Мусор преграждает путь в Космос

Вадим Романов

Мусор преграждает путь в Космос

Сокращения

В настоящем издании применены следующие сокращения:

КА — космический аппарат;

КК — космический комплекс;

ДУ — двигательная установка:

КМ — космический мусор;

КО — космический объект;

КРТ — компонент ракетного топлива;

КТ — космическая техника;

ОКП — околоземное космическое пространство;

ОС — окружающая среда;

РК — ракетный комплекс;

РКД — ракетно-космическая деятельность;

РКТ — ракетно-космическая техника;

РАО- радиоактивные отходы;

PH — ракета-носитель;

РБ — разгонные блоки;

РТ — ракетная техника;

а. е. — астрономическая единица;

ЕКА — Европейское космическое агентство;

GEO — геостационарная орбита;

ECO — геостационарная орбита;

ВЭО — высокоэллиптическая орбита;

LEO- низкая земная орбита;

НОО — низкие околоземные орбиты;

ООН — Организация объединённых наций.

Введение

Нет ни мира, ни покоя, если путь греха избрал,

Ты своею же рукою сам себя и наказал:

Обратись всем сердцем к Богу, скорбь свою Ему излей,

И на новую дорогу обратись, мой друг, скорей.

По материалам “Библейского радиокласса”- “Хлеб наш насущный”

Потребности человечества в освоении космического пространства определяются необходимостью контроля за использованием природных ресурсов планеты, в обеспечении глобальности телекоммуникаций, навигации, мониторинга земной поверхности, воздушного и космического пространства. Космические средства имеют важнейшее значение в создании единого информационного пространства отдельных государств и всей цивилизации. Без присутствия космической техники в околоземном пространстве уже невозможно эффективное использование транспорта, развитие науки и образования, нельзя обеспечить надёжность и достоверность гидрометеорологических прогнозов и долгосрочное прогнозирование стихийных бедствий.

В XXI веке космическая деятельность аккумулирует передовые достижения науки и техники, стимулирует создание высокоэффективных технологий для производства продукции, конкурентоспособной на мировом рынке. Освоение и использование ОКП занимает ключевое место в геополитике и является одним из факторов, определяющих статус страны, способствует обеспечению её национальной безопасности, экономическому, научному и социальному развитию. Кроме того, космические военные средства являются важнейшей составляющей оборонного потенциала стран, обладающих доступом в ОКП и в большой Космос. Иными словами, без присутствия человека в ближнем и дальнем Космосе развитие цивилизации стало немыслимым. И всё это огромное, правильнее сказать, необозримое количество проблем и задач, политических, социальных и технических решений может быть остановлено некстати появившемся на «небосклоне» тривиальным мусором!

Что же происходит в околоземном космическом пространстве и как получилось, что факт возможной его блокировки мусором стал неожиданным, а человечество неготовым к этому вызову?

В настоящее время вокруг Земли вращается более 600 тыс. рукотворных объектов диаметром более 1 см. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), 41 % составляют различные обломки, потерянные инструменты и т. п., 22 % — это отработавшие свой срок космические аппараты, 13 % от общего числа составляют следы различных экспериментов и научных проектов, 7 % — части ракет-носителей. В то же время на функционирующие космические аппараты приходится только 7 % огромного количества отходов, связанных с освоением Космоса человечеством. Получается, что 93 % объектов, вращающихся вокруг Земли, — это бесполезный и опасный мусор, разбросанный по различным орбитам. Причём удалить его одномоментно или за небольшое время из околоземного космического пространства невозможно. Взорвав мусор в ОКП, мы не уничтожим его, а лишь увеличим его количество в виде более мелких фрагментов.

Избавление от космического и орбитального техногенного мусора возможно только при его сгорании в атмосфере. По расчётам учёных, в течение нескольких лет спуститься до её уровня могут объекты, расположенные на высоте ниже 600 км. Расположенному на высотах ~800 км мусору на это требуется десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше — сотни лет. В создавшейся ситуации мусор закрывает дорогу в Космос. Для решения этой проблемы необходимы научные исследования и изучение мусорного феномена, начало которым было заложено экскретологией — наукой о продуктах конечного выделения природы и человеческого общества [1]. В первую очередь необходимо определиться в терминологии, тогда можно надеяться на возможность научного определения изучаемых объектов, исключающую их неоднозначную трактовку и понимание.

