Синдром Кесслера: Каскадное столкновение спутников и угроза околоземному пространству.

Введение

Теоретическая цепная реакция столкновений спутников, которая может сделать некоторые части околоземной орбиты непригодными для использования.

Синдром Кесслера (также называемый эффектом Кесслера, коллизионным каскадом или абляционным каскадом), предложенный ученым NASA Дональдом Дж. Кесслером в 1978 году, – это сценарий, при котором плотность объектов на низкой околоземной орбите (LEO) из-за космического мусора достаточно велика, чтобы столкновения между объектами могли вызвать каскад, в котором каждое столкновение порождает космический мусор, увеличивающий вероятность дальнейших столкновений. В 2009 году Кесслер писал, что результаты моделирования показали, что обстановка, создаваемая космическим мусором, уже нестабильна, "такая, что любая попытка создать среду небольшого мусора без роста путем устранения источников мусора, образовавшегося ранее, скорее всего, потерпит неудачу, поскольку фрагменты от будущих столкновений будут образовываться быстрее, чем атмосферное сопротивление сможет их удалить". После запуска "Спутника-1" в 1957 году Североамериканское командование воздушно-космической обороны (NORAD) начало составлять базу данных (Каталог космических объектов) всех известных запусков ракет и объектов, достигающих орбиты: спутников, защитных экранов и ракет-носителей первой и второй ступеней. NASA позднее опубликовало модифицированные версии базы данных в виде двухстрочных элементов, а в начале 1980-х годов система электронных объявлений CelesTrak повторно опубликовала их. Специалисты, ведущие базу данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых были результатом взрывов в космосе. Некоторые из них были намеренно вызваны в ходе испытаний противоспутникового оружия (ASAT) в 1960-х годах, а другие – результатом взрыва ступеней ракет на орбите из-за расширения и разрыва их топливных баков остаточного топлива. Для улучшения отслеживания сотрудник NORAD Джон Габбард вел отдельную базу данных. Изучая взрывы, Габбард разработал метод прогнозирования орбитальных траекторий их продуктов, и диаграммы Габбарда (или графики) сейчас широко используются. Эти исследования были использованы для улучшения моделирования орбитальной эволюции и разрушения. Когда база данных NORAD стала общедоступной в 1970-х годах, ученый NASA Дональд Кесслер применил метод, разработанный для изучения пояса астероидов, к базе данных известных объектов. В июне 1978 года Кесслер и Бертон Кур Пале совместно написали статью "Частота столкновений искусственных спутников: создание пояса мусора".

The Kessler syndrome (also called the Kessler effect, collisional cascading, or ablation cascade), proposed by NASA scientist Donald J. Kessler in 1978, is a scenario in which the density of objects in low Earth orbit (LEO) due to space pollution is numerous enough that collisions between objects could cause a cascade in which each collision generates space debris that increases the likelihood of further collisions. In 2009, Kessler wrote that modeling results had concluded that the debris environment was already unstable, "such that any attempt to achieve a growth free small debris environment by eliminating sources of past debris will likely fail because fragments from future collisions will be generated faster than atmospheric drag will remove them". After the launch of Sputnik 1 in 1957, the North American Aerospace Defense Command (NORAD) began compiling a database (the Space Object Catalog) of all known rocket launches and objects reaching orbit: satellites, protective shields and upper and lower stage booster rockets. NASA later published modified versions of the database in two line element set, and during the early 1980s the CelesTrak bulletin board system re published them. The trackers who fed the database were aware of other objects in orbit, many of which were the result of in orbit explosions. Some were deliberately caused during the 1960s anti satellite weapon (ASAT) testing, and others were the result of rocket stages blowing up in orbit as leftover propellant expanded and ruptured their tanks. To improve tracking, NORAD employee John Gabbard kept a separate database. Studying the explosions, Gabbard developed a technique for predicting the orbital paths of their products, and Gabbard diagrams (or plots) are now widely used. These studies were used to improve the modeling of orbital evolution and decay. When the NORAD database became publicly available during the 1970s, NASA scientist Donald J. Kessler applied the technique developed for the asteroid belt study to the database of known objects. In June 1978, Kessler and Burton Cour Palais co authored "Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt",

В то время широко считалось, что сопротивление верхних слоев атмосферы будет выводить мусор с орбиты быстрее, чем он образуется. Однако Габбард знал, что количество и типы объектов в космосе были недостаточно полно представлены в данных NORAD и был знаком с их поведением. В интервью вскоре после публикации статьи 1978 года Габбард ввел термин "синдром Кесслера" для обозначения накопления мусора; ряд других компонентов ракеты-носителя "Дельта" (Дельта была основной рабочей лошадкой космической программы США) еще не взорвались.

