Загрязнение околоземного пространства искусственными объектами

Космический мусор: опасность для спутников и космических аппаратов. Обломки ракет, нефункционирующие спутники и фрагменты – растущая проблема загрязнения околоземного пространства.

34 мин чтения

100%

Источник: Space debris — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Загрязнение околоземного пространства нефункционирующими искусственными объектами

Космический мусор (также известный как космический мусор, космическое загрязнение) — это нефункционирующие объекты, созданные человеком в космосе, главным образом на околоземной орбите, которые больше не выполняют полезную функцию. К ним относятся выведенные из эксплуатации космические аппараты (неисправные космические аппараты и отработанные ступени ракет-носителей), обломки, связанные с выполнением миссий, и, особенно многочисленные на околоземной орбите, обломки, образовавшиеся в результате разрушения отработанных ракетных ступеней и космических аппаратов. Космический мусор включает в себя не только оставленные на орбите человеком предметы, но и фрагменты, образовавшиеся в результате распада, эрозии или столкновений; затвердевшие жидкости, выброшенные из космических аппаратов; несгоревшие частицы твердых ракетных двигателей; и даже частицы краски. Космический мусор представляет собой риск для космических аппаратов. Космический мусор обычно является негативным внешним эффектом. Он создает дополнительные затраты для других, возникающие в результате первоначального запуска или использования космического аппарата на околоземной орбите, затраты, которые обычно не учитываются или не полностью учитываются оператором ракеты-носителя или владельцем полезной нагрузки. Несколько космических аппаратов, как пилотируемых, так и беспилотных, были повреждены или уничтожены космическим мусором. Измерение, смягчение и потенциальное удаление мусора осуществляется некоторыми участниками космической отрасли. По состоянию на 2022 год Сеть космического наблюдения США сообщила о 25 857 искусственных объектах на орбите вокруг Земли. По состоянию на январь 2019 года оценивалось, что на орбите вокруг Земли находится более 128 миллионов фрагментов мусора размером менее 1 см, около 900 000 фрагментов размером 1–10 см и около 34 000 фрагментов размером более 10 см. Фрагменты мусора размером менее 1 см, как правило, плотнее метеороидов. Большинство из них — это пыль от твердых ракетных двигателей, продукты поверхностной эрозии, такие как частицы краски, и замороженная охлаждающая жидкость от советских спутников с ядерной энергетической установкой. Для сравнения, Международная космическая станция (МКС) находится на орбите в диапазоне высот от 400 до 420 км, в то время как два последних крупных события, связанных с образованием обломков — китайский испытательный антиспутниковый запуск 2007 года и столкновение спутников 2009 года — произошли на высоте около 780–800 км. МКС оснащена экранированием Уиппла, предназначенным для защиты от повреждений, вызванных небольшими микрометеоритами и космическим мусором (MMOD). Однако обломки, вероятность столкновения с которыми превышает 1/10 000, избегаются путем маневрирования станции.

Space debris (also known as space junk, space pollution,) are defunct human made objects in spaceprincipally in Earth orbitwhich no longer serve a useful function. These include derelict spacecraft (nonfunctional spacecraft and abandoned launch vehicle stages), mission related debris, and particularly numerous in Earth orbit, fragmentation debris from the breakup of derelict rocket bodies and spacecraft. In addition to derelict human made objects left in orbit, space debris includes fragments from disintegration, erosion, or collisions; solidified liquids expelled from spacecraft; unburned particles from solid rocket motors; and even paint flecks. Space debris represents a risk to spacecraft. Space debris is typically a negative externality. It creates an external cost on others from the initial action to launch or use a spacecraft in near Earth orbit, a cost that is typically not taken into account nor fully accounted for by the launcher or payload owner. Several spacecraft, both crewed and un crewed, have been damaged or destroyed by space debris. The measurement, mitigation, and potential removal of debris is conducted by some participants in the space industry. as of 2022, the US Space Surveillance Network reported 25,857 artificial objects in orbit above the Earth, as of January 2019, more than 128 million pieces of debris smaller than , about 900,000 pieces of debris 1–10 cm, and around 34,000 of pieces larger than were estimated to be in orbit around the Earth. Below , pieces of debris are denser than meteoroids. Most are dust from solid rocket motors, surface erosion debris like paint flakes, and frozen coolant from Soviet nuclear powered satellites. For comparison, the International Space Station (ISS) orbits in the range, while the two most recent large debris events, the 2007 Chinese antisatellite weapon test and the 2009 satellite collision, occurred at altitude. The ISS has Whipple shielding to resist damage from small MMOD. However, known debris with a collision chance over 1/10,000 are avoided by maneuvering the station.

История

Космический мусор начал накапливаться на околоземной орбите с запуска первого искусственного спутника, "Спутника-1", в октябре 1957 года. Однако еще до этого события люди могли создавать обломки, попадавшие в космос, как, например, в ходе испытания Pascal B в августе 1957 года. Еще раньше в орбиту попадали естественные выбросы с Земли. После запуска "Спутника" Североамериканское командование аэрокосмической обороны (NORAD) начало вести базу данных (Каталог космических объектов), содержащую информацию обо всех известных запусках ракет и объектах, достигших орбиты, включая спутники, защитные экраны и верхние ступени ракет-носителей. Позднее NASA опубликовало модифицированные версии этой базы данных в виде двухстрочных элементов, которые, начиная с начала 1980-х годов, переиздавались в системе электронных объявлений CelesTrak. Операторы NORAD, работавшие с базой данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых являлись результатом взрывов в космосе. Некоторые из них были вызваны преднамеренно в ходе испытаний противоспутникового оружия (ASAT) в 1960-х годах, а другие – взрывами ступеней ракет на орбите из-за расширения и разрыва баков с остаточным топливом. Постепенно были разработаны более детальные базы данных и системы слежения, включая диаграммы Габбарда, для улучшения моделирования орбитальной эволюции и разрушения. В 1979 году NASA создала программу по исследованию космического мусора (Orbital Debris Program) для разработки мер по снижению количества космического мусора на околоземной орбите.

Растет обломки

В 1980-х годах НАСА и другие американские организации предприняли попытки ограничить рост космического мусора. Одним из пробных решений, реализованных McDonnell Douglas в 1981 году для ракеты-носителя Delta, было отделение разгонного блока от полезной нагрузки и сброс остатков топлива из баков. Это устранило один из источников повышения давления в баках, который ранее приводил к их взрывам и образованию дополнительного орбитального мусора. Другие страны медленнее внедряли эту меру, и, особенно из-за многочисленных запусков Советским Союзом, проблема усугублялась на протяжении десятилетия. Последовала серия новых исследований, в рамках которых НАСА, NORAD и другие организации пытались лучше понять околоземное пространство, постоянно увеличивая оценки количества обломков в критической зоне. Если в 1981 году (когда была опубликована статья Шефтера) количество объектов оценивалось в 5000, то к 2005 году оно было скорректировано до 13 000, а исследование 2006 года увеличило эту цифру до 19 000 в результате испытания противоспутникового оружия и столкновения спутников. В 2011 году НАСА сообщило о слежении за 22 000 объектами. Модель НАСА 2006 года предполагала, что при отсутствии новых запусков существующая популяция останется неизменной до примерно 2055 года, после чего начнет расти самостоятельно. Ричард Кроутер из британского Агентства по оценке и исследованиям в области обороны в 2002 году предположил, что каскадный эффект начнется около 2015 года. Национальная академия наук, подводя итог мнению специалистов, отметила широкое согласие с тем, что две полосы низкоорбитального пространства – от 900 до – уже превысили критическую плотность. На Европейской конференции по воздуху и космосу в 2009 году исследователь Хью Льюис из Саутгемптонского университета предсказал, что угроза от космического мусора возрастет на 50% в течение следующего десятилетия и в четыре раза в течение следующих 50 лет. По состоянию на 2009 год еженедельно отслеживалось более 13 000 ситуаций сближения. В отчете Национального исследовательского совета США за 2011 год НАСА было предупреждено о том, что количество космического мусора на орбите достигло критического уровня. Согласно некоторым компьютерным моделям, количество космического мусора "достигло точки невозврата, когда его достаточно для непрерывных столкновений и образования еще большего количества обломков, что повышает риск выхода из строя космических аппаратов". В отчете содержится призыв к международным соглашениям, ограничивающим образование мусора, и к исследованиям методов его удаления.

