"Сдует любой спутник": Россия готовится отправить на орбиту ионную "метлу"

Российские ученые разработали научную базу для создания нового класса космических аппаратов — уборщиков. Технологии уже есть, в том числе у нас.


За 70 с лишним лет космической эры на орбите вокруг Земли скопилось от семи до десяти тысяч тонн рукотворного мусора. Примерно 15 тысяч фрагментов размером более десяти сантиметров, около 200 тысяч — от одного сантиметра до десяти. И десятки миллионов осколков — меньше сантиметра в поперечнике.


Все эти объекты, даже самые маленькие, представляют опасность для действующих космических аппаратов и космонавтов. Так, Международной космической станции часто приходится уворачиваться от обломков, но получается это не всегда.

Наведение порядка на орбите активно и уже довольно давно обсуждают во всем мире. В России создание аппарата-уборщика включено в федеральную программу. Однако процесс пока на стадии теоретических разработок и испытаний отдельных элементов конструкции.

За последние годы ученые предлагали самые разные концепции уничтожения техногенных объектов. Их можно разделить на два вида: контактный и бесконтактный. К первому относятся удаление с помощью механического манипулятора, зацепка гарпуном и дальнейшее буксирование на тросе, использование сети. Проблема контактного метода в том, что куски мусора часто очень быстро вращаются и непосредственное взаимодействие с ними, особенно если объект крупный, грозит повреждением самому аппарату-уборщику.

Альтернатива — уничтожать орбитальный хлам удаленно. Здесь тоже есть несколько способов: от пены до лазеров. Одним из самых перспективных считают метод внешнего ионного потока.

Электростатические двигатели, реактивная тяга в которых создается за счет разгона частиц до высоких скоростей в электрическом поле, широко применяются в космонавтике. Сейчас их используют в основном для подруливания аппаратов на орбите. Более мощные ионные двигатели в будущем можно устанавливать на межпланетных кораблях — например, на ядерном буксире.

Концепцию "ионно-лучевого пастуха" в 2011-м предложили три научные команды: из Испании, Франции и Японии. Суть в том, что активный аппарат приближается к объекту космического мусора и направляет в него ионную струю, сталкивая с текущей орбиты.

"Базовая идея такая: подлетели к мусору, направили на него двигатель, обдуваем струей. Это похоже на то, как парашют работает в атмосфере, когда вступает в дело сила сопротивления. За счет потока частиц аппарат тормозится", — объясняет Александр Ледков, доцент кафедры теоретической механики Самарского университета имени Королева.

Однако дальше — масса нюансов. Например, в зависимости от высоты орбиты действовать надо по-разному.

Для работы человека в космосе наиболее важны две зоны. На низкой околоземной орбите (НОО, высота от 160 до двух тысяч километров) размещены обитаемые станции и большинство спутников. На геостационарной (ГЕО, 35,8 километра) аппараты как бы закрепляются над одной из точек Земли, поэтому там размещают, в частности, телекоммуникационные "саты".

Мусор с НОО проще всего сталкивать вниз, чтобы он сгорел в атмосфере Земли. Для ГЕО такая тактика не подойдет: до планеты слишком далеко. Поэтому ненужные объекты лучше, наоборот, поднимать — на так называемую орбиту захоронения, расположенную на 200 километров выше геостационарной.

В конце ноября сразу две российские научные группы представили результаты работ, которые приближают нас к появлению систем очистки от космического мусора.

Завкафедрой теоретической механики Самарского университета Владимир Асланов и его коллега Ледков рассказали о своих исследованиях в книге "Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком", опубликованной в ноябре в издательстве "Эльзевир".

Ученые выяснили: если специальным образом управлять потоком, можно добиться лучшего результата.

"Такой метод транспортировки хорош сам по себе. Он сработает, если просто так обдувать: мишень все равно уйдет с орбиты, — говорит Ледков. — Наш вклад в том, что мы поняли, как, управляя ориентацией обдуваемого тела, сделать этот метод наиболее эффективным. За счет правильного обдува аппарата, согласно расчетам, удастся сэкономить около семи процентов топлива".

То есть аппарат-уборщик должен не просто "дуть" на объект, а развернуть его определенным образом. По расчетам исследователей, лучше всего установить ионный двигатель на поворотную платформу, чтобы можно было немного изменять направление потока.

По мнению авторов работы, метод подходит для сведения с орбиты крупных объектов, например отработавших верхних ступеней ракет. Теоретически если в мусор превратятся такие аппараты, как спутники связи Starlink, то их тоже можно при необходимости "подметать" ионным потоком. Однако есть опасность разрушения солнечных панелей под воздействием реактивной струи, что лишь усугубит замусоривание НОО, отмечает Ледков.

А вот против мелких осколков метод не сработает: это все равно что палить из пушки по воробьям, отмечает ученый. Для такого рода мусора нужны другие технологии: например, аппарат-уборщик может возить за собой пластину и собирать небольшие фрагменты подобно тому, как тралом ловят рыбу.

Ученый из Самары считает, что для ионного клинера можно использовать коммерческие двигатели NEXT-C. Их успешно протестировали в ходе миссии DART, когда c Земли отправили зонд, чтобы атаковать астероид.

У России тоже богатый опыт производства подобных силовых установок. Калининградское ОКБ "Факел" до недавнего времени занимало десять процентов мирового рынка ионных двигателей. Правда, после введения санкций некоторые европейские и американские клиенты отказались продолжать сотрудничество.

В конце ноября научная группа из Московского авиационного института (МАИ) запатентовала космический аппарат для бесконтактной очистки околоземного космического пространства от мусора. Разработка включает в себя преобразователь ионного пучка в виде цилиндрической насадки, установленной на выходе из инжектора ионов. Она позволяет сузить ионный поток, повысив его эффективность.

Также аппарат должен быть оснащен солнечными панелями и двумя электроракетными двигателями, расположенными с противоположной от инжектора ионов стороны. Каждая из этих силовых установок установлена на поворотном устройстве с возможностью независимого вращения. За счет этого обеспечивается сопровождение удаляемого объекта и поддержание необходимого расстояния от него — то есть тяга двигателя, создающего ионный поток, компенсируется противоположно направленной. Атаковать мусорный объект планируют с 40-60 метров.

"Предлагаемый космический аппарат может быть создан, например, на базе одной из известных космических платформ телекоммуникационных геостационарных спутников", — говорится в описании устройства.

По словам Ледкова, все технологии для создания аппарата-уборщика с ионным двигателем уже существуют, нужны лишь воля и финансирование, чтобы начать производство.

Но помехи для создания таких систем лежат в областях, не связанных с наукой. Одна из них — высокая цена. По расчетам экспертов, удаление всего одного крупного объекта будет стоить от десяти до 30 миллионов евро. Второй фактор — юридическая неопределенность.

"Каждый аппарат принадлежит какой-то стране. На любом обломке теоретически есть флаг. Поэтому пока без проблем можно убирать только свои аппараты. Никакой универсальной процедуры, согласованной и одобренной всеми сторонами, на данный момент нет", — говорит Ледков.

Национальные и международные организации выпускают специальные руководства по предупреждению образования космического мусора. Например, гайдлайн ООН, который описывает профилактические меры против захламления орбиты. Предпринимаются попытки создания международных программ по очистке околоземного пространства.

Однако все эти документы носят рекомендательный характер и не имеют юридической силы. Одна из причин — опасения, что технологии для удаления ненужных объектов могут быть применены в военных целях против действующих аппаратов.