Первый старт европейской космической ракеты Ariane 6 был почти успешным: 9 июля она вывела полезную нагрузку на орбиту. Но вторая ступень не смогла выдать тормозной импульс для управляемого схода с орбиты и теперь останется космическим мусором. Если тема космического мусора уже привычна, то вопросы его падения фактически нам на головы производители ракетно-космических систем недооценивают.

С вами Александр Баулин, ведущий менеджер МТС Диджитал и фанат космоса. Почему проблема появилась только сейчас и чем она нам грозит, расскажу под катом!

Что происходит?

На территории США все чаще находят фрагменты не сгоревших космических аппаратов. Апогеем стал фрагмент космического мусора с МКС, пробивший крышу дома во Флориде 8 марта 2024 года. Естественно, агентство не планировало бомбардировать землян, а рассчитывало, что контейнер с аккумуляторами полностью сгорит в атмосфере. Теперь владелец дома подал официальный запрос к NASA на возмещение ущерба.

Проблема, похоже, становится массовой: космические аппараты чаще отправляются в космос, а потом часть из них возвращается обратно — отработанные ступени ракет-носителей, спутники, их фрагменты и т. п.

В 2023 году состоялось 223 старта — самое большое количество пусков ракет-носителей за всю историю, по данным Space Foundation. В этом году ожидается новый рекорд. К регулярно проводящей пуски SpaceX присоединятся United Launch Alliance и Arianespace с новыми ракетами, не снижают темпы Китай и Россия, планирует запуски ряд стартапов. Напомним, что в 2025 году ожидается первый пуск сразу двух ракет Firefly и Northrop Grumman, о которых я рассказывал раньше.

Часто при запуске в космос выводятся десятки аппаратов — в первую очередь это касается спутников связи Starlink компании SpaceX. Их уже более 6 000 на орбите, а планируется вдвое больше. Аналогичные проекты планируют Amazon — проект Kuiper — и китайские компании, а в более скромных масштабах и другие страны.

В итоге через несколько лет на орбите будет находиться несколько десятков тысяч аппаратов. Срок службы у них около пяти лет (возможно, чуть больше), а после завершения работы американские компании обязаны сводить их с орбиты. Это кажется более правильным выходом, чем оставлять аппараты в качестве космического мусора на орбите. Но посчитаем: получается, каждый день в атмосферу будет входить несколько спутников. Если сгорание будет неполным, на Землю станут падать десятки и сотни фрагментов космического мусора.

В идеале спутник или отработанная ступень ракеты-носителя сводятся с орбиты с таким расчетом, чтобы упасть в несудоходной части океана, где нет ни островов, ни судов. Там возможные фрагменты никому не причинят вреда. Но это дорого, так как нужно дополнительное инженерное оборудование космических изделий, дополнительные запасы топлива для маневров и т. п. В некоторых случаях космические аппараты и тем более их фрагменты не имеют топлива и двигателей, а значит и возможности маневрировать. Они входят в атмосферу Земли случайным образом.

Инженеры из Aerospace Corporation подчеркивают необходимость дополнительного изучения поведения космического мусора при сходе с орбиты. Это позволит лучше понять процесс неконтролируемого входа в атмосферу всех видов космических объектов.

«Сейчас наша главная задача — лучше понять весь процесс и подготовиться к использованию новых материалов и подходов, которые быстро появляются», — сказал Марлон Сордж, исполнительный директор Центра исследований Aerospace Corporation.

В итоге возникают достаточно опасные для человека ситуации. Выше я уже упомянул фрагмент контейнера для аккумуляторов, сброшенный с МКС: в марте 2024 года его деталь пробила крышу дома во Флориде. В мае этого года 40-килограммовый кусок от SpaceX Dragon упал на территорию глэмпинг-курорта в Северной Каролине. А владелец дома в соседнем городе нашел еще один фрагмент от той же миссии Dragon: на самом деле лишь часть корабля SpaceX многоразовая.