During the 1980s, NASA and other U. S. groups attempted to limit the growth of debris. One trial solution was implemented by McDonnell Douglas in 1981 for the Delta launch vehicle by having the booster move away from its payload and vent any propellant remaining in its tanks. This eliminated one source for pressure buildup in the tanks which had previously caused them to explode and create additional orbital debris. Other countries were slower to adopt this measure and, due especially to a number of launches by the Soviet Union, the problem grew throughout the decade. A new battery of studies followed as NASA, NORAD, and others attempted to better understand the orbital environment, with each adjusting the number of pieces of debris in the critical mass zone upward. Although in 1981 (when Schefter's article was published) the number of objects was estimated at 5,000, By 2005 this was adjusted upward to 13,000 objects, and a 2006 study increased the number to 19,000 as a result of an ASAT and a satellite collision. In 2011, NASA said that 22,000 objects were being tracked. A 2006 NASA model suggested that if no new launches took place, the environment would retain the then known population until about 2055, when it would increase on its own. Richard Crowther of Britain's Defence Evaluation and Research Agency said in 2002 that he believed the cascade would begin about 2015. The National Academy of Sciences, summarizing the professional view, noted widespread agreement that two bands of LEO space900 to and were already past critical density. In the 2009 CEAS European Air and Space Conference, University of Southampton researcher Hugh Lewis predicted that the threat from space debris would rise 50 percent in the next decade and quadruple in the next 50 years. as of 2009, more than 13,000 close calls were tracked weekly. A 2011 report by the U. S. National Research Council warned NASA that the amount of orbiting space debris was at a critical level. According to some computer models, the amount of space debris "has reached a tipping point, with enough currently in orbit to continually collide and create even more debris, raising the risk of spacecraft failures." The report called for international regulations limiting debris and research of disposal methods.

История обломков в конкретные годы

К середине 1994 года произошло 68 распадов или "аномальных событий" с обломками спутников, запущенных бывшим Советским Союзом/Россией, и было обнаружено 18 аналогичных событий с участием ракетных ступеней и других оперативных обломков, связанных с двигательными установками. По состоянию на 2016 год около 18 000 искусственных объектов вращались на орбите вокруг Земли, включая 1419 действующих спутников. По состоянию на 2019 год на орбите вокруг Земли находилось почти 20 000 искусственных объектов, включая 2218 действующих спутников.

Размер и количество

По оценкам, количество обломков размером менее 1 см превышало 128 миллионов, а обломков размером от 1 до 10 см – около 900 000. Количество крупных обломков (определяемых как объекты размером 10 см и более) в 2019 году составляло 34 000.

По состоянию на 2020 год, на орбите находилось 8 000 метрических тонн обломков, и ожидается дальнейший рост этой цифры.

Низкая околоземная орбита

На орбитах, ближайших к Земле, с высотой менее орбитальной, известных как низкая околоземная орбита (LEO), традиционно было немного "универсальных орбит", удерживающих несколько космических аппаратов в определенных кольцах (в отличие от геостационарной орбиты (GEO), единственной орбиты, широко используемой более чем 500 спутниками). В настоящее время загрязнение в LEO достигает 85%. Это начало меняться в 2019 году, когда несколько компаний приступили к развертыванию первых фаз спутниковых интернет-созвездий, которые будут включать множество универсальных орбит в LEO с 30–50 спутниками на орбитальную плоскость и высоту. Традиционно наиболее населенными орбитами LEO были орбиты спутников, синхронных с Солнцем, которые поддерживают постоянный угол между Солнцем и орбитальной плоскостью, что облегчает наблюдение Земли с постоянным углом и освещением. Орбиты, синхронные с Солнцем, являются полярными, то есть пересекают полярные области. Спутники LEO обращаются вокруг Земли во многих плоскостях, обычно до 15 раз в день, что приводит к частым сближениям объектов. Плотность спутников – как действующих, так и недействующих – значительно выше в LEO. На орбиты влияют гравитационные возмущения (в LEO включающие неоднородность гравитационного поля Земли из-за изменений плотности планеты), и столкновения могут происходить с любого направления. Средняя скорость столкновения на низкой околоземной орбите составляет 10 км/с, с максимумом, достигающим более 14 км/с из-за орбитальной эксцентричности. Столкновение спутников в 2009 году произошло на скорости , создав более 2000 крупных обломков. Эти обломки пересекают множество других орбит и увеличивают риск столкновения с обломками. Предполагается, что достаточно сильное столкновение космических аппаратов может привести к каскадному эффекту или даже сделать некоторые низкие околоземные орбиты фактически непригодными для длительного использования спутниками, явление, известное как синдром Кесслера. Теоретически этот эффект представляет собой неконтролируемую цепную реакцию столкновений, которая может экспоненциально увеличить количество и плотность космического мусора на низкой околоземной орбите, и, как предполагается, может произойти при превышении некоторой критической плотности. Пилотируемые космические миссии в основном выполняются на высоте и ниже, где сопротивление воздуха помогает очищать зоны от обломков. Верхние слои атмосферы не имеют фиксированной плотности на определенной орбитальной высоте; она меняется в результате атмосферных приливов и расширяется или сжимается в течение более длительных периодов времени под воздействием космической погоды. Эти долгосрочные эффекты могут увеличить сопротивление на более низких высотах; расширение в 1990-х годах способствовало снижению плотности мусора. Другим фактором было уменьшение количества запусков Россией; Советский Союз осуществлял большинство своих запусков в 1970-х и 1980-х годах.

In the orbits nearest to Earthless than orbital altitude, referred to as low Earth orbit (LEO)there have traditionally been few "universal orbits" that keep a number of spacecraft in particular rings (in contrast to GEO, a single orbit that is widely used by over 500 satellites). There is currently 85% pollution in LEO (Low Earth Orbit). This was beginning to change in 2019, and several companies began to deploy the early phases of satellite internet constellations, which will have many universal orbits in LEO with 30 to 50 satellites per orbital plane and altitude. Traditionally, the most populated LEO orbits have been a number of Sun synchronous satellites that keep a constant angle between the Sun and the orbital plane, making Earth observation easier with consistent sun angle and lighting. Sun synchronous orbits are polar, meaning they cross over the polar regions. LEO satellites orbit in many planes, typically up to 15 times a day, causing frequent approaches between objects. The density of satellitesboth active and derelictis much higher in LEO. Orbits are affected by gravitational perturbations (which in LEO include unevenness of the Earth's gravitational field due to variations in the density of the planet), and collisions can occur from any direction. The average impact speed of collisions in Low Earth Orbit is 10 km/s with maximums reaching above 14 km/s due to orbital eccentricity. The 2009 satellite collision occurred at a closing speed of , creating over 2,000 large debris fragments. These debris cross many other orbits and increase debris collision risk. It is theorized that a sufficiently large collision of spacecraft could potentially lead to a cascade effect, or even make some particular low Earth orbits effectively unusable for long term use by orbiting satellites, a phenomenon known as the Kessler syndrome. The theoretical effect is projected to be a theoretical runaway chain reaction of collisions that could occur, exponentially increasing the number and density of space debris in low Earth orbit, and has been hypothesized to ensue beyond some critical density. Crewed space missions are mostly at altitude and below, where air drag helps clear zones of fragments. The upper atmosphere is not a fixed density at any particular orbital altitude; it varies as a result of atmospheric tides and expands or contracts over longer time periods as a result of space weather. These longer term effects can increase drag at lower altitudes; the 1990s expansion was a factor in reduced debris density. Another factor was fewer launches by Russia; the Soviet Union made most of their launches in the 1970s and 1980s.

