Когда в космосе стало тесно?

В настоящее время действующие спутники со­став­ля­ют лишь не­боль­шую часть, из де­сят­ков ты­сяч на­хо­дя­щих­ся на око­ло­зем­ных ор­би­тах ис­кус­ст­вен­ных объек­тов, и, хо­тя ве­ро­ят­ность стол­к­но­ве­ния двух спут­ни­ков от­но­си­тель­но ма­ла, си­ту­а­ция с их без­о­пас­но­стью дав­но ста­ла кри­ти­че­ской. Од­ной из на­и­бо­лее важ­ных об­лас­тей кос­ми­че­ско­го про­ст­ран­ст­ва яв­ля­ет­ся ста­ци­о­нар­ная ор­би­та, при об­ра­ще­нии по ко­то­рой спут­ни­ки ка­жу­тся ви­ся­щи­ми не­под­виж­но над точ­кой на эк­ва­то­ре. И эта ор­би­та мо­жет ока­зать­ся, ес­ли уже не ока­за­лась, пе­ре­гру­жен­ной.

Syncom (спутник синхронной связи — synchronous communication satellite), спроектирован компанией Hughes Space and Communications с 1961 года как активный геосинхронный спутник связи

 

Первым на стационарную орбиту был вы­ве­ден спутник «Syncom-2» в июле 1963 го­да, но его орбита высотой 36000 км бы­ла на­кло­не­на под углом 32° к экватору, и спут­ник описывал восьмерки с заходом на од­ну треть в северную и юж­ную по­лу­сфе­ры. В 1964 году был запущен первый дей­ст­ви­тель­но ста­ци­о­нар­ный спут­ник «Syncom-3», и с тех пор 130 спут­ни­ков повторили этот успех, но еще боль­ше спут­ни­ков и от­ра­бо­тав­ших ракетных сту­пе­ней бы­ли вы­ве­де­ны на слег­ка на­кло­нен­ную или не­сколь­ко вытянутую 24- часовую ор­би­ту.

К апрелю 1982 года NORAD отслеживала 150 идентифицированных объектов вбли­зи ста­ци­о­нар­ной ор­би­ты и 50 не­о­поз­нан­ных объектов, которые регулярно проходили через стационарную орбиту. Сюда не вхо­дят спут­ни­ки, ко­то­рые пре­кра­ти­ли активное существование и некоторые секретные спутники военных ведомств. Кроме того, име­ет­ся около 2000 объектов с пло­щадью по­верх­нос­ти от 1 см2 до 1 м2, которые населяют стационарную ор­би­ту, но не от­сле­жи­ва­ют­ся сис­те­мой SPADATS.

Спутники на стационарной орбите большей частью являются связными или ме­те­о­ро­ло­ги­че­ски­ми, а не­ко­то­рые спут­ни­ки имеют военное назначение и выполняют такие функции, как раннее предупреждение и ра­ди­о­э­лек­т­рон­ная разведка.

Имеются два вида опасности для спут­ни­ков на ста­ци­о­нар­ной орбите при быстро растущей ее за­се­лен­нос­ти — вза­им­ные ра­ди­о­час­тот­ные помехи и пря­мые стол­к­но­ве­ния. Проблему радиочастотного вза­и­мо­дей­ст­вия мож­но решить, на­при­мер, путем со­от­вет­ст­ву­ю­ще­го раз­ме­ще­ния спутниковых и наземных пе­ре­дат­чи­ков и ре­гу­ли­ро­ва­ния мощности сиг­на­лов.

Имеются специальные правила, опре­де­ля­ю­щие ми­ни­маль­ные расстояния между спутниками на ста­ци­о­нар­ной ор­би­те, ра­бо­та­ю­щи­ми на близких частотах передачи и приема. Хотя будущие технические до­сти­же­ния могут из­ме­нить си­ту­а­цию, ста­ци­о­нар­ные спутники в основном работают сейчас в очень узких полосах ра­ди­о­час­тот­но­го спектра. Со­от­вет­ст­вен­но раз­ра­бо­та­ны ограничения количества спутников над данной точ­кой на экваторе. Однако по мере при­ме­не­ния но­вых ме­то­дов пе­ре­да­чи сиг­на­лов и уве­ли­че­ния ко­ли­че­ст­ва спутниковых операторов проблема пе­ре­на­сы­ще­ния спутниками становится все более и бо­лее серь­ез­ной.

