Введение

Управление программы космического мусора НАСА располагается в Космическом центре имени Джонсона и является ведущим центром НАСА по исследованию космического мусора. Оно признано во всем мире за лидерство в решении вопросов, связанных с космическим мусором. Управление программы НАСА по космическому мусору взяло на себя международное лидерство в проведении измерений околоземного пространства и в выработке технического консенсуса относительно принятия мер по снижению риска для пользователей околоземного пространства. В центре продолжаются работы по углублению понимания среды космического мусора и разработке мер по ограничению его роста. Исследования космического мусора в НАСА разделены на несколько основных направлений, включающих моделирование, измерения, защиту, смягчение последствий и контролируемый спуск космического мусора с орбиты.

Моделирование

Ученые НАСА продолжают разрабатывать и совершенствовать модели орбитального мусора для описания и характеристики текущей и будущей обстановки с космическим мусором. Инженерные модели, такие как ORDEM2000, могут использоваться для оценки риска столкновения с мусором для космических аппаратов и спутников, включая Международную космическую станцию и космический челнок. Эволюционные модели, такие как EVOLVE и LEGEND, предназначены для прогнозирования будущей обстановки с космическим мусором. Они являются надежными инструментами для изучения реакции будущей обстановки с космическим мусором на различные меры по смягчению последствий. В 2010 году ORDEM2000 был заменен на ORDEM2010. Этот выпуск представляет собой значительный прогресс в программе эмпирического моделирования оценки обломков NASA ODPO. Эта версия долгой серии включает в себя десять лет дополнительных данных, новые валидированные высокоточные модели обстановки, новые статистические методы для анализа данных и моделей, расширение моделирования до геостационарной орбиты, учет плотности материала обломков и новый пакет анализа конструкции космического аппарата, включающий анализ "иглу", с расширенным графическим интерфейсом.

Измерения

Измерения околоземного орбитального мусора осуществляются посредством наземных и космических наблюдений орбитальной обстановки. Данные собираются с использованием наземных радаров и оптических телескопов, космических телескопов, а также путем анализа поверхностей космических аппаратов, возвращенных из космоса. Важными источниками данных являются Сеть космического наблюдения США, радиолокационная станция Haystack X Band, и поверхности, возвращенные с аппаратов Solar Max, Long Duration Exposure Facility (LDEF) и космических кораблей Space Shuttle. Полученные данные используются для верификации моделей среды и выявления новых источников мусора.

Защита

Защита от космического мусора включает в себя проведение измерений при гиперскоростных ударах для оценки риска, который космический мусор представляет для функционирующих космических аппаратов, а также разработку новых материалов и конструкций для обеспечения более эффективной защиты от внешней среды с минимальным увеличением массы. Данные, полученные в результате этих исследований, устанавливают связь между характеристиками среды, определяемыми моделями, и риском, который эта среда представляет для работающих космических аппаратов, и предоставляют рекомендации по проектированию и процедурам эксплуатации для снижения риска в требуемых пределах. Эти данные также используются для анализа и интерпретации следов ударов на поверхностях возвращенных космических аппаратов. Основным центром для проведения этих исследований является Hypervelocity Impact Technology Facility (HIT F) при NASA JSC в Хьюстоне, хотя существуют и другие центры в JSC, Нью-Мексико и различных лабораториях Министерства обороны.