Высокие высоты

На больших высотах, где сопротивление воздуха менее значительно, распад орбиты занимает больше времени. Небольшое атмосферное сопротивление, лунные возмущения, гравитационные возмущения Земли, солнечный ветер и давление солнечного излучения могут постепенно сближать обломки с более низкими орбитами (где они и распадаются), но на очень больших высотах это может занять столетия. Хотя орбиты на большой высоте используются реже, чем низкие околоземные орбиты, и проявление проблемы происходит медленнее, количество объектов, приближающихся к критическому порогу, растет быстрее. Многие спутники связи находятся на геостационарных орбитах (GEO), группируясь над определенными точками и используя один и тот же орбитальный путь. Несмотря на относительно небольшие скорости между объектами на GEO, когда спутник выходит из строя (например, Telstar 401), он переходит на геосинхронную орбиту, его орбитальный наклон увеличивается примерно на 0,8°, а скорость – примерно на [значение] в год. Пиковая скорость столкновения достигается на [значение]. Орбитальные возмущения вызывают дрейф долготы неработающего космического аппарата и прецессию орбитальной плоскости. Оценки показывают, что сближения на расстояние менее 50 метров происходят примерно раз в год. Обломки от столкновений представляют меньший непосредственный риск, чем от столкновения на низкой околоземной орбите, но спутник, скорее всего, станет неработоспособным. Особенно уязвимы к столкновениям крупные объекты, такие как спутники солнечной энергетики. Хотя МСЭ (Международный союз электросвязи) теперь требует подтверждения возможности перемещения спутника из его орбитальной позиции в конце срока службы, исследования показывают, что этого недостаточно. Поскольку орбита GEO слишком удалена для точного измерения объектов размером менее [значение], характер проблемы изучен недостаточно. Спутники можно перемещать на свободные позиции на GEO, что требует меньших маневров и упрощает прогнозирование их дальнейшего движения. Дополнительную опасность представляют спутники или разгонные блоки на других орбитах, особенно находящиеся на геостационарной переходной орбите, из-за их обычно высокой скорости сближения. Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических аппаратов происходили. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Olympus 1 был поражен метеороидом 11 августа 1993 года и впоследствии был перемещен на орбиту захоронения. 29 марта 2006 года российский спутник связи Express AM11 был поражен неопознанным объектом и вышел из строя; у инженеров было достаточно времени для связи со спутником, чтобы отправить его на орбиту захоронения.

At higher altitudes, where air drag is less significant, orbital decay takes longer. Slight atmospheric drag, lunar perturbations, Earth's gravity perturbations, solar wind, and solar radiation pressure can gradually bring debris down to lower altitudes (where it decays), but at very high altitudes this may take centuries. Although high altitude orbits are less commonly used than LEO and the onset of the problem is slower, the numbers progress toward the critical threshold more quickly. Many communications satellites are in geostationary orbits (GEO), clustering over specific targets and sharing the same orbital path. Although velocities are low between GEO objects, when a satellite becomes derelict (such as Telstar 401) it assumes a geosynchronous orbit; its orbital inclination increases about 0.8° and its speed increases about per year. Impact velocity peaks at about Orbital perturbations cause longitude drift of the inoperable spacecraft and precession of the orbital plane. Close approaches (within 50 meters) are estimated at one per year. The collision debris pose less short term risk than from a LEO collision, but the satellite would likely become inoperable. Large objects, such as solar power satellites, are especially vulnerable to collisions. Although the ITU now requires proof a satellite can be moved out of its orbital slot at the end of its lifespan, studies suggest this is insufficient. Since GEO orbit is too distant to accurately measure objects under , the nature of the problem is not well known. Satellites could be moved to empty spots in GEO, requiring less maneuvering and making it easier to predict future motion. Satellites or boosters in other orbits, especially stranded in geostationary transfer orbit, are an additional concern due to their typically high crossing velocity. Despite efforts to reduce risk, spacecraft collisions have occurred. The European Space Agency telecom satellite Olympus 1 was struck by a meteoroid on 11 August 1993 and eventually moved to a graveyard orbit. On 29 March 2006, the Russian Express AM11 communications satellite was struck by an unknown object and rendered inoperable; its engineers had enough contact time with the satellite to send it into a graveyard orbit.

Неработающий корабль

В 1958 году Соединенные Штаты Америки запустили "Авангард I" на среднюю околоземную орбиту (MEO). По состоянию на 2009 год, верхняя ступень ракеты-носителя Vanguard 1 и связанный с ней обломок являются старейшими сохранившимися искусственными космическими объектами, которые все еще находятся на орбите, и, как ожидается, останутся на орбите после 2250 года. По состоянию на 2022 год, Союз заинтересованных ученых зафиксировал 5465 функционирующих спутников из известной популяции в 27 000 фрагментов орбитального мусора, отслеживаемых NORAD. Иногда спутники остаются на орбите, когда они больше не пригодны для использования. Многие страны требуют, чтобы спутники проходили процедуру пассивации в конце срока службы. Затем спутники либо выводятся на более высокую, так называемую "кладбищенскую" орбиту, либо на более низкую, кратковременную орбиту. Тем не менее, спутники, которые были перемещены на более высокую орбиту, имеют восьмипроцентную вероятность пробоя и утечки хладагента в течение 50 лет. Хладагент замерзает, образуя капли твердого сплава натрия и калия, что приводит к образованию большего количества обломков. Несмотря на применение пассивации или до ее стандартизации, многие спутники и корпуса ракет взорвались или распались на орбите. Например, в феврале 2015 года на орбите взорвался спутник Flight 13 программы метеорологических спутников ВВС США (DMSP F13), образовав не менее 149 обломков, которые, как ожидается, останутся на орбите на протяжении десятилетий. Позже в том же году, NOAA 16, выведенный из эксплуатации после аномалии в июне 2014 года, распался на орбите на по меньшей мере 275 частей. В случае более ранних программ, таких как советские спутники "Метеор-2" и "Космос", конструктивные недостатки привели к многочисленным разрушениям – по меньшей мере 68 к 1994 году после вывода из эксплуатации, что увеличило количество обломков. Помимо случайного образования обломков, часть из них была создана намеренно путем преднамеренного уничтожения спутников. Это делалось в качестве испытаний противоспутниковых или противоракетных технологий, или для предотвращения изучения чувствительного спутника иностранной державой. Последними ASAT-испытаниями стали китайский перехват FY 1C, российские испытания PL 19 Nudol, американский перехват USA 193 и индийский перехват неуказанного действующего спутника. Сунита Уильямс во время выхода в открытый космос STS 116 потеряла камеру. Во время выхода в открытый космос STS 120 для укрепления поврежденной солнечной панели был утерян плоскогубцы, а во время выхода в открытый космос STS 126 Хайдемари Стефанишин Пайпер потеряла сумку для инструментов размером с портфель.

In 1958, the United States of America launched Vanguard I into a medium Earth orbit (MEO). as of 2009, it, the upper stage of Vanguard 1's launch rocket and associated piece of debris, are the oldest surviving artificial space objects still in orbit and are expected to be until after the year 2250. as of 2022, the Union of Concerned Scientists listed 5,465 operational satellites from a known population of 27,000 pieces of orbital debris tracked by NORAD. Occasionally satellites are left in orbit when they're no longer useful. Many countries require that satellites go through passivation at the end of their life. The satellites are then either boosted into a higher, "graveyard" orbit or a lower, short term orbit. Nonetheless, satellites that have been properly moved to a higher orbit have an eight percent probability of puncture and coolant release over a 50 year period. The coolant freezes into droplets of solid sodium potassium alloy, creating more debris. Despite the use of passivation, or prior to its standardization, many satellites and rocket bodies have exploded or broken apart on orbit. In February 2015, for example, the USAF Defense Meteorological Satellite Program Flight 13 (DMSP F13) exploded on orbit, creating at least 149 debris objects, which were expected to remain in orbit for decades. Later that same year, NOAA 16 which had been decommissioned after an anomaly in June 2014, broke apart on orbit into at least 275 pieces. For older programs, such as the Soviet era Meteor 2 and Kosmos satellites, design flaws resulted in numerous break upsat least 68 by 1994following decommissioning, resulting in more debris. In addition to the accidental creation of debris, some has been made intentionally through the deliberate destruction of satellites. This has been done as a test of anti satellite or anti ballistic missile technology, or to prevent a sensitive satellite from being examined by a foreign power. The most recent ASATs were the Chinese interception of FY 1C, Russian trials of its PL 19 Nudol, the American interception of USA 193 and India's interception of an unstated live satellite. Sunita Williams of STS 116 lost a camera during an EVA. During an STS 120 EVA to reinforce a torn solar panel, a pair of pliers was lost, and in an STS 126 EVA, Heidemarie Stefanyshyn Piper lost a briefcase sized tool bag.