В природоохранной, а точнее сказать в экскретологической деятельности сложилась ситуация, когда специалисты различных областей знаний понимают первичные определения неодинаково — одни очень узко, другие чрезмерно широко, произвольно заменяя одни объекты другими. Это относится к таким экскретам как отходы, отбросы и мусор. А ведь необходимо, — "чтобы новые определения согласовались с теми, которые положены в основу науки, и чтобы одинаковые термины сохраняли всегда один смысл". Иначе о какой "основе" и о какой "науке" вообще может идти речь? Узкие специалисты не понимают друг друга, они не имеют общего для всех языка. Он раздроблен на множество течений, учений и школ и применяется узковедомственно. Такого беспорядка нет даже в астрологии, которую немногие признают за науку. В разных публицистических и научных изданиях авторы одни и те же объекты называют то мусором, то отходами, то отбросами. Понятие мусора в справочниках найти непросто, а если оно там приведено, то путано и противоречиво [1].

Возникла парадоксальная ситуация — отбросы, мусор, мусорные свалки и полигоны есть, а самих этих объектов как бы и нет! Они присутствуют только в некоторых словосочетаниях (например, мусороприёмник, мусоровоз, космический мусор) или в просторечии. Нет таких определений, как мы выяснили ранее, и в научной справочной литературе.

В Большой Медицинской Энциклопедии [42] также всё, от чего избавляется человек в процессе жизнедеятельности «свалено в кучу», но называются эти объекты не отходами, как в российских федеральных законах, а отбросами.

Подробно этот вопрос обсуждается в нашей книге [1], где предлагается логически непротиворечивая терминология мусорных объектов на основе понятия экскретов.

Что касается космонавтики и смежных с ней областей знаний, то авторы многих изданий используют понятие «космического мусора» к любым вышедшим из строя техногенным объектам, их фрагментам и разрушенным при авариях изделиям и частицам. Например, в Национальном стандарте «Изделия космической техники» (ГОСТ Р 52925-2008)» [43] в разделе 3.7 космический мусор определяется так: «Все находящиеся на околоземной орбите космические объекты искусственного происхождения (включая фрагменты или части таких объектов), которые закончили своё активное функционирование». Это определение нуждается в уточнении, так как к Космосу эти объекты никакого отношения не имеют и должны быть отнесены либо к отходам, либо к техногенному мусору. В разделе 6 Федерального ГОСТа [43], кроме того, используется понятие «твёрдого мусора». Что это такое, в этом документе не разъясняется…

Основным результатом этой книги является не столько космическая научная и познавательная её направленность, а в первую очередь выяснение феномена орбитальных мусорных объектов. Всё, что бездумно называют «космическим мусором», на самом деле следует подразделить на совершенно разные объекты — разные как в физическом, так и в функциональном планах. В первом разделе книги даются понятия и определения объектов, используемых в экскретологии. Вопросы классификации орбитальных экскретов на орбитальные отходы, орбитальный техногенный мусор, орбитальные отбросы и орбитальный космический мусор приведено в разделах 2^6 нашей книги.

В седьмом разделе книги на основе литературных данных обсуждаются возможности и способы избавления от орбитальных мусорных экскретов.

Последний восьмой раздел книги посвящён рассмотрению и анализу кризиса космонавтики, который может наступить при сохранении прежних принципов и методов освоения космического пространства. В приложениях к книге приводятся данные о экскретах и порождаемых ими проблемах, а также выдержки из «Национального стандарта» по требованиям к космическим средствам ограничения техногенного засорения ОКП. Краткий тематический словарь поможет разобраться в разнообразных терминах и определениях, а многочисленные иллюстрации зримо представить, недоступную для обозрения на поверхности Земли космическую технику.

1. Понятия и определения, используемые в экскретологии

Экскретология как наука, изучающая преобразования с продуктами выделений и отторжений общества и природы, к настоящему времени ещё полностью не сформировалась, поэтому вопросы терминологии являются чрезвычайно важными. Ниже приведены кратко основные понятия и определения, используемые в «мусорном» блоке экскретологии.

Ввиду особой актуальности и важности отходов, отбросов и мусора для жизни общества этот блок требует отдельного рассмотрения (выделен пунктиром на Рис. 1.1.). Изучению объектов этого блока применительно к объектам космонавтики, в сущности, и посвящена наша книга.

Более детально, с разделением на природные и антропогенные, сведения об экскретах приведены в нашей книге «Начала экскретологии» [1].

Экскретология и экскреты

Экскретология (от латинского excretum — выделенное) — наука о выделениях и отторжениях, выбросах, потерях и удалениях антропогенных (связанных с человеком и его деятельностью) и природных объектов, их возникновении, трансформации, возможной утилизации, использовании и уничтожении. Такими объектами — экскретами — являются конечные продукты деятельности человека и других живых организмов, а также вещества и продукты, возникающие при различных — как правило экстремальных — природных процессах. Рассматриваются материальные объекты в виде физических тел. О нематериальных экскретах смотри в Приложении книги [1].

