Год назад вышел фильм «Вызов», ради которого актриса Юлия Пересильд и режиссёр Клим Шипенко отправились в космос и почти две недели провели на МКС. Сюжет завязывается с экстренной смены орбиты станции для уклонения от приближающегося космического мусора. Нашего «любимого». В прошлый раз мы упоминали о попадании космического мусора в руку-манипулятор на МКС. К счастью, повреждение оказалось безвредным, всего лишь продырявило кожух. Но так везёт не всегда, и в истории было уже немало примеров повреждений космических аппаратов разной степени тяжести.
▍ Каждый кусочек — словно снаряд
Главная опасность космического мусора заключается в скорости соударения. Если векторы движения аппарата и какого-нибудь болта или обломка пластика пересекаются под тупым углом, они могут столкнуться на гиперзвуковых скоростях. А в таком случае даже у совершенно пустячной финтифлюшки будет огромная кинетическая энергия. Мусор микрометрового размера лишь создаёт выщерблины на поверхностях.
Стёкла на американских шаттлах часто приходилось менять из-за таких микроповреждений, а на орбите эти корабли старались позиционировать хвостом вперёд по направлению полёта, чтобы поберечь стёкла кабины.
Миллиметровые обломки уже способны пробивать панели насквозь. Вот пример попадания 23 августа 2016 года мусора размером меньше 5 мм в солнечную панель спутника радиолокационного зондирования (разведки) Sentinel-1А:
Объекты размером в несколько сантиметров могут наносить критические повреждения.
А любое столкновение с объектом размером больше 10 см просто разнесёт космический аппарат или орбитальную ступень.
▍ Как защититься?
Все космические аппараты довольно хрупкие, особенно спутники. Любое упрочнение конструкции утяжеляет её, а значит удорожает и усложняет вывод на орбиту. Приходится изощряться в поисках компромиссов между прочностью, массой и объёмом. И обычно для защиты внутренностей космических аппаратов приходится полагаться только на обшивку. Наиболее важные узлы приходится дополнительно защищать «бронёй». В 1947 году астроном Фред Уиппл (Fred Whipple) предложил схему разнесённого бронирования: внешний слой (бампер) принимает на себя удар и частично гасит его кинетическую энергию, а расположенный на некотором расстоянии внутренний слой (уловитель) останавливает частицы и брызги вещества разрушившегося снаряда и внешнего слоя.
Например, вот результат испытания щита Уиппла классической конструкции. Алюминиевый шарик диаметром 4 мм на скорости 7,2 км/сек. ударялся под углом в 45 градусов во внешнюю алюминиевую панель толщиной 1,2 мм. За ней на расстоянии 49,5 мм была основная алюминиевая панель толщиной 3,3 мм:
По тому же принципу защитили и начинку межпланетной станции «Джотто» (Giotto), запущенной в 1985 году для исследования ядра кометы Галлея. При встречном пролёте станции и кометы их взаимная скорость должна была быть 245 000 км/ч (68 км/сек.). В этом случае частицы пыли весом 0,1 гр. способны пробить плиту алюминия толщиной 8 см. Конструкторы вышли из положения так: сделали внешний защитный слой толщиной 1 мм, а на расстоянии 23 см от него — слой кевлара толщиной 12 мм. Такая броня защищала «Джотто» от частиц массой до 1 гр., летящих со скоростью около 45 км/сек.
Некоторые критически важные узлы МКС защищены алюминиевыми плитами разной толщины. Но это совсем не панацея. Смотрите, что происходит при попадании в них маленьких обломков:
Щиты Уиппла очень широко используются для защиты космических аппаратов. Такой подход сегодня лучше всего защищает от мелких высокоскоростных объектов, вероятность их разрушения и рассеивания выше, чем при использовании толстых монолитных или композитных плит. Впрочем, именно на скоростях в считанные километры в секунду щиты Уиппла показывают наименьшую эффективность.