Новый синдром Кесслера

В 1980-х годах ВВС США провели экспериментальную программу, чтобы определить последствия столкновения обломков со спутниками или другими обломками. Исследование показало, что этот процесс отличается от столкновений с микрометеоритами, в результате чего образуются крупные фрагменты обломков, представляющие угрозу столкновения. 11 января 2007 года Китай провел испытание противоспутникового оружия, в ходе которого целью был выбран один из его метеорологических спутников FY 1C. Столкновение произошло на высоте 865 километров, когда спутник массой 750 килограммов был поражен кинетическим боевым блоком, двигавшимся навстречу со скоростью 8 км/с (18 000 миль в час). Образовавшиеся обломки вращаются вокруг Земли на средней высоте более 850 километров и, вероятно, останутся на орбите на десятилетия или столетия. Уничтожение спутника «Космос-1408» российской ракетой ASAT 15 ноября 2021 года привело к образованию обширного облака обломков, включающего 1500 отслеживаемых фрагментов и, по оценкам, сотни тысяч фрагментов, слишком мелких для отслеживания. Поскольку спутник находился на полярной орбите, а его обломки рассеяны на высотах от 300 до 1000 км, существует потенциальная угроза столкновения с любым спутником на низкой околоземной орбите, включая Международную космическую станцию и Китайскую космическую станцию «Тяньгун».

Создание и уничтожение мусора

Каждый спутник, космический зонд и пилотируемый полет потенциально могут создавать космический мусор. Теоретический каскадный синдром Кесслера становится все более вероятным с увеличением количества спутников на орбите. По состоянию на 2014 год на орбите Земли находилось около 2000 коммерческих и государственных спутников, а по состоянию на 2021 год – более 4000. По оценкам, существует 600 000 фрагментов космического мусора размером от и 23 000 объектов больше этого размера. По состоянию на 2009 год произошло четыре столкновения между объектами, занесенными в каталог, включая столкновение двух спутников в 2009 году.

Последствия

Синдром Кесслера представляет опасность из-за эффекта домино и неуправляемой положительной обратной связи, при которых столкновения между объектами значительной массы приводят к образованию обломков в результате силы удара. Эти фрагменты, в свою очередь, могут сталкиваться с другими объектами, порождая ещё больше космического мусора. Если произойдет достаточно крупное столкновение или взрыв, например, между космической станцией и недействующим спутником, или в результате враждебных действий в космосе, то образовавшийся каскад обломков может существенно снизить перспективы долгосрочного функционирования спутников, особенно на низких околоземных орбитах. Однако даже катастрофический сценарий Кесслера на низкой околоземной орбите представляет минимальный риск для запусков, выходящих за её пределы, или для спутников, находящихся на средней околоземной орбите (MEO) или геостационарной орбите (GEO). Катастрофические сценарии предсказывают увеличение числа столкновений в год, а не создание физически непроходимого барьера для освоения космоса, как это происходит на более высоких орбитах.

Избегание и сокращение

ИТС часто требует от разработчиков новых космических аппаратов или спутников продемонстрировать возможность их безопасной утилизации по окончании срока службы, например, посредством системы управляемого схода с орбиты в атмосфере или перевода на орбиту захоронения. Для запусков или спутников, предназначенных для вещания на территории США, для получения лицензии на предоставление телекоммуникационных услуг в Соединенных Штатах, Федеральная комиссия по связи (FCC) обязала все геостационарные спутники, запущенные после 18 марта 2002 года, взять на себя обязательство перейти на орбиту захоронения по окончании срока эксплуатации. Предлагаемым энергоэффективным способом сведения космического аппарата с орбиты МСО является перевод его на орбиту, находящуюся в неустойчивом резонансе с Солнцем или Луной, что ускоряет снижение орбиты. Одной из предложенных технологий для борьбы с фрагментами космического мусора, учитывая их размер, является "лазерная метла" – предлагаемый многомегаваттный наземный лазер, способный выводить обломки с орбиты: сторона обломка, подвергшаяся воздействию лазера, будет абляцироваться, создавая тягу, которая изменит эксцентриситет остатков фрагмента до тех пор, пока он не войдет в атмосферу и не сгорит безвредным образом.

В художественной литературе

В фильме "Гравитация" 2013 года катастрофа, вызванная синдромом Кесслера, служит отправной точкой сюжета, когда Россия уничтожает старый спутник. Роман Нила Стивенсона "Seveneves" 2015 года начинается с необъяснимого взрыва Луны на семь крупных фрагментов, последующего образования облака обломков в результате столкновений, вызванных синдромом Кесслера, и, в конечном итоге, бомбардировки поверхности Земли лунными метеороидами. "Planetes" – японская научно-фантастическая манга, написанная и проиллюстрированная Макото Юкимурой, повествующая о команде, работающей в корпорации, которая заключила контракт на удаление космического мусора с орбиты Земли и Луны в ближайшем будущем. В видеоигре Bandai Namco 2019 года "Ace Combat 7: Skies Unknown" представлен сценарий, основанный на синдроме Кесслера, вызванном применением Осеей и Эрузеей оружия A SAT против орбитальных средств друг друга.