На стационарной орбите возможны стол­к­но­ве­ния между двумя спутниками между спутником и осколком и меж­ду ак­тив­ным спут­ни­ком и спутником, прекратившим активное существование. Возможность стол­к­но­ве­ния меж­ду со­сед­ни­ми спут­ни­ка­ми с тремя факторами. Первым являются эффекты земных и солнечно-лун­ных гра­ви­та­ци­он­ных воз­му­ще­ний, которые уводят спутники из их начального положения. Эл­лип­тич­ность зем­но­го экватора вызывает ко­ле­ба­ния пас­сив­ных спутников или вокруг точки 75° восточной дол­го­ты или вокруг точ­ки 105° западной долготы.

Чтобы противодействовать этим силам, не­об­хо­ди­мы пе­ри­о­ди­че­ские маневры по поддержанию точек стояния, а это в свою очередь порождает второй фактор, способный привести к столкновению.

Третьим фактором является не­оп­ре­де­лен­ность в определении по­ло­же­ния спут­ни­ков. По­ло­же­ния быст­ро пе­ре­ме­ща­ю­щих­ся низ­ко­вы­сот­ных спут­ни­ков известны достаточно точно, а стационарные спутники на­хо­дят­ся го­раз­до дальше, кажутся не­по­движ­ны­ми в течение зна­чи­тель­ных промежутков времени и обычно мо­гут на­блю­дать­ся только одной иди не­сколь­ки­ми на­зем­ны­ми станциями. Практически слежение на ста­ци­о­нар­ной ор­би­те осу­щест­вля­ет­ся оп­ти­че­ски­ми системами, которые имеют известные ограничения. Столк­но­ве­ние спут­ни­ков не обязательно будет со­про­вож­дать­ся взрывом, но раз­ру­ше­ние хрупкой панели солнечных ба­та­рей или смещение тщательно сба­лан­си­ро­ван­ной оси за­крут­ки тоже может оказаться фатальным.

Fleet Satellite Communications System — система спутниковой связи военно-морского флота США для радиосвязи на дециметровых частотах

 

В начале мая 1980 года было установлено, что спутники 1973-40А и 1978-16А («FLT­SAT­COM») 4 мая ока­жут­ся на рас­сто­я­нии 9,4 км друг от друга с не­оп­ре­де­лен­но­стью ±10 км, а 8 мая расстояние между ними умень­шит­ся до 3,5 км с не­оп­ре­де­лен­но­стью ±20 км. И, хотя наибольшая, вероятность столкновения со­став­лял то­ль­ко 1,5 • 10-7, 3 мая один из них по ко­ман­де совершил маневр ухода.

Операция по сервисному обслуживанию на орбите искусственного спутника Земли Westar космонавтом Дейлом Гарднером

 

Было также предсказано, что 9 мая и еще раз 15 мая спутник 1974-22А («Westar-A») сблизится со спутником 1973-40А. Ни один из этих спутников не имел топлива для маневров, и какие-либо действия были не­воз­мож­ны. Недалеко от них сближались спутники 1979-53А и 1978-113А («DSCS-11») — на 16 мая были пред­ска­за­ны вза­им­ные расстояния 9,6±40 км и 3,5±40 км, и на спутник «DSCS-11» была послана команда со­вер­шить 15 мая маневр по поддержанию точки сто­я­ния.

Спутники DSCS предназначались для поддержки глобально распределенных пользователей Министерства обороны США и Агентства по национальной безопасности

 

Достаточно часто могут происходить и сближения спутника с осколками, бла­го­да­ря, в частности, большому ко­ли­че­ст­ву от­ра­бо­тав­ших ракетных ступеней и других сброшенных объектов. Боль­шин­ст­во ос­кол­ков на­хо­дит­ся на орбитах, про­хо­дя­щих несколько выше и ниже стационарной, и они проходят через ста­ци­о­нар­ную ор­би­ту. Столкновения меж­ду спут­ни­ка­ми и ра­кет­ны­ми ступенями являются одним из наиболее ве­ро­ят­ных, так как эти объекты имеют зна­чи­тель­ные по­пе­реч­ные раз­ме­ры. Через четыре месяца после за­пус­ка аме­ри­кан­ский военный спутник 1979-53А прошел вблизи от своей ракеты-носителя, хотя вычисленное рас­сто­я­ние меж­ду этими объектами составляло 20,9+20,9 км, на спутник была послана команда об осу­щест­вле­нии ма­нев­ра ухода.