Поэтому в поисках лучшей защиты для МКС придумали свыше 100 вариантов конструкции, в том числе с использованием керамонаполненных тканей и многослойных щитов.
Взаимодействие мусора и защитной оболочки при высокоскоростном ударе представляет собой сложный, нелинейный комплекс процессов, включающий в себя множество малоизученных механических и физических эффектов. Динамическая прочность, многофазные уравнения состояния и фрагментация материалов мусора и щита влияют на друга при расчётах результата столкновения и потенциального пробития. Поэтому в разработке механических средств защиты космических аппаратов крайне важны эксперименты. Ведь ошибки в проектировании щитов могут стоить многие сотни миллионов, а то и жизней космонавтов.
А мы напоминаем, что вы можете послать в околоземное пространство лучики чистоты, поставив рекорды в нашей игре «Спутник против мусора».
Помоги спутнику бороться с космическим мусором в нашей новой игре! ????
Комментарии (29)
alff31
09.01.2024 09:04+5они могут столкнуться на гиперзвуковых скоростях
Странно для безвоздушной среды использовать меру скорости звука.
pavel_kudinov
09.01.2024 09:04+8для мишения важна скорость распространения звука в материале из которого изготовлена мишень, она же скорость распространения ударной волны
если скорость снаряда выше скорости звука в материале мишени - работает принципиально иная механика деформации, примерно как в случае с преодолением предела текучести у кумулятивной струи
larasage
09.01.2024 09:04Собственно на фото с последствиями попаданий в алюминий - скорость звука в алюминии ниже скорости снарядов. Защита выдержала.
nemajo
09.01.2024 09:04+6
Вопрос к знатокам: мы хоть сколько-нибудь приблизились к подобию энергетических щитов? Есть какие-нибудь разработки вообще?
pavel_kudinov
09.01.2024 09:04+1да, думаю наиболее близкое - удержание сверхгорячей плазмы в ТОКАМАКах тороидальным вихревым магнитным полем
а также защита от солнечного ветра магнитным полем Земли (естественный источник, но по сути - это огромное "вязкое" защитное силовое поле размером с планету, индуцируемое вращающимся металлическим сердечником (ядром планеты). никто не мешает это пробовать воссоздать искусственно
CBET_TbMbI
09.01.2024 09:04+8Ни капли. Это чистая фантастика.
Из более-менее возможного:Электромагнитные поля. Но они смогут отклонять только заряденные частицы. Даже песчинки с нулевым зарядом ими не отклонишь.
Чем-то сдувать. Но сдуть можно разве что песчинку и то при небольшой скорости. Это не про космос.
Запустить и удерживать вокруг корабля облако плазмы или микромагнитов. Чтобы это облако защищало корабль и принимало на себя удары. В теории, оно на самом деле сможет защитить хотя бы от мелочи (но воздух они не удержат - это будет просто сжигающий/дробящий тела щит). Ещё плюс в том, что после удара в нем не останется дыр (облако же). Минус в том, что это тоже фантастика, но хотя бы научная. Таких технологий нет и в ближайшие десятилетия (или века) не предвидится. Но это хотя бы возможно с точки зрения физики.
pavel_kudinov
09.01.2024 09:04+1чтобы не заряженное вещество стало заряженным его нужно ионизировать, т.е. разогреть до состояния плазмы
нагреть подлетающее вещество (например, кинетический снаряд или астероид) можно мощным лазером, а электро-магнитным полем уже размазать облако плазмы уведя плазменное облако, оставшееся от кинетического снаряда с траектории
конечно, фантастика, но вроде как тоже хотя бы научная
в целом если экстраполировать в будущее такую цепочку рассуждений, можно подумать над эффективными не лазерными способами резкого разогрева подлетающего на космической скорости не ионизированного астероида. впрочем, думаю ваше гипотетическое облако плазмы вокруг корабля и есть хороший пример такого поляpavel_kudinov
09.01.2024 09:04по теме космических вундервафель рекомендую недавний научно-фантастический ролик от Kurzgesagt – In a Nutshell по теме:
https://www.youtube.com/watch?v=tybKnGZRwcU
CBET_TbMbI
09.01.2024 09:04+1Да, если энергия бесконечная, и лазеров куча, чтобы даже не испарить, а оплазмить каждый осколок, то это теоретически тоже возможно.