Смягчение

Контроль роста популяции орбитального мусора является высоким приоритетом для НАСА, Соединенных Штатов и ведущих космических держав мира с целью сохранения околоземного пространства для будущих поколений. Меры по снижению риска могут включать ограничение или предотвращение образования нового мусора, проектирование спутников, способных выдерживать удары мелких обломков, и внедрение оперативных процедур, таких как использование орбитальных режимов с меньшей плотностью мусора, применение определенных ориентаций космических аппаратов и даже маневрирование для избежания столкновений с обломками. В 1995 году НАСА стало первым космическим агентством в мире, опубликовавшим всесторонний набор рекомендаций по снижению риска образования орбитального мусора. Два года спустя правительство США разработало набор стандартных практик по смягчению последствий образования орбитальных обломков, основанный на рекомендациях НАСА. Другие страны и организации, включая Японию, Францию, Россию и Европейское космическое агентство (ЕКА), последовали этому примеру, разработав собственные рекомендации по снижению риска образования орбитального мусора. В 2002 году, после многолетней работы, Межведомственный координационный комитет по космическому мусору (IADC), в состав которого входят космические агентства 10 стран, а также ЕКА, принял согласованный набор рекомендаций, направленных на снижение темпов роста популяции орбитального мусора. Эти рекомендации были официально представлены в Научно-технический подкомитет Комитета ООН по мирному использованию космического пространства в феврале 2003 года.

Возвращение

Из-за растущего числа объектов в космосе, NASA разработала руководящие принципы и процедуры оценки для сокращения количества нефункционирующих космических аппаратов и отработанных ступеней ракет, находящихся на орбите вокруг Земли. Один из методов утилизации после завершения миссии – это обеспечение повторного входа этих аппаратов в атмосферу, либо за счет естественного снижения орбиты (неконтролируемый вход), либо с управляемым повторным входом. Снижение орбиты может быть достигнуто включением двигателей для уменьшения высоты перигея, чтобы атмосферное сопротивление в конечном итоге привело к входу аппарата в атмосферу. Однако нельзя гарантировать, что область падения обломков не затронет населенные территории. Управляемый повторный вход обычно осуществляется с использованием большего запаса топлива и более мощной двигательной установки для направления аппарата в атмосферу под более крутым углом. В этом случае вход в атмосферу происходит в более точно определенных координатах широты и долготы, а также в районе падения, как правило, необитаемом и расположенном в океане. Космические аппараты, входящие в атмосферу как в результате естественного снижения орбиты, так и управляемого повторного входа, обычно разрушаются на высотах от 84 до 72 км из-за аэродинамических сил, превышающих допустимые структурные нагрузки. Номинальная высота разрушения космического аппарата считается равной 78 км. Более крупные, прочные и плотные спутники, как правило, разрушаются на меньшей высоте. Солнечные панели часто отрываются от основного корпуса космического аппарата на высоте около 90–95 км из-за аэродинамических сил, превышающих допустимый изгибающий момент в точке крепления панелей к аппарату. После разрушения космического аппарата (или основного корпуса) отдельные компоненты или фрагменты продолжают снижаться и нагреваться в атмосфере, пока не сгорят или не достигнут поверхности Земли. Многие компоненты космических аппаратов изготавливаются из алюминия, который имеет низкую температуру плавления. В результате эти компоненты обычно сгорают на большей высоте. С другой стороны, если объект изготовлен из материала с высокой температурой плавления (например, титана, нержавеющей стали, бериллия, углерод-углеродного композита), он сгорит на меньшей высоте и во многих случаях достигнет поверхности. Кроме того, если объект находится внутри корпуса, корпус должен сгореть, прежде чем внутренний объект начнет значительно нагреваться. Некоторые объекты могут иметь очень высокую температуру плавления, из-за чего они не сгорают, но при этом настолько легки (например, вольфрамовые прокладки), что достигают поверхности с очень низкой скоростью. В результате кинетическая энергия при ударе иногда составляет менее 15 Дж, что является порогом, ниже которого вероятность человеческих жертв очень мала. Таким образом, зоны поражения обломками, рассчитанные для этих объектов, не учитываются при общей оценке зон поражения обломками в анализе выживаемости при повторном входе. Оценка выживаемости компонентов космического аппарата при повторном входе в атмосферу выполняется с использованием одного из двух методов NASA. Один из них – программа оценки обломков (Debris Assessment Software, DAS), консервативный инструмент с относительно невысокой точностью, доступный в разделе "Mitigation". Второй – более точный и высококачественный инструмент, называемый инструментом анализа выживаемости объекта при повторном входе (Object Reentry Survival Analysis Tool, ORSAT).