Недавно была годовщина ядерных космических испытаний. 9 июля 1962 США провели операцию «Морская звезда» — высотный взрыв ядерного заряда. Мощность взрыва составляла 1,4 Мт, высота взрыва — около 400 км, место взрыва — вблизи острова Джонстон в Тихом океане.
В чём актуальность этой темы?
Актуальность в резком изменении военно‑политической ситуации, произошедшем за последние пару десятилетий. Мир стал гораздо более турбулентным. Пару месяцев назад российские и французские СМИ, в т.ч. путем публикации интервью с высокопоставленными политиками, обсуждали сценарии потенциального обмена ядерными ударами между Францией и Россией. Украина сняла многие ядерные табу. Это и систематические удары по АЭС, и удары по РЛС системы предупреждения о ядерном нападении и т. д. В США всерьез обсуждают необходимость передачи ядерного оружия (ЯО) Германии и Японии. ЯО есть у Израиля, страны, стратегическая ситуация которой катастрофическая. Судя по всему, ЯО есть у Ирана. А ещё у Пакистана. Саудовская Аравия в свое время оплатила пакистанскую ядерную программу взамен на обязательства передать ядерные заряды по запросу. и т. д.
В общем, очень много кто по совершенно разным причинам может осуществить космический ядерный взрыв.
Примечательно, что тему начало разминать такое издание, как Scientific American. Повторюсь, это издание, которое читают для того, чтобы знать о чем сегодня нужно говорить в приличном околонаучном обществе.
Так что будет, если, или, скорее, когда произойдёт ядерный взрыв в космосе?
Понятно, что те спутники, что окажутся рядом со взрывом, будут уничтожены. Но что будет с остальными? Давайте разбираться.
Вокруг темы много мифов — в обе стороны — как о сверхкритичности, так и о безопасности взрыва. Поэтому в попытках в чём‑то разобраться давайте опираться на несомненные факты.
Очевидно, что динамика плазмы от высотного ядерного взрыва — сложнейшая нелинейная нелокальная задача. Она не может быть решена теоретически. И никакие не ядерные эксперименты не могут в полной мере моделировать происходящее.
Первый факт. Испытания ЯО в космосе не проводились уже шесть десятилетий.
Второй факт. В полной мере научные данные получить во время испытаний не удалось. И спутников тогда было мало. И используемое оборудование не в полной мере позволяло измерять исследуемые эффекты. и т. д. И, разумеется, в полной мере научные полученные тогда данные не опубликованы.
Вот, например, экспериментальная статья 2006 года. Экспериментальная — потому что только тогда были нормально обсчитаны и синхронизованы научные данные с разных спутников, что позволило куда более точно чем ранее описать некоторые последствия взрыва.
Сборник докладов американских симпозиумов по «Морской звезде», переведенный на русский и опубликованный в 1964 году — ссылка. Докладчики многократно подчеркивают, что датчиковая аппаратура была несовершенна и многие параметры измерялись косвенно и очень приблизительно. Например — по скорости деградации солнечных батарей.
Третий факт. Многие спутники были повреждены последствиями ядерного взрыва.
Например — навигационный спутник ВМС США Transit 4B. Причём взрыв был 9 июля, а перестал работать спутник 2 августа. Важно, на спутнике был ядерный источник энергии SNAP 3. То есть аппаратура спутника была рассчитана на воздействие радиации.
Таким образом, искусственные радиационные пояса формировались. На спутники они воздействовали на протяжении месяцев. И ряд из них вывели из строя.
Вопрос в том, где именно были расположены эти радиационные пояса. Чётких ответов на этот вопрос мне найти не удалось. Будем считать что плохо искал, но думаю что есть и другие причины — см. второй факт. Поэтому давайте зайдем с другой стороны.
Южно‑Атлантическая магнитная аномалия — это область, где внутренний радиационный пояс подходит ближе всего к поверхности Земли, опускаясь до высоты 200 километров. Это приводит к увеличению потока заряженных частиц в этом регионе и подвергает спутники (включая МКС) воздействию более высоких, чем обычно, уровней ионизирующего излучения.
Как «Морская звезда» повлияла на потоки заряженных частиц в районе этой аномалии?
Ответа на этот вопрос я не нашёл.
Однако есть статистика нарушений работы электроники спутников в этой области в нормальных условиях.
Картинка из книги «Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов», Новиков Л.С., 2010.
Сверху — места, где произошли одиночные сбои в динамической памяти спутника. (Орбита — 700 км). Снизу — поток протонов радиационного пояса.
Итак, мы выяснили, если произойдёт космический ядерный взрыв, то из‑за существования Южно‑Атлантической магнитной аномалии многие даже низкоорбитальные спутники часть времени будут проводить в искусственном радиационном поясе.
А какие существуют негативные явления при пребывании там? Какие поражающие факторы?
Первый — это сам факт пребывания спутников в радиационном поясе.
Вновь сошлюсь на НИИЯФ МГУ. Книга «Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой», автор — Новиков Лев Симонович.
Спутник проходит Южно‑Атлантическую аномалию за несколько минут. Этого более чем достаточно, чтобы он электризовался до равновесного состояния с окружающей плазмой.