Оружие

Бывший источник космического мусора – это испытания противоспутникового оружия (ASAT), проводившиеся США и Советским Союзом в 1960-х и 1970-х годах. Североамериканское командование по аэрокосмической обороне (NORAD) собирало данные только по советским испытаниям, а обломки от американских испытаний были идентифицированы позднее. К тому времени, как проблема мусора была осознана, масштабные испытания ASAT прекратились. Программа 437 была закрыта в 1975 году. США возобновили свои программы ASAT в 1980-х годах с использованием ASAT Vought ASM 135. В 1985 году в ходе испытаний был уничтожен спутник, находящийся на орбите, создав тысячи обломков размером более. На этой высоте атмосферное сопротивление привело к снижению орбиты большинства обломков в течение десятилетия. После испытаний последовал фактический мораторий. Правительство Китая подверглось осуждению за военные последствия и количество мусора, образовавшегося в результате испытания противоспутниковой ракеты в 2007 году – крупнейшего в истории инцидента с космическим мусором (образовавшего более 2300 обломков размером с мяч для гольфа или больше, более 35 000 обломков размером или больше и один миллион обломков размером или больше). Целевой спутник находился на орбите между и , в наиболее плотно населенной спутниками части околоземного пространства. Поскольку атмосферное сопротивление на этой высоте невелико, обломки медленно возвращаются на Землю, и в июне 2007 года космический аппарат NASA Terra выполнил маневр, чтобы избежать столкновения с обломками. Брайан Виден, офицер ВВС США и сотрудник Фонда безопасного мира, отметил, что взрыв китайского спутника в 2007 году создал на орбите более 3000 отдельных объектов, которые затем потребовалось отслеживать. 20 февраля 2008 года США запустили ракету SM-3 с эсминца USS Lake Erie для уничтожения неисправного разведывательного спутника США, предположительно содержащего токсичный запас гидразина. Инцидент произошел примерно в , а перигей образовавшихся обломков составил или ниже. Ракета была нацелена на минимизацию количества обломков, которые (по словам главы Стратегического командования Пентагона Кевина Чилтона) распались к началу 2009 года. 27 марта 2019 года премьер-министр Индии Нарендра Моди объявил, что Индия сбила один из своих спутников LEO наземной ракетой. Он заявил, что операция, являющаяся частью "Миссии Шакти", будет защищать интересы страны в космосе. Впоследствии Космическое командование ВВС США объявило об отслеживании 270 новых обломков, но ожидало увеличения их числа по мере продолжения сбора данных. 15 ноября 2021 года Министерство обороны России уничтожило спутник "Космос-1408", вращавшийся на высоте около 450 км, создав, по данным Государственного департамента США, "более 1500 отслеживаемых обломков и сотни тысяч неотслеживаемых обломков". Уязвимость спутников к обломкам и возможность атаки на спутники LEO для создания облаков обломков породили предположения о возможности для стран, не способных выполнить высокоточный удар. Атака на спутник массой или более серьезно повредит околоземную среду LEO. Считается, что спутники были уничтожены микрометеоритами и (мелкими) орбитальными обломками (MMOD). Самая ранняя предполагаемая потеря – это "Космос-1275", который исчез 24 июля 1981 года (через месяц после запуска). "Космос-1275" не содержал летучего топлива, поэтому внутри спутника не было ничего, что могло бы вызвать разрушительный взрыв. Однако это дело не было доказано, и была выдвинута другая гипотеза о взрыве батареи. Отслеживание показало, что спутник распался на 300 объектов. С тех пор было подтверждено множество столкновений. Например, 24 июля 1996 года французский микроспутник Cerise был поражен фрагментами ускорителя верхней ступени Ariane 1 H 10, взорвавшегося в ноябре 1986 года. 12 марта 2010 года Aura потеряла питание от половины одной из своих 11 солнечных панелей, что также было связано с ударом MMOD. 22 мая 2013 года GOES 13 был поражен MMOD, из-за чего он потерял ориентацию по звездам, которые использовал для поддержания рабочего положения. Потребовалось почти месяц, чтобы космический аппарат вернулся к работе. Первое крупное столкновение спутников произошло 10 февраля 2009 года. Недействующий спутник "Космос-2251" и действующий спутник Iridium 33 столкнулись на высоте 805 км над северной Сибирью. Относительная скорость удара составила около , или около . Оба спутника были уничтожены, создав тысячи новых мелких обломков, юридические и политические последствия чего остаются нерешенными даже спустя годы. 22 января 2013 года BLITS (российский спутник лазерной дальнометрии) был поражен обломком, предположительно от китайского противоспутникового испытания 2007 года, что изменило как его орбиту, так и скорость вращения. Спутники иногда выполняют маневры предотвращения столкновений, и операторы спутников могут отслеживать космический мусор в рамках планирования маневров. Например, в январе 2017 года Европейское космическое агентство изменило орбиту одного из трех аппаратов миссии Swarm на основе данных из Объединенного космического центра операций США, чтобы снизить риск столкновения с "Космосом-375", недействующим российским спутником.

A former source of debris was anti satellite weapons (ASATs) testing by the U. S. and Soviet Union during the 1960s and 1970s. North American Aerospace Defense Command (NORAD) only collected data for Soviet tests, and debris from U. S. tests were identified subsequently. By the time the debris problem was understood, widespread ASAT testing had ended. The U. S. Program 437 was shut down in 1975. The U. S. restarted their ASAT programs in the 1980s with the Vought ASM 135 ASAT. A 1985 test destroyed a satellite orbiting at , creating thousands of debris larger than At this altitude, atmospheric drag decayed the orbit of most debris within a decade. A de facto moratorium followed the test. China's government was condemned for the military implications and the amount of debris from the 2007 anti satellite missile test, the largest single space debris incident in history (creating over 2,300 pieces golf ball size or larger, over 35,000 or larger, and one million pieces or larger). The target satellite orbited between and , the portion of near Earth space most densely populated with satellites. Since atmospheric drag is low at that altitude, the debris is slow to return to Earth, and in June 2007 NASA's Terra environmental spacecraft maneuvered to avoid impact from the debris. Brian Weeden, U. S. Air Force officer and Secure World Foundation staff member, noted that the 2007 Chinese satellite explosion created an orbital debris of more than 3,000 separate objects that then required tracking. On 20 February 2008, the U. S. launched an SM 3 missile from the USS Lake Erie to destroy a defective U. S. spy satellite thought to be carrying of toxic hydrazine propellant. The event occurred at about , and the resulting debris has a perigee of or lower. The missile was aimed to minimize the amount of debris, which (according to Pentagon Strategic Command chief Kevin Chilton) had decayed by early 2009. On 27 March 2019, Indian Prime Minister Narendra Modi announced that India shot down one of its own LEO satellites with a ground based missile. He stated that the operation, part of Mission Shakti, would defend the country's interests in space. Afterwards, US Air Force Space Command announced they were tracking 270 new pieces of debris but expected the number to grow as data collection continues. On 15 November 2021, the Russian Defense Ministry destroyed Kosmos 1408 orbiting at around 450 km, creating "more than 1,500 pieces of trackable debris and hundreds of thousands of pieces of un trackable debris" according to the US State Department. The vulnerability of satellites to debris and the possibility of attacking LEO satellites to create debris clouds has triggered speculation that it is possible for countries unable to make a precision attack. An attack on a satellite of or more would heavily damage the LEO environment. Satellites are believed to have been destroyed by micrometeorites and (small) orbital debris (MMOD). The earliest suspected loss was of Kosmos 1275, which disappeared on 24 July 1981 (a month after launch). Kosmos contained no volatile fuel, therefore, there appeared to be nothing internal to the satellite which could have caused the destructive explosion which took place. However, the case has not been proven and another hypothesis forwarded is that the battery exploded. Tracking showed it broke up, into 300 objects. Many impacts have been confirmed since. For example, on 24 July 1996, the French microsatellite Cerise was hit by fragments of an Ariane 1 H 10 upper stage booster which exploded in November 1986. On 12 March 2010, Aura lost power from one half of one of its 11 solar panels and this was also attributed to an MMOD strike. On 22 May 2013, GOES 13 was hit by an MMOD which caused it to lose track of the stars that it used to maintain an operational attitude. It took nearly a month for the spacecraft to return to operation. The first major satellite collision occurred on 10 February 2009. The derelict satellite Kosmos 2251 and the operational Iridium 33 collided, 500 mile (805 km) over northern Siberia. The relative speed of impact was about , or about Both satellites were destroyed, creating thousands of pieces of new smaller debris, with legal and political liability issues unresolved even years later. On 22 January 2013, BLITS (a Russian laser ranging satellite) was struck by debris suspected to be from the 2007 Chinese anti satellite missile test, changing both its orbit and rotation rate. Satellites sometimes perform Collision Avoidance Maneuvers and satellite operators may monitor space debris as part of maneuver planning. For example, in January 2017, the European Space Agency altered the orbit of one of its three Swarm mission spacecraft, based on data from the US Joint Space Operations Center, to lower the risk of collision from Cosmos 375, a derelict Russian satellite.