Рис. 1.1. Схема классификации выделяемых природой и обществом объектов как составных частей экскретологии. «Мусорный» блок экскретов выделен пунктиром

В широком смысле экскретами являются любые естественно-природные и антропогенные объекты, закончившие свой жизненный цикл, выделенные и/или отторгнутые организмами (в том числе и общественными), выбрасываемые за ненадобностью или уничтожаемые каким-нибудь способом.

В справочной литературе (например, в словаре русского языка Д. Н. Ушакова [2]) понятие отторжения определяется так:

«Отторгать —, отторгнуть что от чего, оторвать, отделить дергая, порвав; отодрать, отнять силою». В нашей книге процесс отторжения трактуется более расширенно и предполагает:

а). для живых организмов — выделение, отделение и изоляцию от привычных биогеоценозов в том числе со смертельным исходом;

б). для неорганических объектов — выделение, отделение, изоляцию от первоначального физического тела, потерю или выбрасывание, деструкцию или уничтожение.

Классификации выделяемых природой и обществом объектов как составных частей экскретологии представлена на схеме Рис. 1.1.

Элементы экскретологии — это отходы, мусор, отбросы, а также утраты, находки и потери, виктимы и девиаты. В этом разделе книги выясняется какой смысл вкладывается в определение этих объектов.

Можно сказать, что экскретами являются все материальные объекты природных сред и человеческого общества, отслужившие «свой срок», закончившие жизненный цикл или появившиеся (возникшие) при деструктивных, катаклизменных или катастрофических явлениях.

Классификация экскретов по принадлежности к природным или антропогенным приведена на схеме Рис. 1.2. Подробно о «немусорных» экскретах: потерях, находках, виктимах, утратах и девиатах можно прочитать в нашей книге [1].

Рис. 1.2. Схема классификации экскретов по принадлежности к природным или антропогенным

Отходы

Часто не только на бытовом уровне, но и в публикациях отходы отождествляют с мусором, что приводит к путанице и неразберихе.

Понятие отходов является базовым не только для экскретологии, но и для смежных наук, посвящённых охране и защите природы, тем важнее дать ему правильное и однозначное определение. В политехническом словаре [3] отходы производства определены как остатки основных и вспомогательных материалов, образующиеся в производственном процессе. Такое толкование понятия отходов слишком узкое. Оно не включает в себя возможные непроизводственные отходы: бытовые, сельскохозяйственные, медицинские и отходы многих других сфер приложения человеческого труда.

Более общее и расширенное определение этого понятия даётся в словаре-справочнике [4]:

— Отходы — непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в ходе технологических процессов вещества (твёрдые, жидкие, газообразные) и энергия, не подвергающиеся утилизации в рассматриваемом производстве (в том числе с.-х. и в строительстве). Отходы одного производства могут служить сырьём для другого. Как правило, в категорию отходов не включают природные вещества, неявно используемые в технологических циклах, — воздух, его кислород, проходящую «транзитом» воду и т. п. Нередко не учитываются и энергетические отходы…

Приведённое выше определение заранее предполагает наличие некоторого производственного процесса и не охватывает другие области человеческой деятельности. Например, для бытовых отходов можно использовать следующее определение.

Отходы — произведённые человеком вещества, тела, продукты и объекты, потерявшие потребительские свойства и не пригодные для использования по прямому назначению. Однако это не означает, что их нельзя использовать для каких-нибудь других целей, например, утилизируя ценные компоненты или вещества.

Востребованные отходы — вторичное сырьё.

Невостребованные отходы представляют собой ненужный хлам, отправляются на свалку или уничтожаются.

Мусор

В справочной литературе понятие мусора вероятно из-за его многоликости и сложной идентификации даётся крайне редко; в словаре-справочнике [4] он определяется так:

«Мусор — совокупность твёрдых бытовых отходов и отбросов, образующихся в бытовых условиях. Синоним: твёрдые бытовые отходы. Мусор включает стекло, металлы, кости, дерево, бумагу и пр.».

Такое же определение имеется и в словаре [5].

При критическом рассмотрении это определение не выдерживает ни какой критики, тем не менее оно получило широкое повсеместное распространение и имеет аббревиатуру ТБО. Не понятно, почему мусор — только бытовые отходы, и о какой «твёрдости» может идти речь, когда видишь на мусорке тряпьё, ветошь, пластиковые плёнки и другие совсем не жёсткие выброшенные предметы и вещи. Кроме того, не любая совокупность твёрдых бытовых отходов является мусором — некоторые после «доработки» успешно используются в хозяйстве, а биологические отходы могут быть утилизированы и превращены в ценное удобрение.

На бытовом уровне мусор определяют как отбросы, сор [6]. Отброс — негодный остаток чего-нибудь, сор — мелкие сухие отбросы, мелкий мусор [там же].

