«Космический мусор представляет угрозу»: доцент МАИ о системе мониторинга опасных объектов

Проблема космического мусора на околоземной орбите становится всё более актуальной. Объекты, которые завершили свою миссию, накапливаются и становятся угрозой для новых и функционирующих космических аппаратов. Насколько опасен мелкий космический мусор, как его «сосчитать», и зачем нужны математические модели расположения частиц на орбите рассказал доцент кафедры «Системный анализ и управление» МАИ, член Российской академии космонавтики имени К. Э. Циолковского Игорь Усовик.

— Игорь, расскажите немного о себе: как давно ваша жизнь связана с МАИ?

Я доцент кафедры «Системный анализ и управление» МАИ, член Академии космонавтики имени Циолковского. В МАИ поступил в 15 лет, и с тех пор вот уже более половины жизни связан с кафедрой и институтом. Если говорить о моих научных интересах, то это направления системного анализа и управления, механики космического полёта, проблемы космического мусора.

— «Системный анализ и управление»: расшифруйте, пожалуйста, немного, чем занимается кафедра.

Здесь готовят специалистов в области управления движением аэрокосмической техники и системного анализа и управления в аэрокосмической отрасли. Большое внимание на кафедре уделяется подготовке специалистов с системным мышлением, что позволяет им найти себя как в космической отрасли, так и в любых других отраслях.

Нехватка данных для верификации моделей космического мусора. Именно это и заставило задуматься над вопросом определения и создания рационального состава средств мониторинга некаталогизируемых космических объектов, которые могли бы дать полное и непрерывное обеспечение исходными данными. Это даст полное представление о том, что происходит на орбите, и позволит создать эффективную систему предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве.

— Какие расчёты вы производите в рамках создания системы?

Мы  оцениваем эффективность функционирования средств мониторинга наземного и космического базирования, используя при этом модель космического мусора. Рассчитываем, сколько и каких именно средств потребуется для мониторинга космического мусора размером от 1 до 10 сантиметров и менее 1 сантиметра, чтобы эти данные можно было в дальнейшем использовать при проектировании систем мониторинга и верификации моделей космического мусора. Со мной в команде работает аспирант кафедры: он проводит анализ литературных источников, выполняет расчёты и другие работы.

— Этот проект реализуется при поддержке Российского научного фонда?

Да, всё верно. После опыта получения президентского гранта для кандидатов наук появилась идея подать заявку на грант РНФ по инициативным исследованиям молодых учёных. Я оформил соответствующие формы и подал заявку на конкурс. Работа получила одобрение, она будет выполняться с 2023 по 2025 годы.

— Зачем вообще «считать» космический мусор? Что даёт каталогизация отработанных космических объектов и другого мусора?

Космический мусор представляет угрозу функционирующим космическим аппаратам, и риски с каждым годом только растут. От каталогизированного мусора можно уклониться, так как мы знаем его траекторию и можем вовремя осуществить манёвр. От некаталогизируемого мусора защищаются с использованием специальных защитных экранов и методов проектирования, обеспечивающих минимизацию рисков от высокоскоростного соударения. Для эффективной реализации этих методов необходимо понимание количества малоразмерных частиц, которое дают модели космического мусора. Вот только задумайтесь: из-за высоких скоростей соударения объекты размером от 1 до 10 сантиметров несут риски для космических аппаратов вплоть до полного выхода из строя. И даже такой защищённый объект, как МКС, может быть пробит частицей диаметром более 1,3 сантиметра на скорости около 10 км/c. Объекты диаметром менее 1 сантиметра по отдельности не в состоянии пробить защитные экраны МКС, потому что их кинетическая энергия мала. Но их гораздо больше, и частота столкновений с ними существенно выше, они могут помешать работе космических аппаратов и их подсистем.

Все мы помним громкую историю на МКС, когда случилась разгерметизация «Прогресса МС-21», и одной из причин могло стать столкновение с мусором. Недавно сотрудник обсерватории NASA Chandra Джонатан Макдауэлл заметил семь обломков, которые, по его мнению, могут принадлежать одному из восьми спутников серии «Стрела», запущенных на одной ракете в 1991 году (возможно, «Космосу-2143» либо «Космосу-2145»). В 2013-м из-за столкновения с малоразмерным объектом вышел из строя российский наноспутник «Блиц». В 2016-м сантиметровая частица пробила панель солнечной батареи европейского космического аппарата Sentinel-1A. В результате от неё отлетели фрагменты размером более 5 см. В 2019 году, предположительно, произошло столкновение с микромусором российского гидрометеорологического спутника «Метеор-М», из-за чего он был временно неработоспособен.

— Как в мировой практике ведётся «подсчёт» мелкого космического мусора? Почему этого недостаточно?

Существует несколько радаров и телескопов, которые осуществляют статистические измерения объектов, также несколько экспериментов проводилось в космосе. Но все эти измерения проводятся в существенно малом объёме пространства и непродолжительное время. Потому этого недостаточно.

По данным Европейского космического агентства (ESA), в настоящее время на орбите Земли существует около 34 550 объектов более 10 сантиметров. Однако, по оценкам ЕSА, помимо этих видимых фрагментов космического мусора, в космосе летает около 1 миллиона объектов мусора размером от 1 до 10 сантиметров и более 130 миллионов фрагментов размером менее 1 сантиметра.

— А в России ведётся подсчёт комического мусора?

В России функционирует автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространства и планируется её дальнейшее развитие.

— Как будет работать ваша система?

Мы планируем разработать методику и провести расчёты для определения количественного и качественного состава системы мониторинга малоразмерных космических объектов, достаточной для обеспечения заданных характеристик. Разработанные методики, модели и реализующие их программы определят облик системы, которую смогут использовать учёные и инженеры на высокопроизводительных компьютерах.

— Где и как будет реализован проект? На российских космических объектах? Или планируете привлечь иностранных партнёров?

Система может быть реализована в любом варианте, и её рациональный состав будет зависеть в том числе от возможности по размещению средств.

— На каком вы сейчас этапе и что будет по его завершении?

Проект только начался, сейчас активно ведётся обзор новых публикаций и материалов конференций в области исследования.

Уже существует математическая модель космического мусора, и на первом этапе мы её используем для определения нужного количества, видов и оптимального местоположения оборудования, которое будет необходимо для построения полноценной системы мониторинга.

Ну а после реализации проекта будут разработаны и апробированы новые методики, позволяющие определить эффективность средств мониторинга некаталогизируемого космического мусора. Мы предложим рациональные варианты построения системы мониторинга некаталогизируемых космических объектов, технические средства, которые можно использовать для наблюдений (помимо уже используемых типов устройств, это будут наземные и орбитальные оптические телескопы и контактные датчики, установленные на космических аппаратах). Ну а дальше они могут быть внедрены в отечественных системах мониторинга космических объектов.

По данным Управления по вопросам космического пространства ООН, в 2020-м человечество вывело на орбиту 1274 новых спутника, а в 2022-м — уже 2474.