Космический корабль с экипажем

Экипажные полеты особенно уязвимы к сближениям с космическим мусором на орбите космического аппарата. Единичные маневры уклонения или долгосрочное воздействие космического мусора повлияли на космический челнок, станцию "Мир" и Международную космическую станцию.

Космические миссии

С первых миссий шаттлов NASA использовало возможности космического мониторинга NORAD для оценки орбитального пути шаттла на предмет космического мусора. В 1980-х годах это потребляло значительную часть ресурсов NORAD. Первый маневр уклонения от столкновения был выполнен во время STS-48 в сентябре 1991 года – семисекундный импульс двигателей для избежания обломков от недействующего спутника «Космос-955». Аналогичные маневры были выполнены в миссиях 53, 72 и 82. Повреждения окон от ударов и незначительные повреждения плиток системы тепловой защиты (TPS) стали обычным явлением к 1990-м годам. В дальнейшем шаттлы стали запускать хвостовой частью вперед, чтобы большая часть мусора приходилась на двигатели и задний грузовой отсек, которые не используются на орбите или при спуске и, следовательно, менее критичны для работы после запуска. При стыковке с МКС шаттль разворачивали, чтобы лучше защищенная станция экранировала орбитальный аппарат. Для принятия решения о продолжении полета требовалось одобрение руководства, если вероятность катастрофического столкновения превышала 1 к 200. На обычной (низкоорбитальной) миссии к МКС риск составлял примерно 1 к 300, но миссия по ремонту телескопа Хаббл выполнялась на более высокой орбите – 350 миль (563 км), где первоначально риск оценивался как 1 к 185 (частично из-за столкновения спутников в 2009 году). Повторный анализ с использованием более точных данных о мусоре снизил оценочный риск до 1 к 221, и миссия была продолжена. Инциденты с космическим мусором продолжались и на последующих миссиях шаттлов. Во время STS-115 в 2006 году фрагмент печатной платы пробил небольшое отверстие в радиаторных панелях грузового отсека «Атлантис». В ходе STS-118 в 2007 году обломок пробил радиаторную панель «Эндевора», образовав отверстие, похожее на след от пули.

Мир

На советской космической станции "Мир" были заметны следы ударного износа, так как она долгое время оставалась на орбите с первоначальными панелями солнечных батарей.

Международная космическая станция

МКС также использует щит Уиппеля для защиты внутреннего пространства от мелких обломков. Однако внешние части (в частности, солнечные панели) защитить сложно. В 1989 году прогнозировалось, что панели МКС потеряют примерно 0,23% своей эффективности за четыре года из-за "пескоструйного" эффекта от столкновений с небольшими орбитальными обломками. Обычно МКС выполняет маневр уклонения, если "вероятность столкновения с обломками превышает одну на 10 000". Для снижения риска для экипажа, оперативное управление МКС трижды давало указание экипажу укрыться в корабле "Союз" из-за поздних предупреждений о приближении обломков. Помимо шестнадцати включений двигателей и трех указаний укрыться в "Союзе", одна попытка маневра не была завершена из-за недостатка нескольких дней для загрузки программы маневра в бортовой компьютер станции. В марте 2009 года произошел инцидент с обломками, предположительно фрагментом спутника "Космос-1275". В 2013 году оперативное управление МКС не выполняло маневров уклонения от обломков, после рекордных четырех маневров, выполненных в предыдущем году.

Синдром Кесслера

Синдром Кесслера, предложенный ученым NASA Дональдом Дж. Кесслером в 1978 году, – это теоретический сценарий, при котором плотность объектов на низкой околоземной орбите (LEO) достаточно высока, чтобы столкновения между ними могли вызвать цепную реакцию, в результате которой каждое столкновение порождает космический мусор, увеличивая вероятность дальнейших столкновений. Он также предположил, что в случае реализации этого сценария, распределение мусора на орбите может сделать космическую деятельность и использование спутников в определенных орбитальных диапазонах экономически нецелесообразными на протяжении многих поколений. Увеличение количества объектов, выявленное в ходе исследований конца 1990-х годов, спровоцировало дискуссии в космическом сообществе о характере проблемы и прежних мрачных прогнозах. Согласно выводам Кесслера 1991 года и обновлениям 2001 года, в указанном диапазоне высот на LEO должна наблюдаться цепная реакция. Однако произошло лишь одно крупное столкновение спутников: столкновение в 2009 году между Iridium 33 и Cosmos 2251. Отсутствие очевидных краткосрочных последствий цепной реакции привело к предположениям о завышении первоначальных оценок. Однако, по словам Кесслера в 2010 году, цепная реакция может стать заметной лишь на продвинутой стадии, что может занять годы.

На земле

Хотя большая часть обломков сгорает в атмосфере, более крупные объекты могут достигать земли в неповрежденном виде. По данным NASA, в среднем один объект космического мусора из каталога возвращается на Землю каждый день на протяжении последних 50 лет. Несмотря на свои размеры, обломки не причинили значительного материального ущерба. Сгорание в атмосфере вносит вклад в загрязнение воздуха. Было обнаружено множество небольших цилиндрических резервуаров, происходящих из космических аппаратов и предназначенных для хранения топлива или газов.

Отслеживание с земли

Радарные и оптические детекторы, такие как лидар, являются основными инструментами для отслеживания космического мусора. Хотя объекты меньшего размера обладают пониженной орбитальной стабильностью, можно отслеживать обломки размером до 1 см, однако определение орбит для последующего обнаружения представляет собой сложность. Большинство обломков остаются необнаруженными. Орбитальная обсерватория NASA по отслеживанию космического мусора использует жидкозеркальный транзитный телескоп. FM-радиоволны могут обнаруживать обломки, отражаясь от них на приемник. Оптическое отслеживание может служить полезной системой раннего предупреждения на космических аппаратах. Стратегическое командование США ведет каталог известных объектов на орбите, используя наземные радары и телескопы, а также космический телескоп (первоначально предназначенный для различения враждебных ракет). В издании 2009 года было перечислено около 19 000 объектов. Другие данные поступают от космического телескопа ESA Space Debris Telescope, TIRA, радаров Goldstone, Haystack и EISCAT, а также радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой Cobra Dane, которые используются в моделях космической среды, таких как эталонная модель наземной среды для метеороидов и космического мусора (MASTER).