В мае еще один кусок от капсулы Dragon весом более 40 кг был найден на ферме в канадской провинции Саскачеван. Позднее NASA и SpaceX установили, что обломки упали в феврале. В предыдущие годы космический мусор также находили на поверхности Земли: в прошлом году обломки Dragon упали на Колорадо, а в 2022 году фермер в Австралии нашел части капсулы Dragon на своей земле.

Уравнение с несколькими неизвестными

Проблема с космическими обломками относительно новая не только из-за массовости запусков, но и из-за применения новых материалов. В ракетах и спутниках все чаще используются композитные материалы. Инженеры до сих пор изучают, как композиты ведут себя в экстремальных условиях при входе в атмосферу, где они подвергаются нагреву до нескольких тысяч градусов и давлению, способному разрушить космический аппарат.

Грег Хеннинг, представитель Aerospace Corporation, объясняет, что не только материалы композита важны, но и то, как они собраны в единое целое. Каждый производитель может использовать собственные методы сборки, это приводит к уникальным характеристикам материала. Даже если два композита сделаны из одних и тех же базовых материалов (например, углеродные волокна и эпоксидная смола), их конечные свойства могут различаться в зависимости от того, как они были сплетены.

«Кувыркается ли аппарат при падении? Или он входит в атмосферу в стабильной конфигурации? Есть множество факторов, которые влияют на то, что происходит при входе в атмосферу, — говорит Грег Хеннинг. — Это значительно усложняет задачу определения того, сгорит ли такой объект полностью».

Если аппарат кувыркается или вращается, его поверхность испытывает неравномерное сопротивление, а это может привести к большим нагрузкам и повышенной вероятности разрушения. В этом случае спрогнозировать поведение аппарата сложно.

Вышеупомянутые обломки от нескольких космических кораблей Dragon — это остатки «багажника», негерметичного грузового отсека, установленного за капсулой для экипажа. В конце каждой миссии капсула Dragon сбрасывает ненужный багажник перед тем, как начать маневр выхода с орбиты и готовиться к посадке в океане на парашютах.

Схема Crew Dragon во фронтальной и боковых проекциях: A Капсула экипажа — герметичный отсек; B Капсула экипажа — служебный отсек; C «Багажник» — негерметичный грузовой отсек. — 1 Теплозащитный экран — 2 Сопла двигателей SuperDraco (4 × 2) — 3 Солнечные панели — 4 Сопла двигателей Draco (4 × 3) — 5 Носовой конус, защищающий стыковочный адаптер — 6 Люк вытяжных парашютов — 7 Люк для эвакуации экипажа — 8 Люк для 4-х основных парашютов — 9 Кожух труб и кабелей, соединяющих капсулу экипажа и грузовой отсек (для энергоснабжения и терморегулирования) — 10 Радиаторы — 11 Разъем для соединения со стартовым комплексом — 12 Закрылки для стабилизации полета при срабатывании системы аварийного спасения — 13 Иллюминаторы.

Багажник остается на орбите несколько недель или месяцев, постепенно снижаясь. Вход в атмосферу происходит неконтролируемо, и точное время возвращения можно предсказать только с погрешностью в несколько часов, даже в день самого события. Значит, даже приблизительное место падения указать крайне сложно.

SpaceX и NASA не ожидали, что какие-либо фрагменты багажника Dragon упадут на Землю. «При первоначальном проектировании багажника космического корабля Dragon проводилась оценка разрушения при входе в атмосферу. Был сделан вывод, что он полностью сгорит», — говорится в заявлении NASA.

Другие страны тоже отметились падением крупных фрагментов космических аппаратов, особенно Китай. Но все-таки главную тревогу вызывают спутники связи, потому что их много. Тем временем SpaceX планирует запускать более крупную версию спутников Starlink. Инженерам предстоит еще немало времени потратить на изучение проблемы, ведь никому на Земле не нужен «мусоропад» из фрагментов космических аппаратов.