В общем случае мусором могут быть названы произведённые человеком твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, потерявшие потребительские свойства и невостребованные отходы, выбрасываемые или уничтожаемые им за ненадобностью, а также твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, возникающие в природных средах после разрушения её объектов при катаклизмах, катастрофах или авариях, захламляющие, загрязняющие или отравляющие природные среды, нарушающие нормальную (установившуюся) жизнь биологических объектов.

Понятие твёрдого или условно твёрдого предмета, вещества или продукта в этом определении означает, что рассматриваемые объекты не жидкие и не газообразные, а относятся к твёрдой фазе. Твёрдое тело характеризует агрегатное состояние вещества со стабильностью формы в виде кристаллических или аморфных объектов [7], а понятие твёрдости характеризует сопротивляемость вдавливанию или царапанию [8]. Строго говоря, любое тело при достаточном охлаждении становится твёрдым.

При нормальных условиях примерами твёрдых тел могут быть металлы, соединения металлов с неметаллами (металлиды), некоторые минералы. Примерами твёрдых аморфных тел служат стекло и изделия из него, янтарь, смолы, битумы и полимеры [7]. При экскретологических исследованиях наряду с понятием твёрдого тела целесообразно использовать понятие условнотвёрдого тела как мерило содержания в нём влаги (в основном воды). На практике именно водность (влажность) выбросов является определяющей характеристикой при рассмотрении их классификации и динамики в природных средах.

Влажность определяется как отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объёму) материала в сухом состоянии и выражается в процентах. При этом массу материала берут в естественном влажном, а не в насыщенном водой состоянии.

Вычисляют массовую влажность W_m и объёмную W₀ по формулам (%):

W_m=((m₂-m₁)/m₁) x 100;

W₀=((m₂-m₁)/V) x 100,

где

m₁ и m₂ — масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, [г];

V- объём материала в сухом состоянии, [см³].

Понятие условнотвёрдого тела можно конкретизировать применительно к мусору, произведённому человеком — антропогенному мусору, и возникающему в природе — естественно-природному мусору или сокращённо природному мусору. Подробно эти вопросы рассмотрены в разделах 2.1.3. и 2.2.2. нашей книги [1].

Антропогенный мусор, как правило, имеет сложный состав, то есть является гетерогенной смесью. Он состоит в основном из твёрдых веществ с некоторыми количествами жидкостей и газов. Они представлены в объёме выброса в разных долях и комбинациях. Природный мусор часто однороден и может моделироваться гомогенным выбросом.

В природные среды отходы, отбросы и мусор попадают, как правило, в виде выбросов, в которых загрязняющие вещества представляют собой смесь твёрдых тел, жидкостей и газов. Характеристикой, определяющей принадлежность выброса к объектам мусора, является, очевидно, степень его «твёрдости», то есть доля твёрдого вещества в нём. Опишем эту характеристику математически [1].

В общем случае масса М компактного объёма разнофазной смеси загрязняющих веществ выброса может быть записана в следующем виде:

М = Мт + Мж + Мг, (1)

где

Мт, Мж, Мг — соответственно, масса твёрдой, жидкой и газообразной его составляющих.

Вводя массовые концентрации отдельных фракций выброса с помощью выражений:

? = Мт/М;

? = Мж/М;

? = Мг/М,

можно формулу (1) представить так:

1 = ? + ? + ?.

Откуда выражение для доли твёрдой фазы в выбросе записывается в следующем окончательном виде:

?=1-?-?. (2).

При получении этих соотношений предполагалось, что выброс представляет собой компактный объём с примерно равномерным распределением в нём различных компонентов, а его газовая составляющая ? — это смесь воздуха с газами, выделяющимися из твёрдой и жидкой фаз.

Соотношения параметрова, ? и ? в каждом конкретном выбросе загрязняющих веществ определяют его плотность («твёрдость») и следовательно принадлежность к одной из трёх категорий мусорных отходов: твёрдым, жидким или полужидким. Причём, объект является мусорным при

? >= ?*,

где

?* — критическое значение массовой плотности загрязняющего выброса, задаваемое из физических или технологических соображений.

Необходимо отметить, что из-за слабой разработанности экскретной тематики в нашей стране эти термины нельзя считать устоявшимися и имеющими конкретные числовые значения. Для примера можно рассмотреть состояние этого вопроса в одной из наиболее «продвинутых в мусорном отношении» стран — в США, где традиционно используется классификация мусора на основе различных числовых значений записанных выше параметров.

При рассмотрении выбросов загрязняющих веществ в виде смесей твёрдых тел и жидкостей "твёрдыми отходамиАзоИй waste\ в США считаются «материалы, содержащие менее 70 % воды» [31], то есть со значением коэффициента

? < 0,7 (?* = 0,3).