Измерение в космосе

Возвращенное космическое оборудование является ценным источником информации о направленном распределении и составе потока обломков (субмиллиметрового размера). Спутник LDEF, развернутый миссией STS-41C "Челленджер" и извлеченный миссией STS-32 "Колумбия", провел 68 месяцев на орбите, собирая данные об обломках. Спутник EURECA, запущенный миссией STS-46 "Атлантис" в 1992 году и извлеченный миссией STS-57 "Эндевор" в 1993 году, также использовался для изучения обломков. Солнечные батареи телескопа Хаббл были возвращены миссиями STS-61 "Эндевор" и STS-109 "Колумбия", а образовавшиеся кратеры воздействия изучались ESA для валидации своих моделей. Материалы, возвращенные с орбитальной станции "Мир", также были исследованы, в частности, полезная нагрузка Mir Environmental Effects Payload (которая также использовалась для испытания материалов, предназначенных для МКС).

Диаграммы Габбарда

Облако обломков, образовавшееся в результате единичного события, изучается с помощью диаграмм рассеяния, известных как диаграммы Габбарда, на которых перигей и апогей фрагментов отображаются в зависимости от их орбитального периода. Реконструируются диаграммы Габбарда для раннего облака обломков до учета возмущений, если бы такие данные были доступны. Они часто включают данные о вновь обнаруженных, еще не занесенных в каталог фрагментах. Диаграммы Габбарда могут дать представление об особенностях фрагментации, направлении и точке столкновения.

Обработка мусора

В среднем около одного отслеживаемого объекта в день выходит из строя и покидает орбиту в течение последних 50 лет. Помимо естественного воздействия атмосферы, корпорации, научные круги и государственные учреждения предложили планы и технологии для решения проблемы космического мусора, но по состоянию на 2014 год большинство из них остаются теоретическими, и не существует бизнес-плана по уменьшению количества космического мусора. Консультативный совет по вопросам космического поколения оценил различные методы удаления космического мусора, в том числе французский астрофизик Фатумата Кебе.

Национальное и международное регулирование

Международного договора о минимизации космического мусора не существует. Однако Комитет Организации Объединенных Наций по мирному использованию космического пространства (COPUOS) опубликовал добровольные руководящие принципы в 2007 году, основываясь на различных предыдущих национальных попытках разработки стандартов по смягчению последствий образования космического мусора. В 2008 году комитет обсуждал международные "правила поведения" для предотвращения столкновений между спутниками. К 2013 году существовал ряд национальных правовых режимов.

В 2001 году США выпустили набор стандартных практик по смягчению орбитального мусора для гражданских (NASA) и военных (DoD и USAF) космических аппаратов. Однако единого мнения относительно возможных новых сроков не сложилось, и эти практики стали предшественником международного стандарта ISO, разработка которого началась в следующем году. В 2008 году ESA разработала "собственные "Требования по смягчению космического мусора для проектов Агентства", которые "вступили в силу 1 апреля 2008 года". Вариант "прямого захвата" (вариант № 3 в вышеупомянутых "стандартных практиках" США) редко применялся какой-либо космической державой (за исключением USAF X-37) или коммерческой организацией с первых дней космических полетов из-за высокой стоимости и сложности реализации. Однако ESA запланировала демонстрационную миссию ClearSpace 1 на 2026 год для захвата небольшого спутника (PROBA 1), стоимость которой оценивается в 120 миллионов евро без учета затрат на запуск. В 2007 году ISO начала разработку международного стандарта по смягчению космического мусора. К 2010 году ISO опубликовала "комплексный набор стандартов по проектированию космических систем, направленных на смягчение космического мусора, [с основными требованиями], определенными в стандарте высшего уровня ISO 24113". К 2017 году разработка стандартов была почти завершена. Однако эти стандарты не имеют обязательной силы ни для ISO, ни для какой-либо международной юрисдикции. Они доступны для добровольного использования. Они "могут быть добровольно приняты производителем или оператором космического аппарата, закреплены в коммерческом контракте между заказчиком и поставщиком или использованы в качестве основы для разработки национальных правил по смягчению космического мусора". Добровольный стандарт ISO также принял "правило 25 лет" для "защищенной области LEO" ниже определенной высоты, которое ранее (и по состоянию на 2019 год) использовалось в стандартах по смягчению последствий США, ESA и ООН, и определяет его как "максимальный срок пребывания космического аппарата на орбите после завершения миссии. В идеале время схода с орбиты должно быть как можно меньше (то есть значительно меньше 25 лет)".

The U. S. issued a set of standard practices for civilian (NASA) and military (DoD and USAF) orbital debris mitigation in 2001. There is no consensus however on what any new timeframe might be. which was a predecessor standard to the ISO international standard work that would begin the following year. In 2008, ESA further developed "its own "Requirements on Space Debris Mitigation for Agency Projects" which "came into force on 1 April 2008." The "direct retrieval" option (option no. 3 in the US "standard practices" above) has rarely been done by any spacefaring nation (exception, USAF X 37) or commercial actor since the earliest days of spaceflight due to the cost and complexity of achieving direct retrieval, but the ESA has scheduled a 2026 demonstration mission (ClearSpace 1) to do this with a single small satellite (PROBA 1) at a projected cost of €120 million not including the launch costs. In 2007, the ISO began preparing an international standard for space debris mitigation. By 2010, ISO had published "a comprehensive set of space system engineering standards aimed at mitigating space debris. [with primary requirements] defined in the top level standard, ISO 24113." By 2017, the standards were nearly complete. However, these standards are not binding on any party by ISO or any international jurisdiction. They are simply available for use in voluntary ways. They "can be adopted voluntarily by a spacecraft manufacturer or operator, or brought into effect through a commercial contract between a customer and supplier, or used as the basis for establishing a set of national regulations on space debris mitigation." The voluntary ISO standard also adopted the "25 year rule" for the "LEO protected region" below altitude that has been previously (and still is, as of 2019) used by the US, ESA, and UN mitigation standards, and identifies it as "an upper limit for the amount of time that a space system shall remain in orbit after its mission is completed. Ideally, the time to deorbit should be as short as possible (i. e., much shorter than 25 years)".

Снижение роста

Начиная с 2010-х годов, обычно применяются различные технические подходы к смягчению роста космического мусора, однако не существует комплексной правовой базы или структуры распределения затрат для сокращения космического мусора в той же мере, в какой было сокращено загрязнение окружающей среды на Земле со второй половины 20-го века. Чтобы избежать чрезмерного образования искусственного космического мусора, многие, но не все спутники, выводимые на околоземные орбиты, первоначально выводятся на эллиптические орбиты с перигеем внутри атмосферы Земли, что обеспечивает быстрое снижение орбиты и последующее разрушение спутника при возвращении в атмосферу. Для космических аппаратов на более высоких орбитах используются другие методы. К ним относятся пассивация космического аппарата в конце срока службы, а также использование верхних ступеней, способных к повторному запуску для снижения скорости и преднамеренному спуску с орбиты, часто на первой или второй орбите после отделения полезной нагрузки, и спутники, способные, при сохранении работоспособности в течение многих лет, самостоятельно покидать низкие околоземные орбиты. Другие спутники (например, многие CubeSats) на низких орбитах ниже определенной высоты полагаются на поглощение энергии верхней атмосферой для надежного сведения с орбиты в течение нескольких недель или месяцев. Все чаще, отработанные верхние ступени на более высоких орбитах, для которых маневр сведения с орбиты с малым delta v невозможен или не запланирован, а также архитектуры, поддерживающие пассивацию спутников, пассивируются в конце срока службы. Это устраняет любую внутреннюю энергию, содержащуюся в аппарате в конце его миссии или полезного срока службы. Хотя это не устраняет обломки отработанной ракетной ступени или самого спутника, это значительно снижает вероятность разрушения космического аппарата и образования множества мелких фрагментов космического мусора, что было характерно для многих ранних поколений американских и советских аппаратов. SpaceX использовал термин "двигательная пассивация" для финального маневра своей шестичасовой демонстрационной миссии (STP 2) второй ступени Falcon 9 для ВВС США в 2019 году, но не уточнил, что включает в себя этот термин. При политике "один запуск – один вывод с орбиты" для околоземных орбит, ракеты-носители будут сближаться, захватывать и выводить с орбиты недействующие спутники, находящиеся примерно на той же плоскости орбиты. SpaceX также разрабатывает крупномасштабную технологию передачи топлива на орбите. Другой подход к смягчению последствий образования мусора заключается в проектировании архитектуры миссии таким образом, чтобы вторая ступень ракеты оставалась на эллиптической геоцентрической орбите с низким перигеем, обеспечивая тем самым быстрое снижение орбиты и предотвращая долгосрочное образование орбитального мусора от отработанных ракетных ступеней. В таких миссиях размещение полезной нагрузки на конечной орбите часто завершается с использованием электрической двигательной установки малой тяги или небольшой ступени разгона для циркуляризации орбиты. Сама ступень разгона может быть спроектирована с избыточным запасом топлива для самостоятельного сведения с орбиты.

