Перший штучний супутник Землі був запущений в космос 4 жовтня 1957 року. З того часу було скоєно понад 4600 запусків, в результаті яких у Землі з'явилося близько 6000 супутників, при цьому переважна більшість з них було виведено на геостаціонарні (GEO - Geostationary Earth Orbit) і нізкостаціонарние (LEO - Low Earth Orbit) навколоземні орбіти. Незважаючи на таку велику кількість запущених супутників, реально сьогодні їх експлуатується не більше тисячі. Але де ж знаходяться інші?

Посилання в тему: Пробки в космосі .

Космічне сміття в масштабному кількості вперше народився 29 червня 1961 року, що через 77 хвилин після виходу на орбіту ступеня американської космічної ракети-носія вагою близько 750 кг. Більше 200 її фрагментів розлетілися по орбітах заввишки від 300 до 2200 км. А сьогодні на навколоземних орбітах відслідковуються вже тони фрагментів різноманітних руйнувань у величезних кількостях: розміром від 10-15 сантиметрів і більше - близько 15 тисяч, сантиметрових, недоступних для постійного контролю - кілька сот тисяч, а частинок міліметрового розміру - мільйони. Причини руйнування супутників найрізноманітніші - самознищення після закінчення терміну експлуатації, аварії, зіткнення. Буває, що і відпрацьовані ступені ракет-носіїв, які по ідеї відразу повинні падати на Землю в розрахункове місце після того, як виконають своє завдання, роками літають навколо Землі.

Приблизно ось так виглядає космічне сміття на навколоземних орбітах. Художник спеціально для Європейського Космічного Агентства (ESA) намалював ці малюнки. Ви можете розглянути їх в хорошому дозволі на сайті Агентства. Розглянемо КАРТИНКУ .

Космічне сміття на LEO-орбітах. Розглянемо КАРТИНКУ .

Найнижчі освоєння людиною орбіти використовуються апаратами зйомки поверхні Землі, метеоспостережень і зв'язку, пілотованими кораблями і станціями. Вони літають на висотах від 300 до 2000 тисяч кілометрів. Саме тут знаходиться приблизно 70% космічного сміття і його концентрація на самих «заселених» висотах - від 900 до 1500 кілометрів - досягла такої величини, що навіть якщо зараз припинити всі нові запуски супутників, то приблизно з 2055 роки кількість знову утворюються об'єктів сміття почне перевищувати його спад (так зване «самоочищення»).

Космічне сміття на LEO-орбітах. Розглянемо КАРТИНКУ .

А ось на орбітах, розташованих в діапазонах від 2 до 6 і від 12 до 19 тисяч кілометрів космічних апаратів практично немає, оскільки тут розташовані шари високої радіації (радіаційні пояси Землі). Перебувати в апаратах на цих орбітах теоретично можна і довгий час, але для цього їх потрібно захистити свинцевими плитами - але ж їх теж потрібно якось туди доставити, що важко і дорого, а, значить, комерційно необгрунтовано. А ось область висот між 6 і 12 тисячами кілометрів потихеньку починає «заселятися» - правда, супутники зв'язку туди тільки-тільки починають запускати.

Вид LEO-орбіт при розгляді над Північним полюсом. Розглянемо КАРТИНКУ .

Вид LEO-орбіт при розгляді над екватором. Розглянемо КАРТИНКУ .

Геостаціонарну кільце. Розглянемо КАРТИНКУ .

Вище 22 тисяч км над Землею розташовується «незаселена» область космічного простору аж до орбіт геостаціонарних супутників на висоті 32 000 - 40000 кілометрів. На висоті 35800 км кутова швидкість руху супутника дорівнює кутової швидкості руху знаходиться під ними поверхні Землі, тому супутники рухаються приблизно над однією і тією ж областю на поверхні нашої планети. Це робить GEO-орбіту ідеальної орбітою для зв'язку, так як немає необхідності супроводжувати супутник, щоб визначити, куди направляти антену. Наші супутникові тарілки направляються на такий космічний апарат, і ми можемо дивитися безліч різних телепрограм.