При учёте формулы (2) и значения = 0,3 приходим к соотношению, определяющему твёрдость выброса, то есть принадлежность его к мусорному объекту. Оно записывается так:

? + ? >= 0,3. (3)

Из соотношения (3) следует, что при массовом содержании твёрдого вещества и газов в выбросе, превосходящем 30 %, его следует причислить к «твёрдым отходам» (в России — ТБО).

Если пренебречь газовой составляющей ? (на практике почти всегда присутствие газа в твёрдофазных и жидкостных выбросах носит «следовый» характер), то есть считать, что ? < 1 то, приходим к приближённой оценке «твёрдости» мусорных отходов:

? >= 0,3. (4)

Таблица № 1.2.

Содержания воды в физических телах при влажности окружающего воздуха 80 % [119]и соответствующие значения параметра ?

"Жидкими отходами" \liquid waste\ признаются отходы, содержащие менее 1 % твёрдого вещества, то есть при

? <0,01 (? + ? > 0,9). (5)

Существуют также "полужидкие отбросы"\sludge\, содержащие от 3 % до 25 % твёрдых материалов:

0,25 <= а >= 0,03. (6)

(Неопределенность числовых значений этого параметра в диапазонах концентраций от 1 % до 3 % и от 25 % до 30 % — на совести авторов публикации [8]). Области определения параметра а представлены на рисунке 1.3.

Природный мусор универсальный и носит неизменный характер независимо от географических, метеорологических или временных характеристик исходных объектов. В отличие от него антропогенный мусор многолик, неоднозначен и носит индивидуальный характер. То, что является мусором для одного предприятия или человека, может представлять потребительский интерес для других объектов. Кроме того, такой мусор по-разному может пониматься и восприниматься в различных географических местах, в разных социальных группах и в различные исторические времена. Таким образом, строго говоря, понятие антропогенного мусора является весьма неопределённым и расплывчатым и трактуется применительно к конкретной обстановке.

Рис. 1.3. Области определения параметра «твёрдости» выброса загрязняющих веществ: I- жидкие отходы; II-полужидкие отбросы; III- твёрдые отходы (мусор).

Отбросы

Ещё одним элементом экскретологии — экскретом является понятие отброса (отбросов). Рассмотрим его содержание.

Например, в словаре-справочнике [4, 9] написано:

Отбросы: 1). Несъедобные или по другим причинам непригодные для дальнейшего использования пищевые продукты и предметы быта, выбрасываемые на свалку;

2). неутилизируемые бытовые и с.-х. компоненты (говорят об отбросах животноводства);

3). неиспользуемые в настоящее время отходы. Правильнее говорить о бытовых отбросах, промышленных и с.-х. отходах, включая в это понятие и отходы строительства.

Приведённое выше определение отбросов получилось громоздкое, противоречивое и трудно понимаемое. Почему неутилизируемые бытовые и с.-х. компоненты — считают отбросами, а утилизируемые разве не отбросы?

Кроме того, из приведённого выше определения довольно трудно уловить общее у картофельных очисток в мусорном ведре, отбросов животноводства (например, навоза) с битым кирпичом на стройке или металлической стружкой от токарного станка. Общее у них только то, что от них хотят избавиться!

Целесообразно было бы оставить только часть формулировки работ [4, 9] об отбросах как о выбрасываемых биологических объектах. Тогда можно провести непротиворечивую классификацию мусорных объектов, обоснованно и разумно организовать их раздельный сбор и утилизацию…

Предложим понятие отбросов в широком смысле слова, а не только применительно к человеческой деятельности, учитывая наработки других литературных источников.

Отброс — «всё, что откинуто, отброшено куда по негодности» [10], негодный остаток чего-нибудь [11]. Отбросами являются, в первую очередь, продукты жизнедеятельности живых организмов. В общем случае к отбросам можно отнести:

— отходы продуктов питания при приготовлении пищи и несъедобная пища;

— отходы жизнедеятельности человека и других живых существ (кал, моча, слёзы, слизи, слюни, сопли, серные образования в ушах, выделения желез внутренней секреции, кишечные газы, выдыхаемый воздух и т. п.);

— отмершие или выпавшие роговые, хитиновые или костные образования (выпавшие зубы, волосы, перхоть, ногти, рога, копыта…);

сменяемые кожные покровы или их части (куколки при линьке насекомых, кожа при линьке пресмыкающихся, фрагменты кожи (болячки) при заживлении ран у млекопитающих;

— опадающие листья, увядшие соцветия, обломившиеся опавшие веточки и другие естественно сменяемые объекты флоры;

— погибшие естественной смертью объекты флоры и фауны (за исключением утрат).