alexleo
09.01.2024 09:04+1Буквально пару дней назад встречал новость, что китайцы разрабатывают защиту от поражения военных дронов направленным микроволновым излучением с помощью облака плазмы. В лаборатория, как утверждается, получается защититься от ЭМИ до 170 кВт. Не от кинетического оружия защита, но уже что-то.
pavel_kudinov
09.01.2024 09:04как понимаю, если гиперзвуковые ракеты действительно летают в облаке плазмы, у них такая защита by design
gummybeer
09.01.2024 09:04То есть спутнику нужна магнитосфера для заряженных частиц, атмосфера для мелких пылинок и жидкий океан для крупных. Мне знаком один такой спутник Солнца;)
vanxant
09.01.2024 09:04+1Ещё возможно лазерное пиу-пиу. Не очень понимаю, как можно обнаружить кусок пластика размером 25 мм с расстояния в 10 км, но если таки обнаружить, за оставшиеся полторы секунды его вполне можно сжечь пучком лазеров.
Люминевый болт проще обнаружить (радаром), но несколько сложнее сжечь (отражает)
ptr128
09.01.2024 09:04Самолетные АФАРы обнаруживают объекты с ЭПР 1 кв.м на расстоянии 400 км даже в атмосфере. Если пластик отражает электромагнитное излучение, то как раз на расстоянии 10 км его и обнаружит. Если же пластик поглощает электромагнитное излучение, как РПМ, то он сам будет излучать. Скорее всего, в ИК диапазоне, что позволит обнаружить его в космосе уже на существенно большем расстоянии, чем 10 км. Теплообмена с воздухом в космосе быть не может.
А вот на высоте МКС, ~400 км, с поверхности Земли удается отслеживать объекты только с ЭПР, порядка 0.01 кв.м. Это объекты, примерно, 10х10 см.
wmlab
09.01.2024 09:04+1У Лема в "Фиаско" корабль "Гермес" использовал при нападении самый продвинутый на тот момент гравитационный щит. Ну, мы не знаем, как управлять гравитацией пока, но это самый лучший универсальный щит от всего.
Кстати, задачу щита надо решить до того, как летать со околосветовыми скоростями, как в НФ романах. На таких скоростях не только пылинка или газ, а даже реликтовое излучение "съест" любой корабль.
GOD, захваченный врасплох, прибег к гравитационному способу спасения. Собрав всю мощность двух силовых агрегатов, он опоясал корабль тороидальными обручами тяготения. Внутри этих торов, словно в центре перекрещенных автомобильных шин, находился «Гермес», а направленные на него снаряды попали в пространство со шварцшильдовской кривизной. Поскольку каждый материальный объект, попадающий в него, теряет все физические признаки, кроме электрического заряда, момента вращения и массы, становясь бесформенной частицей гравитационной могилы, то от примененных в атаке средств не осталось никакого следа. Использованные в качестве непробиваемого панциря торы существовали чуть больше десяти секунд, что обошлось кораблю в 10^21 джоулей.
DustCn
09.01.2024 09:04>>Кстати, задачу щита надо решить до того, как летать со околосветовыми скоростями, как в НФ романах.
Отражатель из льда. Расходуемый. Не помню в какой книжке НФ было...
ptr128
09.01.2024 09:04Если уж погружаться в фантастику, то в какой-то книжке для этих целей использовали телепортацию всего космического корабля. Зачем щиты, если можно мгновенно телепортироваться на несколько километров? В боях так вообще, телепортация, удар и сразу опять телепортация. Другой вопрос, что мы ни одной кротовой норы до сих не обнаружили. Не то что не научились их создавать по своему желанию, да еще и в нужное место.