Моделювання вибуху на GEO-орбіті. Розглянемо КАРТИНКУ .

Що ж відбувається в космосі після вибуху? Геостаціонарний супутник має швидкість близько 11 км / сек. При швидкостях вище цього порогу (третя космічна швидкість) космічне сміття міг би подолати земне тяжіння і полетіти з орбіти. Але паливний бак і персональний двигун до кожної частинки космічного сміття НЕ прикріпити, тому він залишається на орбіті, обертається навколо Землі і множиться, множиться, множиться.

Моделювання вибуху на GEO-орбіті. На другий день після вибуху. Розглянемо КАРТИНКУ .

Зараз на геостаціонарній орбіті число працюючих станцій - приблизно 350. Всі вони з часом перетворяться на космічне сміття, як перетворилися накопичилися там були у використанні близько тисячі старих об'єктів, розмір яких більше 0,5 метра в поперечному перерізі. Дрібного сміття, зрозуміло, ще більше, але виявляти їх важче, хоча існує ціла міжнародна система стеження і за цими об'єктами.

Тяжіння землі і відцентрові сили впливають на геостаціонарні супутники. Розглянемо КАРТИНКУ .

Переваги руху супутників по GEO орбітах очевидні. Але є і недоліки, і один з них - велика відстань між супутником і земною поверхнею. Але достатня потужність або досить велика антена, тим не менше, дозволяють подолати це обмеження. Більш серйозне обмеження пов'язане з тим, що є тільки одна геостаціонарна орбіта, представляє більш серйозне обмеження, значить, обмежена кількість місць, в які геостаціонарні супутники можуть бути поміщені - це пов'язано з тим, щоб обмежити кількість частот, призначених для зв'язку, щоб не було перешкод при прийомі і передачі сигналів з різних супутників. Але є деякі сили, які змінюють орбіти з часом. Наприклад, оскільки геостаціонарна орбітальна площину не збігається з площиною орбіти Землі (екліптикою) або площиною орбіти Місяця, гравітаційне тяжіння Сонця і Місяця поступово збільшує орбітальне нахил кожного супутника, щоб перемістити геостаціонарні супутники з їх екваторіальній орбіти.

Орбіти на висоті 19-22 тисячі кілометрів від поверхні Землі. Розглянемо КАРТИНКУ .

Тут знаходяться супутники навігаційних систем Росії і США (Глонасс і Навстар), і поступово розгортаються системи такого ж роду для Європи (Галілео) і Китаю (Компас). Навігатори нового покоління за сигналами КА цих систем нам дозволяють орієнтуватися на місцевості, саме вони встановлюються в автомобілях, в таксі - їх може придбати будь-який бажаючий.

Щоб зменшити ризик зіткнення, геостаціонарні супутники після закінчення їх космічної місії повинні бути видалені із зони GEO. Розглянемо КАРТИНКУ .

Надати супутнику третю космічну швидкість сьогодні обходиться в два рази дорожче будь-якого переміщення з однієї GEO- орбіти на іншу, і сьогодні додатковими двигунами оснащена приблизно п'ята частина космольотів. Щоб здійснити такий підйом, потрібно затратити стільки палива, скільки потрібно супутнику на 3 місяці роботи. Але можна «закидати» супутники не так далеко - підйом супутників на 300 км вище їх робочої орбіти дозволяє перевести їх на безпечне «цвинтар», тобто орбіта б захаращували, але тривалість життя працездатних супутників продовжувалися б і їм рідше була потрібна б заміна, а, значить, нехай частково, але проблема сміття може вирішуватися. Сьогодні це єдина можливість зберегти унікальний ресурс GEO-орбіт.

Супутник видалений з GEO-орбіти. Розглянемо КАРТИНКУ .

Однак, цей маневр можливий в тому випадку, якщо не тільки вистачає палива, але і не відбуваються незаплановані відмови і несправності, на кшталт відмови зв'язку або несправностей в електроживленні.

Відхилення GEO-супутника від початкової орбіти. Розглянемо КАРТИНКУ .