Отбросы объектов флоры и фауны необходимы для нормального функционирования биоценозов — совокупности животных, растений и микроорганизмов, населяющих различные участки среды их обитания с примерно однородными условиями жизни. Поэтому отбросы живых организмов в среде их проживания не мусор, а важная составная часть биоценоза, вне среды их обитания отбросы на бытовом уровне рассматриваются как мусор.

Что касается антропогенной составляющей отбросов, то она соответствует определению мусора, являясь его частным случаем (фактически отбросы — это биологический мусор). Ввиду практической важности и массовости отбросов — как природных, так и связанных с деятельностью человека, — они выделены совместно с мусором в качестве отдельного экскретного элемента (смотри схему Рис. 1.1.).

Кратко отбросы можно определить так:

1). несъедобная пища и пищевые остатки;

2). продукты выделений живых организмов и их тела после естественной гибели (кроме утрат).

Отбросы являются необходимым звеном процессов существования живых организмов.

2. Мусорные экскреты в атмосфере и в околоземном космическом пространстве (ОКП)

Проблема орбитального — искусственного (техногенного) и естественного (космического) мусора является весьма близкой и актуальной для экскретологии такой динамической системы, как система «Земля-ОКП».

В первые годы освоения космического пространства вопрос о его загрязнении и влиянии этого загрязнения на земную природу вообще не ставился. Околоземная область функционирования искусственных космических объектов достаточно велика. Несмотря на то, что её объём оценивается огромной величиной ~10¹⁴ — 10¹⁵ км³, активная антропогенная деятельность в последние годы стала весьма ощутимо сказываться и здесь.

Освоение околоземного космического пространства, ближнего и дальнего Космоса являются жизненно необходимыми шагами развивающейся цивилизации. Для реализации подобных амбициозных задач требуется не только наличие ракетно- космической техники, но и осознание рисков негативных воздействий, которые она может нанести биосфере планеты. В понятие «ракетно-космическая техника» обычно включают [12]:

— космодромы (технические и стартовые комплексы, заправочно-нейтрализационные станции, хранилища и т. д.);

— средства выведения — ракеты-носители (PH) и разгонные блоки (РБ);

— космические аппараты (КА) и орбитальные станции;

— районы падения отделяющихся частей;

— командно-измерительные комплексы.

Околоземное космическое пространство (ОКП) может быть определено [12] как «область вокруг Земли, физические характеристики которой отличаются от характеристик собственно межпланетного пространства в связи с влиянием Земли. К этим физическим характеристикам относятся концентрация заряженных и нейтральных частиц, их энергия и химический состав, плотность твёрдого вещества, магнитное и электрическое поля. Протяжённость ОКП над освещённой стороной Земли в направлении на Солнце 1СН-12 земных радиусов, а над ночной стороной, по-видимому, превышает расстояние до орбиты Луны. Из понятия ОКП исключается атмосфера или, по крайней мере, тропосфера, стратосфера и мезосфера. Синоним — околоземное пространство».

При изучении околоземного космического пространства как объекта экскретологии следует его рассматривать во взаимодействии с биологическим миром планеты. При этом ОКП должен рассматриваться в качестве окружающей среды для Земли, как единой глобальной экосистемы, потому что все процессы, происходящие в ОКП, в том числе и связанные с освоением Космоса, оказывают влияние на экологическое состояние Земли.

Заметим, что околоземное космическое пространство должно рассматриваться не только как несколько защитных атмосферных оболочек Земли, но и как область активной ракетно- космической деятельности. Для представителей аэрокосмической промышленности ОКП — это несколько различных орбитальных режимов, соответствующих задачам запускаемых искусственных объектов. Современные средства космической индустрии сосредоточены на нескольких наиболее часто эксплуатируемых орбитах [13]:

— орбиты пилотируемых космических аппаратов (200–400 км);

— орбиты действия автоматических космических аппаратов различного назначения (высоты 800-1000 км);

— орбиты высот 1900-20500 км, где работают многочисленные многоспутниковые навигационные системы GPS (НАСА, США), ГЛОНАСС (Российское космическое агентство), GalileoSat (Европейское Космическое Агентство);

— геостационарная орбита (36 000 км от поверхности Земли).

Постоянно повышенный интерес к этой орбите со стороны многих государств объясняется её уникальностью. Находящийся на этой круговой экваториальной орбите спутник при некоторых условиях неподвижно зависает над экватором в точке своего стояния и может круглосуточно обслуживать значительную часть земной поверхности. На этой орбите работают спутники связи, ретрансляторы, метеорологические спутники и др.

