китаем противоспутниковой ракеты в 2007 году, разбомбившей отработавший свой срок метеорологический спутник «Фэньюнь-1», что привело к образованию более 2000 новых обломков размером в несколько сантиметров и более.

Проблема засорения околоземного космического пространства, теоретически возникшая с момента запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году, получила официальный статус на международном уровне лишь в конце 80-х годов прошлого века. В своем докладе под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 года Генеральный секретарь ООН Бутрос Бутрос-Гали отметил, что проблема космического мусора носит международный, глобальный характер. Спустя еще 14 лет Генеральная ассамблея ООН одобрила руководящие принципы предупреждения образования космического мусора, включающие разработку «чистых» (безотходных) технологических процессов в космосе, увод исчерпавших ресурс аппаратов с орбиты и отказ от испытаний противоспутниковых средств обороны. Подобные меры необходимы, чтобы избежать так называемого синдрома Кесслера  – достижения критической плотности космического мусора, когда начинается цепная реакция фрагментации, разрушающая в течение нескольких лет или даже месяцев все объекты на орбите. Такой оборот событий остановит на много десятилетий дальнейшее освоение космоса человеком. По прогнозам многих специалистов, для самых «загрязненных» околоземных орбит (солнечно-синхронных, геостационарных) критическая плотность мусора может быть достигнута уже к середине текущего века.

Постепенно становится очевидным тот факт, что уже в ближайшем будущем проблему столкновения с фрагментами космического мусора придется учитывать при баллистическом проектировании любой миссии (на данный момент это осуществляется только для орбитальных станций и крупногабаритных спутников). Усиливающаяся тенденция к миниатюризации космических аппаратов и использованию групп малых спутников вместо одного большого лишь усугубляет эту проблему, ускоряя рост общего числа объектов в околоземном пространстве.

За последнее десятилетие разработано несколько перспективных подходов в области борьбы с космическим мусором. Так, в частности, можно отметить идею уничтожать мелкие фрагменты с помощью лазера: установленная на поверхности Земли и нацеленная на объект лазерная пушка приводит к испарению вещества с поверхности объекта и тормозит его, вызывая вход в плотные слои атмосферы и сгорание там. Этот метод, предложенный еще в 1996 году в проекте NASA ORION, стал вполне реалистичным в свете последних технологических разработок в сфере лазерной оптики. Для более крупных объектов предложено несколько способов удаления их с орбиты, в основе которых лежит использование «спутника-чистильщика», оборудованного специальным робототехническим устройством захвата либо проводящими тросами (electrodynamic tethers).

Очевидно, однако, что все упомянутые выше способы искусственного удаления космического мусора сложны с технической точки зрения и дорогостоящи. Кроме того, они будут неэффективными в отсутствие четко продуманной и законодательно закрепленной программы, направленной на максимальное уменьшение загрязнения космоса отходами технологической деятельности человека. Оставляя в стороне вопрос инженерной оптимизации процессов выведения аппаратов на орбиту, выполнения различных научно-технических экспериментов и прочих способствующих образованию космического мусора факторов, обратимся к перспективным методам “деорбитинга” (de-orbiting) – увода отработавших свой срок спутников с орбиты. Разработка такого рода технологий является крайне актуальной и востребованной задачей сегодняшнего дня. В силу все нарастающей остроты проблемы космического мусора можно полагать, что в ближайшие десятилетия требование оснащать все спутники системами увода с орбиты станет одной из норм международного космического права.

Для орбит высотой менее 700 км основной техникой деорбитинга, по-видимому, станет использование раскрывающегося паруса, позволяющее в десятки раз увеличить площадь сечения спутника. Это приводит к увеличению торможения в верхних слоях атмосферы и обеспечивает сход КА с орбиты в течение нескольких лет. Первым успешным примером реализации такого подхода является экспериментальный четырехкилограммовый наноспутник типа CubeSat, получивший название NanoSail-D. Разработанный NASA, он был запущен 20 ноября 2010 года как полезная нагрузка на борту микроспутника NASA FASTSAT. По техническим причинам  автоматическое отделение NanoSail-D от FASTSAT, запланированное на 3 декабря, произошло лишь 11 января 2011 года. Спустя девять дней в автономном режиме произошло раскрытие паруса площадью около . На конец августа 2011 года высота орбиты спутника снизилась с первоначальных 640 км почти на 150 км.

Для высоких орбит (в том числе геостационарных) многообещающий способ деорбитинга состоит в использовании светоотражающих надувных баллонов. Подбирая для баллона нужное соотношение площадь-масса, можно добиться того, что давление солнечного излучения и влияние второй зональной гармоники гравитационного поля Земли приводят к росту эксцентриситета орбиты, что означает постепенный вход аппарата в земную атмосферу.

Преимуществами описанных выше методов деорбитинга является пассивность (не требуется какое-либо управление, а, значит, и запас топлива или энергии) и относительная простота реализации. Это приводит в свою очередь к надежности и недорогой стоимости используемой технологической базы.

 

Космос-журнал благодарит автора статьи С.П. Трофимова и ИПМ им. М.В. Келдыша РАН за предоставленный материал.