Неідеальна, тобто некруговой форма земного екватора змушує GEO-супутники поволі «стікати» до однієї з двох точок стійкої рівноваги уздовж екватора, тобто до дрейфу назад і вперед щодо цих точок. Крім того, довгостроковий вплив Сонця, Місяця і Землі проявляється таким чином, що, якщо супутник витратить паливо, поступово орбітальна площину, на якій він буде обертатися навколо Землі (хоча це відбувається і не моментально) відхилиться по відношенню до первісної. За законами небесної механіки площину орбіти прецессирует з періодом 52 роки і амплітудою близько 15 °. А це означає загрозу іншим геостаціонарним супутникам, оскільки двічі в день такий старий сміття буде перетинати їх GEO-орбіту.

Коригування орбіти супутника. Розглянемо КАРТИНКУ .

Але дрейфує не тільки космічне сміття. Працюючий супутник не може переміщатися строго по розрахунковій орбіті. З тих же причин, що і сміття, GEO супутник постійно йде з ідеальною орбіти, і необхідно компенсувати цей догляд за допомогою періодичного включення коригувальних двигунів, що штовхають супутники в напрямку «північ-південь» і «схід-захід». Якби наземні служби цього не робили, то всі вони в напрямку «схід-захід» теж би «стекли» в дві природні «западини» (105 ° західної і 75 ° східної довготи). Через таких маневрів орбіта GEO- жодного супутника не кругова, а злегка еліптична, і відстань від центру Землі до супутника коливається протягом доби. Ці коливання досить значні - по 10-20 і більше кілометрів вгору-вниз від ідеальної орбіти. На одній такій еліптичній орбіті може перебувати теоретично кілька супутників, але щоб вони не зіткнулися ними потрібно управляти так, щоб вони весь час перебували в протилежних точках цієї орбіти. На практиці через неминучих помилок при виконанні маневрів супутників і неможливості суперточна визначити відносну орбіту, супутники рухаються все-таки не за однаковими траєкторіями і не зовсім в фазі «один навпроти іншого», і зараз це звичайно не більше шести супутників в одному такому ось «вікні допуску».

Варіанти того, як можуть виглядати GEO-орбіти до 2112 році. Розглянемо КАРТИНКУ .

Що буде, якщо космічний сміття не «прибирати» з GEO-орбіт, вже зрозуміло. Для LEO-висот найстрашніше - це космічне сміття, перетертий в пил. Він може обертатися там тисячі років, і, якщо такий пилу буде багато, через неї ці тисячі років не можна буде пролетіти. Тому прибирати сміття на низьких орбітах потрібно зараз, оскільки позбавлятися від великих об'єктів - завдання реальна, а позбутися мікропилу допоможе тільки чарівник. За оцінками фахівців вартість одиниці такої «збиральної» техніки обійдеться раз в десять дорожче, ніж запуск однієї ракети-носія типу «Протон». Навіть якщо починати їх використовувати зараз, кількість комічного сміття до 2112 року збільшиться, але, якщо все пустити на самоплив, і нічого не міняти в космічному бізнесі, ситуація може стати некерованою.

Місія «Прибирання космосу». Розглянемо КАРТИНКУ .

Щоб знову запускаються в космос супутники, і в тому числі ось такий «прибиральник» не стали відразу ж новими об'єктами космічного сміття, вже зараз ведеться спостереження, каталогізація літаючих об'єктів на орбітах і моделювання ситуацій на різних висотах навколоземного простору з урахуванням проходження Землі через численні метеорні потоки, а також відстеження найбільш небезпечних напрямків приходу в навколоземний простір природних космічних об'єктів. Це складна робота, що вимагає спеціальних техніки і знань. І все ж точність прогнозів таких ситуацій не може бути гарантовано високою. Це пов'язано з тим, що постійно зростає число користувачів космосу, з'являються нові технології, за якими для передбачень поки просто не вистачає статистики, це пов'язано і з невизначеністю майбутніх вибухів і зіткнень об'єктів на орбітах.

Процентне співвідношення об'єктів на GEO-орбітах. Розглянемо КАРТИНКУ .