За пределы геостационарной орбиты, называемой ещё «свалкой орбитального мусора» выводятся орбитально- космические экскреты — летательные аппараты, отслужившие свой срок, с опасными грузами или по каким то другим причинам нуждающиеся в изоляции от объектов ОКП и биосферы планеты. «Орбитальная свалка» начинается в 200 км от геостационарной орбиты и простирается до орбиты Луны.

Наиболее загруженной техногенными объектами является область ОКП на высотах от 850 до 1500 км, где имеются орбиты действующих автоматических космических аппаратов различного назначения. В этой же области сосредоточено больше всего орбитальных отходов и орбитального мусора.

Атмосферный слой орбитального мусора — высоты ниже 200 км — завершает существование большинства техногенных и природных объектов ОКП. Здесь они сильно тормозятся плотной атмосферой, некоторые сгорают, другие долетают до поверхности Земли или водных объектов.

Таким образом, область активной орбитальной ракетно-космической деятельности — это высоты над поверхностью Земли от 200 км до 36 000 км (см. схему Рис. 2.1.). Сама орбитальная ракетно- космическая деятельность (ОРКД) может быть определена как деятельность, связанная с процессами доставки и использования летательных аппаратов в околоземном космическом пространстве и в Космосе.

На высотах 800-1000 км долгое время располагалась основная масса спутников с ядерными энергетическими устройствами на борту, поскольку здесь они могут существовать многие сотни лет до полного исчезновения продуктов ядерного распада.

В состав и структуру техногенного орбитального мусора входят также продукты экспериментов в космосе, попадающие после разрушения исследовательских объектов на орбиты и в конечном счёте падающие на Землю. Продукты распада вещества космических ядерных реакторов, продукты технологических и биологических экспериментов, большое число частиц окиси алюминия, попадающих в космос и верхнюю атмосферу в результате работы реактивных двигателей, остатки ракетного топлива, окислителя и т. д. [14] также пополняют собой техногенный орбитальный мусор.

Кроме того, процессы газовыделения и сублимации материалов в разреженной атмосфере полётов приводят к образованию около КА облака собственной внешней атмосферы. В её состав входят твёрдые частицы, отрывающиеся от поверхности аппарата, продукты выхлопа двигателей, газы и твёрдые частицы, попадающие в околоземное космическое пространство из внутренних отсеков КА за счёт утечек, при шлюзовании и т. д. [15].

Космический летательный аппарат оказывается окружённым локальным облаком продуктов собственных выделений. Особенно плотное облако возникает около пилотируемых объектов, так как процессы жизнедеятельности космонавтов его постоянно пополняют. Плотность собственной внешней атмосферы КА оказывается заметно выше окружающей среды — величины порядка 10 ⁸-10"¹⁰ кг/м³, тогда как плотность атмосферы Земли на высотах пилотируемых полетов ~10¹² кг/м³.

Каждая из фракций антропогенного загрязнения распространяется в ОКП под действием различных процессов. Крупные фрагменты и осколки космического мусора разлетаются в ОКП по различным орбитам, создавая вокруг Земли искусственный пояс, который может существовать длительное время. Его вещество испытывает вековые возмущения вследствие аэродинамического сопротивления разреженной атмосферы, плазмы магнитосферы и солнечного ветра. Одним из существенных факторов эволюции этого пояса являются взрывы пассивных или действующих ИСЗ и их столкновения с другими ИСЗ или с орбитальным мусором. Динамика их движения описывается кеплеровскими уравнениями движения с учётом сопротивления среды и взаимных столкновений. Постепенно часть осколков, находящихся на низких орбитах, теряет высоту и сгорает в атмосфере. Наиболее крупные фрагменты могут выпасть на поверхность Земли.

Микрочастицы, образуемые в ОКП в результате взрывов, выбросов двигателей ракет-носителей, распространяются в виде некоторого относительно быстро рассеивающегося облака. На высотах 200–500 км облака таких частиц с размерами от долей микрона до сотен микронов находятся на орбите от нескольких часов до нескольких суток. Эволюция микрочастиц во многом носит статистический характер, учитывая их более высшую числовую плотность и, соответственно, более высокие вероятности взаимных столкновений. Уход их с орбиты и рассеивание в пространстве вызывается значительным атмосферным торможением.

В конечном итоге микрочастицы также попадают в плотные слои атмосферы и тормозятся. Часть из них пополняет пылевую фракцию на высотах мезосферы, другие опускаются в более низкие слои.

Следует иметь в виду, что в околоземном пространстве присутствуют не только антропогенные объекты, но и природные. Тела природного происхождения — кометы, астероиды, метеорные потоки, межпланетная пыль, потоки заряженных частиц солнечного и галактического происхождения — составляют постоянный естественный фон околоземного пространства.