Но не все сближения легко предсказать. Для современных следящих систем объек­ты с поперечным се­че­ни­ем менее 1 м2 большей частью оказываются не­об­на­ру­жен­ны­ми. Два американских-военных спутника, судя по вне­зап­но­му из­ме­не­нию их угловых моментов, видимо, столкнулись с небольшими объектами.

Столкновения между пассивными или не­ви­ди­мы­ми объектами обычно не вы­зы­ва­ют бес­по­кой­ст­ва, но и их не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать. Скорости столкновений типичных объектов на ста­ци­о­нар­ной орбите зна­чи­тель­но мень­ше сред­ней ско­рос­ти столкновения 10 км/с на высотах менее 2000 км, но даже при столкновении на ма­лых скоростях, например, пас­сив­но­го спутника с ракетой, могут об­ра­зо­вы­вать­ся мелкие и средние осколки, ко­то­рые будут пред­став­лять опас­ность для дру­гих спутников.

Не надо сбрасывать со счета и случайные взрывы искусственных объектов вблизи стационарной орбиты. 22 ав­гус­та 1970 го­да во время апо­гей­­но­­го маневра спутника «Skynet-1B» вышел из строя двигатель и на ор­би­те с ма­лым на­кло­не­ни­ем, вероятно, образовалось облако долгоживущих час­тиц, которое в апогее пе­ре­се­ка­ет ста­ци­о­нар­ную ор­би­ту. В подобных об­сто­я­тель­ст­вах в конце 1979 года и начале 1980 года были по­те­ря­ны американский спутник «Satcom-3» и один из японских ком­му­ни­ка­ци­он­ных спутников.

Еще одним источником осколков могут быть отработавшие ступени ра­кет-но­си­те­лей «Дельта», ис­поль­зу­е­мых для вы­во­да спут­ни­ков на стационарную орбиту. Известно, что к середине 1981 года в космосе взор­ва­лось по крайней мере 10 вторых ступеней «Дельта», время пре­бы­ва­ния которых в космосе к моменту взрыва из­ме­ня­лось от 1 суток до 35 ме­ся­цев. По состоянию на 5 апреля 1981 года осколки от взрывов «Дельты» со­став­ля­ли почти 27% от всех 3904 от­сле­жи­ва­е­мых объектов с периодами обращения менее 225 мин. При­чи­ной таких взрывов, как считают, является слу­чай­ное сме­ши­ва­ние остатков са­мо­вос­пла­ме­ня­ю­ще­го­ся топлива.

По мере увеличения размеров ста­ци­о­нар­ных спутников опасность столкновений будет уве­ли­чи­ва­ть­ся, а ес­ли раз­вер­нуть спут­ни­ко­вые солнечные электростанций размером 125–250 км, то вероятность их стол­к­но­ве­ний с по­сто­рон­ни­ми объ­ек­та­ми окажется очень высокой.

Для предотвращения столкновений не­об­хо­ди­мы модификации процедур раз­вер­ты­ва­ния и вы­ве­де­ния. Од­но­ра­зо­вые раз­гон­ные сту­пе­ни должны запускаться таким образом, чтобы они за короткое время сходили с ор­би­ты естественным путем или, целенаправленно уводились со стационарных высот после отделения по­лез­ных нагрузок. Переходные ор­би­ты также должны выбираться таким образом, чтобы при аварии ракеты-но­си­те­ля (такой как стол­к­но­ве­ние спут­ни­ка со сво­ей третьей ступенью) осколки не могли попасть на ста­ци­о­нар­ную орбиту. Спутники можно выводить или на до­ста­ци­о­нар­ные или на над­ста­ци­о­нар­ные ор­би­ты, чтобы их апогейные ступени не создавали опасности столкновения. Все пылевые экраны, крыш­ки на линзах надо сбра­сы­вать до выхода спутника на стационарную орбиту.

Более тесное расположение спутников на стационарной орбите станет возможным только после су­щест­вен­но­го улуч­ше­ния техники слежения за спутниками и ме­то­дов их контроля. Но прежде всего, спут­ни­ки дол­жны удаляться со ста­ци­о­нар­ной орбиты после завершения срока ак­тив­но­го су­щест­во­ва­ния, как это делалось с 1981 года в США.