As of the 2010s, several technical approaches to the mitigation of the growth of space debris are typically undertaken, yet no comprehensive legal regime or cost assignment structure is in place to reduce space debris in the way that terrestrial pollution has reduced since the mid 20th century. To avoid excessive creation of artificial space debris, manybut not allsatellites launched to above low Earth orbit are launched initially into elliptical orbits with perigees inside Earth's atmosphere so the orbit will quickly decay and the satellites then will be destroyed upon reentry into the atmosphere. Other methods are used for spacecraft in higher orbits. These include passivation of the spacecraft at the end of its useful life; as well as the use of upper stages that can reignite to decelerate the stage to intentionally deorbit it, often on the first or second orbit following payload release; satellites that can, if they remain healthy for years, deorbit themselves from the lower orbits around Earth. Other satellites (such as many CubeSats) in low orbits below approximately orbital altitude depend on the energy absorbing effects of the upper atmosphere to reliably deorbit a spacecraft within weeks or months. Increasingly, spent upper stages in higher orbitsorbits for which low delta v deorbit is not possible, or not planned forand architectures that support satellite passivation, are passivated at end of life. This removes any internal energy contained in the vehicle at the end of its mission or useful life. While this does not remove the debris of the now derelict rocket stage or satellite itself, it does substantially reduce the likelihood of the spacecraft destructing and creating many smaller pieces of space debris, a phenomenon that was common in many of the early generations of US and Soviet SpaceX used the term "propulsive passivation" for the final maneuver of their six hour demonstration mission (STP 2) of the Falcon 9 second stage for the US Air Force in 2019, but did not define what all that term encompassed. With a "one up, one down" launch license policy for Earth orbits, launchers would rendezvous with, capture, and de orbit a derelict satellite from approximately the same orbital plane. and SpaceX is developing large scale on orbit propellant transfer technology. Another approach to debris mitigation is to explicitly design the mission architecture to leave the rocket second stage in an elliptical geocentric orbit with a low perigee, thus ensuring rapid orbital decay and avoiding long term orbital debris from spent rocket bodies. Such missions will often complete the payload placement in a final orbit by the use of low thrust electric propulsion or with the use of a small kick stage to circularize the orbit. The kick stage itself may be designed with the excess propellant capability to be able to self deorbit.

Самоудаление

Хотя МСЭ требует, чтобы геостационарные спутники перемещались на орбиту захоронения в конце срока службы, выбранные орбитальные области недостаточно защищают геостационарные орбиты от космического мусора. Созвездие Иридиум – 95 спутников связи, запущенных в течение пятилетнего периода с 1997 по 2002 год – предоставляет набор данных, иллюстрирующих пределы возможности самовыведения с орбиты. Спутниковый оператор Iridium Communications оставался в эксплуатации на протяжении двух десятилетий существования спутников (хотя название компании менялось в связи с корпоративным банкротством в этот период) и к декабрю 2019 года "завершил утилизацию последних из 65 рабочих спутников старого поколения". Однако в результате этого процесса 30 спутников общей массой (или почти треть массы всего созвездия) остались на околоземных орбитах (LEO) на высоте, где естественное снижение орбиты происходит очень медленно. Из этих спутников 29 просто вышли из строя во время нахождения на орбите и не смогли самостоятельно сойти с нее, а один – Iridium 33 – был задействован в столкновении со спутником в 2009 году с недействующим российским военным спутником "Космос-2251". Другие предложения включают использование разгонного блока с парусообразным приспособлением и большого, тонкого, надувного баллона. В конце декабря 2022 года ESA успешно продемонстрировала спутниковый деорбитатор на основе тормозного паруса, который может быть использован в рамках мер по смягчению последствий и является частью инициативы ESA "Ноль обломков". Примерно за год до этого Китай также испытал тормозной парус.

Внешнее удаление

Были предложены, изучены или разработаны наземные подсистемы для использования других космических аппаратов с целью удаления существующего космического мусора. Консенсус участников встречи в Брюсселе в октябре 2012 года, организованной Фондом "Безопасный мир" (американский аналитический центр) и Французским институтом международных отношений, заключался в том, что удаление наиболее крупных обломков необходимо для предотвращения неприемлемого риска для космических аппаратов в обозримом будущем (без увеличения количества неработоспособных космических аппаратов на низкой околоземной орбите). По состоянию на 2019 год стоимость удаления и юридические вопросы, касающиеся прав собственности и полномочий на удаление вышедших из строя спутников, препятствовали принятию национальных или международных мер. Действующее космическое право сохраняет право собственности на все спутники за их первоначальными операторами, даже если это обломки или космические аппараты, которые не функционируют или представляют угрозу для действующих миссий. В конце 2010-х годов несколько компаний планировали осуществлять внешнее удаление своих спутников с орбит низкой околоземной орбиты. Например, OneWeb планировал использовать автоматический самовывод из эксплуатации в качестве "плана А" для сведения спутников с орбиты в конце срока службы, но если спутник не сможет самостоятельно покинуть орбиту в течение одного года после окончания срока службы, OneWeb планировал реализовать "план Б" и отправить многоразовый космический буксир (для выполнения нескольких транспортных миссий) для стыковки со спутником с использованием заранее установленной цели захвата через захватное устройство, чтобы отбуксировать его на более низкую орбиту и сбросить для повторного входа в атмосферу.

Двигатели с дистанционным управлением

В качестве хорошо изученного решения используется дистанционно управляемый аппарат, который сближается с космическим мусором, захватывает его и возвращает на центральную станцию. Одной из таких систем является Space Infrastructure Servicing – коммерчески разработанный комплекс заправки и обслуживания космических аппаратов для спутников связи на геосинхронной орбите, запуск которого первоначально планировался на 2015 год. Система SIS сможет "выводить неработоспособные спутники на орбиты захоронения". Семейство верхних ступеней Advanced Common Evolved Stage разрабатывается с большим запасом топлива (для захвата и схода с орбиты отработавших аппаратов) и возможностью дозаправки в космосе, необходимой для достижения высокой дельты-v, требуемой для схода с геосинхронной орбиты тяжелых объектов. Исследовалась возможность использования аппарата, подобного буксиру, для перемещения мусора на безопасную высоту, где он сгорит в атмосфере. При обнаружении обломков спутник создает разность потенциалов между ними и самим собой, а затем, используя свои двигатели, перемещает себя и обломки на более безопасную орбиту. Вариацией этого подхода является сближение дистанционно управляемого аппарата с обломками, их временный захват для присоединения небольшого спутника для схода с орбиты и буксировка обломков тросом к заданной точке. Затем "материнский корабль" будет буксировать комбинацию "обломки-малый спутник" для входа в атмосферу или перемещать ее на орбиту захоронения. Одной из таких систем является предлагаемый Busek ORbital DEbris Remover (ORDER), который сможет нести более 40 спутников SUL (спутник на тросе) для схода с орбиты и достаточное количество топлива для их удаления. В феврале 2012 года Швейцарский космический центр при École Polytechnique Fédérale de Lausanne объявил о проекте Clean Space One – демонстрационном проекте наноспутника, предназначенном для сближения с неработоспособным швейцарским наноспутником, его захвата и совместного схода с орбиты. Миссия претерпела несколько изменений, чтобы достичь модели захвата, вдохновленной игрой "Пакман". В 2013 году изучался Space Sweeper with Sling Sat (4S) – спутник-захватчик, который захватывает и выбрасывает мусор. В 2022 году китайский спутник SJ 21 захватил неиспользуемый спутник и "выбросил" его на орбиту с меньшим риском столкновения. В декабре 2019 года Европейское космическое агентство заключило первый контракт на очистку космического мусора. Миссия стоимостью 120 миллионов евро, получившая название ClearSpace 1 (выделенное из проекта EPFL), запланирована к запуску в 2026 году. Ее цель – вывести с орбиты спутник PROBA 1 весом 94 кг.