За даними на грудень 2004 року через тисячу сто двадцять чотири відомих об'єктів, що знаходяться на GEO-орбітах, 31% - це діючі супутники, 37% - що дрейфують навколо Землі об'єкти, 13% вагаються приблизно близько стабільно рівноважних точок, 153 об'єкти по орбітах яких немає даних і 60 неідентифікованих (невпізнаних) об'єктів.

Вибух супутника. Розглянемо КАРТИНКУ .

12 лютого цього року на висоті 800 км над Сибіром зіткнулися російський супутник, виведений на орбіту в 1993 році, контрольований, але не функціонує, і американський, запущений в 1997 році, що забезпечує зв'язок компанії «Моторола» (система «Ірідіум»). «Ми ніяк не очікували зіткнення. Але неможливо відстежити рух всіх об'єктів на орбіті, і цей інцидент ще раз говорить про необхідність тісної співпраці між країнами з питань космосу », - заявив Пентагон, визнавши свою помилку в розрахунках траєкторії і уточнивши, що це перший випадок зіткнення на орбіті непошкоджених супутників.

Тим часом, нагадаємо, що в квітні 2005 року американцями в космос був виведений корабель «Dart», який повинен був зустрітися з відпрацьованим військовим супутником «Mublcom», щоб провести перевірку методу автономної стикування. Обидва агрегати, до речі, були неушкодженими об'єктами. В результаті комп'ютерної помилки навігація апаратів була проведена з помилками, вони зіткнулися, стали об'єктами пошкодженими і, як пояснювали американці, обидва повинні були згоріти при вході в щільні шари атмосфери без особливих складнощів. Так чи інакше, обидві ці ситуації незаплановані, і гарантій, що такого більше не повториться, бути не може.

Проблем в космосі вистачає і без цього. На сьогодні зафіксовано майже 200 вибухів космічних об'єктів, і, цілком можливо, що частина з них пов'язана із зіткненнями з фрагментами космічного сміття. Перевірити і довести це не завжди просто. Наші астрономи за останні 10 років зафіксували понад 1000 непрогнозованих змін швидкості дрейфу, знову ж частина з них може пояснюватися зіткненням з дрібними фрагментами.

Завдання утилізації космічних відходів повинна вирішуватися. Розглянемо КАРТИНКУ .

Загалом, як не крути, тонни космічного сміття - це реальна проблема. Як її вирішувати в глобальному плані? Вчені країн, щось роблять уже зараз, щось вигадують на майбутнє. Головне, що всім ясно - це завдання, дорога, складна, до речі, комерційно вигідна, і все ж не та, рішення якої можна відкласти на післязавтра. Не варто забувати, що кілька десятків супутників мають на борту радіоактивні речовини. І вже сьогодні відомі два випадки радіоактивного зараження поверхні Землі при падінні таких апаратів - в Антарктиді і Канаді.

Звичайно, це не означає, що потрібно закочувати очі від страху і напружено чекати, коли з нами станеться щось жахливе. Вчені нас лякають не тільки цим. Наприклад, в статті «У 2012 році нас чекає Великий БУМ планети Земля?» В. Берест пояснює суть двох теорій, що з'явилися не так давно і не мають статус офіційних, але все-таки створеним людьми вельми компетентними в своїх областях - у фізиці і геології - і задає питання: так чи безпідставно хвилювання обивателів з приводу сумного прогнозу календаря майя , якщо і серйозні фахівці вважають, що багато в чому грудень 2012 року може зробити проблему засмічення космічних орбіт Землі в 2112 році несуттєвою порівняно з тією, що нам «світить»? Радує лише те, що це тільки теорії, які ніяких однозначних відповідей на це питання не дають, а лише пророкують події, які можуть статися з определеной ступенем ймовірності -а це значить, що можуть і не відбутися. Так що не будемо завчасно переживати або опускати руки. Навпаки, закатати рукава, і все, як один зрозуміємо, як це важливо - не смітити у власному будинку, особливо, якщо цей будинок - наша планета, така тендітна Земля.