В то же время большинство низкоорбитальных спутников не приспособлены для работы в таких условиях. Они должны работать в плазме с температурой порядка 1000 К и длиной Дебая порядка сантиметра. И внезапно оказываются в плазме с температурой в десятки кэВ. Корпуса спутников не герметичные, широко используются не проводящие материалы. А значит — здравствуй дифференциальная электризация — когда одна часть спутника имеет один потенциал, а другая — другой; а значит — будут пробои.
Кроме того, будет присутствовать заметный поток заряженных частиц с энергией в МэВ‑ы. А значит пробои могут быть не только между отдельными элементами спутника. Но и внутри не проводящих элементов. Их результаты называются фигурами Лихтенберга — см. фото ниже.
Второй поражающий фактор — заряженные частицы высокой энергии.
Этот фактор воздействует в первую очередь на электронику.
В статье википедии, посвященной Южно‑Атлантической магнитной аномалии, перечислен ряд нашумевших фактов отказа электроники космических аппаратов, вызванных действием данного фактора.
Наиболее интересно то, что пишут про использование обычных персональных компьютеров на Шаттлах. Интересно — потому что подобную гражданскую электронику слишком часто ставят на низкоорбитальные спутники. Кроме того, сейчас активно развивается тенденция размещения на спутниках вычислительных мощностей для обработки информации прямо на орбите.
Текста, посвященный бортовому компьютеру Шаттла, на сайте НАСА больше нет. Но копия в интернет архиве сохранилась. В отрывке ниже объясняется почему нельзя заменить старые медленные бортовые компьютеры Шаттла (GPC) (на фото) на новые ноутбуки.
_________
С ноутбуком ThinkPad 760XD во время полета Шаттла к станции МКС происходит два-три изменения памяти из-за радиации. Это число увеличивается до 30 для миссии к космическому телескопу Хаббл НАСА. Причина в том, что орбита Хаббла примерно на 150 миль выше станции, где защита от радиации магнитного поля Земли не такая сильная.
Разработчики также выяснили, что ноутбуки будут выходить из строя, когда шаттл проходит через «Южно-Атлантическую аномалию».
_________
И это всё - внутри Шаттла. У спутника электроника защищена куда хуже.
Оптика
Естественно, воздействовать частицы высокой энергии будут не только на ЭВМ, но и, например, на матрицы камер. Это будут не только «искры» на снимках, но и постепенная деградация матриц.
Кроме матриц, ионизирующие излучения будут разрушать и оптику — эффекты окрашивания и замутнения стекол, а также уменьшения из прозрачности. Величины критических доз для некоторых материалов приведены в книге Л.С. Новикова «Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов».
Солнечные батареи
Да, у современных солнечных батарей радиационная стойкость выше, чем у старых кремниевых. Вопрос насколько выше. Из данных, приведенных Новиковым в той же книге следует, что максимальная допустимая доза современных солнечных батарей больше где‑то на порядок (чуть меньше чем на порядок, в 5–8 раз). То есть если от одного взрыва 60 лет назад спутники перестали работать через 20 дней, то сейчас те же самые спутники перестанут работать через 200 (если радиационный пояс сохранится так долго). Но сейчас спутники другие. Опять же фактор коммерческой выгоды — зачем спутнику лишний ресурс? Какую долю энергии от солнечных батарей может потерять спутник и остаться в рабочем состоянии? И потом, кто сказал что взрыв будет один?
Опять же, производительность спутников ДЗЗ во многом ограничена возможностями, скоростью передачи информации на Землю. Меньше энергии — меньше время передачи.
А если спутник сам будет обсчитывать снимки — то возникнут синергетические эффекты — деградация оптической системы, ошибки счёта, уменьшение энергии для расчёта, уменьшение энергии для передачи информации. Насколько сильно снизится эффективность такой системы?
Так что произойдёт после ядерного взрыва в космосе?
Основываясь на написанном выше, можно предположить что сценарий будет следующим.
Спутники, находящиеся вблизи ядерного взрыва, будут уничтожены сразу.
В течении нескольких дней выйдут из строя некоторые спутники, пересекающие искусственные радиационные пояса. Причина выхода из строя — их неприспособленность к воздействию высокотемпературной плазмы.
Спутники, грамотно спроектированные с т.з. электрофизики, продолжат работать. Но из‑за наличия потока частиц высокой энергии будет происходить деградация их солнечных батарей, электроники и оптических систем. Если орбита спутника неудачная, эти факторы выведут его из строя за несколько десятков дней. Если более удачная — то сократится срок активного существования спутника.
Какие стратегии защиты можно предпринять?
Первое из очевидного — делать «танки» — хорошо защищённые от негативных факторов космические аппараты.
Вторая очевидная стратегия — максимально снизить высоту полёта спутника. Да, он не проживёт долго. Но из «дешевых» спутников никакой долго не проживёт. А на сверхнизких орбитах негативные факторы воздействуют слабее. Да и видно Землю лучше.
То, что в последнее время на Западе активно развивается направление создания #VLEO — спутников — не вызвано ли этой причиной?
Третья стратегия — использовать более высокие орбиты. На них спутникам приходится работать в среде, в которой и так есть те негативные факторы, что возникают после ядерного взрыва в космосе. Поэтому для многих орбит разница во внешних условиях после ядерного взрыва будет не качественной, а количественной.
В любом случае, резко возрастает стоимость использования космического пространства.
И стоимость будет возрастать только потому, что есть лишь вероятность использования кем‑то для каких‑то целей космического ядерного взрыва — слишком большая получается величина произведения вероятности события на его ущерб для военных и прочих критически важных систем.