A well studied solution uses a remotely controlled vehicle to rendezvous with, capture, and return debris to a central station. One such system is Space Infrastructure Servicing, a commercially developed refueling depot and service spacecraft for communications satellites in geosynchronous orbit originally scheduled for a 2015 launch. The SIS would be able to "push dead satellites into graveyard orbits." The Advanced Common Evolved Stage family of upper stages is being designed with a high leftover propellant margin (for derelict capture and de orbit) and in space refueling capability for the high delta v required to de orbit heavy objects from geosynchronous orbit. A tug like satellite to drag debris to a safe altitude for it to burn up in the atmosphere has been researched. When debris is identified the satellite creates a difference in potential between the debris and itself, then using its thrusters to move itself and the debris to a safer orbit. A variation of this approach is for the remotely controlled vehicle to rendezvous with debris, capture it temporarily to attach a smaller de orbit satellite and drag the debris with a tether to the desired location. The "mothership" would then tow the debris smallsat combination for atmospheric entry or move it to a graveyard orbit. One such system is the proposed Busek ORbital DEbris Remover (ORDER), which would carry over 40 SUL (satellite on umbilical line) de orbit satellites and propellant sufficient for their removal. In February 2012 the Swiss Space Center at École Polytechnique Fédérale de Lausanne announced the Clean Space One project, a nanosatellite demonstration project for matching orbit with a defunct Swiss nanosatellite, capturing it and de orbiting together. The mission has seen several evolutions to reach a pac man inspired capture model. In 2013, Space Sweeper with Sling Sat (4S), a grappling satellite which captures and ejects debris was studied. In 2022, a Chinese satellite, SJ 21, grabbed an unused satellite and "threw" it into an orbit with a lower risk for it to collide. In December 2019, the European Space Agency awarded the first contract to clean up space debris. The €120 million mission dubbed ClearSpace 1 (a spinoff from the EPFL project) is slated to launch in 2026. It aims to remove the 94 kg PROBA 1 satellite from orbit.

Лазерные методы

Лазерная метла использует наземный лазер для абляции передней части обломков, создавая реактивную тягу, которая замедляет объект. При продолжительном воздействии обломки опустятся настолько, что на них начнет действовать атмосферное сопротивление. В конце 1990-х годов проект "Орион" ВВС США представлял собой конструкцию лазерной метлы. Хотя запуск опытного образца на космическом шаттле был запланирован на 2003 год, международные соглашения, запрещающие проведение мощных лазерных испытаний на орбите, ограничили его использование измерениями. Катастрофа космического шаттла "Колумбия" в 2003 году отложила проект, и, по словам Николаса Джонсона, главного научного сотрудника и руководителя программы NASA по космическому мусору, "в окончательном отчете по проекту "Орион" есть множество нюансов. Есть причина, по которой он пролежал на полке больше десяти лет". Импульс фотонов лазерного луча может непосредственно передавать тягу обломкам, достаточную для перемещения небольших обломков на новые орбиты, чтобы они не мешали работе спутников. Исследования NASA, проведенные в 2011 году, показывают, что облучение лазерным лучом куска космического мусора может придать импульс в секунду, а поддержание лазерного облучения обломков в течение нескольких часов в день может изменить их курс на в день. Одним из недостатков является потенциальная деградация материала: энергия может разрушить обломки, усугубив проблему. Альтернативное предложение предполагает размещение лазера на спутнике на солнечно-синхронной орбите с использованием импульсного луча для сброса спутников на более низкие орбиты для ускорения их схода с орбиты. Другие предложения включают использование пористого шара из аэрогеля или распыление воды, надувных шаров, электродинамических тросов, электроадгезии и специализированного противоспутникового оружия.

Сети

28 февраля 2014 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило тестовый спутник "космической сети". Запуск являлся лишь оперативным испытанием. В декабре 2016 года страна отправила аппарат для сбора космического мусора на МКС с помощью грузовика Kounotori 6, в рамках которого ученые JAXA экспериментировали с выведением мусора с орбиты с использованием троса. Система не смогла развернуть 700-метровый трос с возвращающегося на Землю грузового корабля. 6 февраля миссия была признана неудачной, и ведущий исследователь Коити Иноуэ сообщил журналистам, что они "считают, что трос не был отпущен". В период с 2012 по 2018 год Европейское космическое агентство работало над проектом миссии по удалению крупногабаритных обломков космического мусора с орбиты с помощью механических манипуляторов или сетей. Целью миссии e. Deorbit было удаление объектов весом более чем из низкой околоземной орбиты (LEO). Изучались различные методы захвата, включая сеть, гарпун и роботизированную руку с захватным механизмом. Финансирование миссии было прекращено в 2018 году в пользу миссии ClearSpace 1, которая в настоящее время находится в стадии разработки.

Гарпун

План миссии RemoveDEBRIS предусматривает испытание эффективности нескольких технологий активного удаления космического мусора (ADR) на имитированных объектах на низкой околоземной орбите. Для проведения запланированных экспериментов платформа оснащена сетью, гарпуном, лазерным дальномером, тормозным парусом и двумя миниатюрными исследовательскими спутниками CubeSat. Запуск миссии состоялся 2 апреля 2018 года.

Переработка космического мусора

Технологии обработки металлов для плавления космического мусора и переработки его в другие полезные формы разрабатываются компанией CisLunar Industries. Их система использует электромагнитный нагрев для расплавления металла и придания ему формы металлической проволоки, листового металла и металлического топлива.

Повторное использование космического мусора

Двигательная система под названием Neumann Drive была разработана в Аделаиде, Австралия, и впервые отправлена в космос в июне 2023 года. Металлический космический мусор преобразуется в топливные стержни, которые можно подключать к Neumann Drive, "по сути, превращая твердый металлический топливный элемент в плазму". Двигатель будет использоваться американскими космическими компаниями, которые уже используют сети или роботизированные манипуляторы для захвата орбитального мусора. Эта двигательная установка позволит этим спутникам возвращаться на Землю с собранным мусором, который затем можно будет переплавить для производства дополнительного топлива.

Препятствия для обращения с мусором

С быстрым развитием компьютерной и цифровой индустрии с начала 20-го века все больше стран и компаний вовлечены в космическую деятельность. "Трагедия общин" – это экономическая теория, описывающая ситуацию, когда стремление к максимальной выгоде при использовании общего ресурса может привести к его деградации, затрагивающей всех. Исходя из этой теории, рациональные действия отдельных субъектов в космосе приведут к иррациональному коллективному результату: перегруженным космическим мусором орбитам. Орбиты Земли, особенно НОО и ГСО, где размещено большинство спутников, являются общим ресурсом, неисключаемым и характеризующимся соперничеством в использовании. Для предотвращения этой трагедии и обеспечения устойчивого освоения космоса разработано множество технических решений. Что касается механизмов управления, централизованная, иерархическая система менее эффективна для решения сложной проблемы космического мусора из-за растущего числа участников космической деятельности. Вместо этого, полицентрическая модель управления, разработанная Элеонорой Остром, может оказаться подходящей для космоса. В процессе развития полицентрической сети необходимо преодолеть ряд существующих препятствий.