DustCn
09.01.2024 09:04Ну я делю фантастику на научную и околонаучную. Телепортации, петли времени и другие транслюкации это из второй. В упомянутой мной книжке был импульсный ядерный двигатель, и щит из намораживаемой воды спереди для межзвездных перелетов на высоких скоростях. Ничто из этого не является невозможным или недостижимым уже сейчас. Если найдется государство (частник не подойдет ввиду ядерного топлива на орбите) для постройки подобного - можно начинать, не изобретая какие то новые принципы, хоть завтра.
ptr128
09.01.2024 09:04И с какой скоростью совершаются описанные межзвездные перелеты, что тащить с собой дополнительную массу щита выгодней, чем маневрировать? Даже при скорости 1 тыс. км/сек любой щит только от объектов микронного размера спасет. Не забывайте о квадрате скорости в m*v^2/2. А до ближайшей звезды с такой скоростью лететь больше тысячи лет.
Так что нет ничего научного в таскании с собой многотонного щита.
krote
09.01.2024 09:04+1Как насчет идеи скажем использовать много мощных направленных звуковых волн. Например при приближении предмета несколько сверхмощных пушек из разных мест выстреливают одиночный звуковой фронт таким образом, чтобы они наложились друг на друга и соответственно усилились в месте перед предметом. Интересно сколько пушек должны выстрелить и сколько децибел, чтобы оттолкнуть летящий предмет типа пули?
Практическую нереальность подобного я понимаю, по многим причинам, например трудно сделать звук направленным. Но что то типа этого уже используется - динамическая броня танка например.
bbs12
09.01.2024 09:04Управляемый и самовосстанавливающийся рой наноботов вокруг корабля. Принцип работы такой же, как заживление ран и царапин в биологическом организме. Боты по сути являются частью корабля и по мере необходимости используются для других целей (ремонт оборудования, топливо и т.д.).
Что интересно - попавший в корабль объект иногда может быть более-менее аккуратно преобразован и тоже стать частью корабля. А это уже слегка похоже на: https://ru.wikipedia.org/wiki/Межзвёздный_прямоточный_двигатель_Бассарда
alexleo
09.01.2024 09:04А зачем наноботы? Вы описываете аналог активной защиты, которая применяется и на танках, и в пво. Тогда можно просто распылить песок вокруг корабля, чтобы летящий мусор испарился от столкновения с песком
Denev
09.01.2024 09:04Вопрос к знатокам: мы хоть сколько-нибудь приблизились к подобию энергетических щитов? Есть какие-нибудь разработки вообще?
Если я правильно помню, то была глава про это в книге Митио Каку "Физика невозможного".
sergs79
09.01.2024 09:04-11так илон маск за последние 2 года вывел на орбиту нескольок тысяч спутников, и столько же будет выведено еще в будущие года..... так американцы постпуают со всем своим мусором, они его сбавляют в третьи страны (пример Украина), либо в океан
max851
09.01.2024 09:04+21Жаль, что я Вам не могу поставить минус. Ваше мировоззрение мне отвратительно.
remendado
09.01.2024 09:04+1Кстати, тема утилизации отработавших свой ресурс спутников мало-помалу становится актуальной. В атмосфере сгорает далеко не все. Для автомобилей изобрели автомобильные кладбища и утилизационный сбор. А что для спутников?
AlexSpirit
Бесит, когда заглавное фото - кликбейт. Дальше даже читать не хочется.
Это последствия тарана кораблём «Прогресс-М34» модуля «Спектр» станции "МИР" 25 июня 1997 года. Сразу после аварии было потетряно до 40% генерации энергии. В последствии энергоснабжение было восстановлено. Сам модуль потерял герметичность, которую так и не смогли восстановить.