Что касается техногенной составляющей экскретов в ОКП, то она представлена мусорными, отходными и отбросными объектами, концентрации которых существенно различны для разных областей и слоёв ОКП. Пространственные распределения экскретных мусорных объектов по наклонениям плоскостей их орбит к плоскости экватора Земли, а также их распределение по географической широте для фрагментов тел с диаметром > 10 см представлены на графиках рис. 2.2. и рис. 2.3.

Рис. 2.2. Пространственное распределение орбитальных мусорных экскретов

Рис. 2.3. Распределение орбитальных мусорных экскретов по высотам и наклонениям орбит

Из этих графиков видно, что относительно крупные мусорные экскреты сосредоточены в области ОКП на высотах от 200 км до 1000 км с наклонениями плоскостей орбит к плоскости экватора Земли от 60 до 90 градусов и с географическими широтами от 50 до 86 градусов.

В общем случае в понятие «Орбитально-космические мусорные экскреты» включены следующие объекты (смотри приведённую ниже Схему):

— Орбитальный техногенный мусор;

— Орбитальный космический мусор;

— Орбитальные отбросы;

— Орбитальные отходы,

— Газообразные выбросы.

Из этой схемы видно, что экскреты, появляющиеся в ОКП, связаны как с техногенными вмешательствами, так и с природными — из космического пространства.

Схема состава орбитально-космических мусорных экскретов

Дадим краткое определение этих экскретов.

Орбитально-космический мусор — объекты внеземного происхождения, появляющиеся в околоземном пространстве Земли под действием гравитации планеты, захламляющие ОКП, нарушающие работу ракетно-космической техники и жизнь биогеоценозов.

Орбитальные потенциально-сырьевые отходы — потерявшие работоспособность летательные аппараты ракетно-космической техники и их фрагменты, которые могут быть использованы в качестве сырья.

Орбитальные отбросы — продукты жизнедеятельности космонавтов в околоземном космическом пространстве.

Газообразные выбросы — газообразное «облако» продуктов, выделившихся из конструкции ЛА, возникших при выхлопе двигателей, а также просочившихся из отсеков КА. Несмотря на то, что плотность газообразной «оболочки» спутников в сотни раз превосходит плотность окружающей среды в ОКП, эти экскреты практически не влияют на орбитальное движение летательных аппаратов и поэтому они не рассматриваются в нашей книге.

Орбитальный техногенный мусор — не имеющие ценности обломки летательных аппаратов ракетно-космической техники, а также вспомогательных приборов или механизмов, их разрушенные детали и фрагменты, находящиеся в ОКП на орбитах захоронения и на входе в плотные слои атмосферы (ниже «200 км). К орбитальному техногенному мусору причисляют обломки, фрагменты и частицы объектов техногенного происхождения, которые возникают при взрывных и столкновительных авариях в ОКП. Такой орбитальный мусор может появиться в любом месте ОКП и приземной атмосферы.

Подробно поведение космических мусорных экскретов в околоземном космическом пространстве и в атмосфере планеты обсуждается в следующих пунктах этого раздела книги.

З.Орбитальные отходы

Отходы орбитальной ракетно-космической деятельности (Орбитальные отходы) как экскреты — это потерявшие работоспособность летательные аппараты ракетно-космической техники и их фрагменты, которые могут быть повторно использованы в качестве сырья. На современном уровне развития ракетно-космической техники демонтаж и повторное использование летательных аппаратов с выработанным ресурсом или повреждённых на орбите является проблематичным. Однако это не значит, что такая деятельность не будет реализована в обозримом будущем.

Летательными аппаратами ракетно-космической техники (РКТ) по определению являются средства выведения и пилотирования такой техники:

— ракеты-носители (PH);

— разгонные блоки (РБ);

— космические аппараты (КА);

— орбитальные станции.

Важно отметить, что перечисленные выше экскретные объекты должны находиться в ОКП в процессе выведения или в установившемся полёте. Отходы РКТ, возникающие при других ситуациях или в других местах, не могут рассматриваться орбитальными.

В процессе своего существования орбитальные отходы могут трансформироваться в другие экскреты, продолжая находиться в ОКП или переходя в другие природные среды планеты (приобретать статус мусора, утрат, потерь или находок).

Приведём другое определение отходов орбитальной ракетно-космической деятельности. Орбитальные отходы — это объекты в области активной ракетно-космической деятельности (200 км < Н < H_GEO), потерявшие работоспособность, но имеющие ценные узлы, агрегаты или металлоконструкции, которые могут быть использованы или утилизированы. Эти объекты, как правило, представляют опасность действующим летательным аппаратам. Их в просторечии ошибочно называют «космическим мусором», хотя они к Космосу не имеют ни какого отношения, а мусором могут стать только будучи перемещёнными в нижний атмосферный слой или на свалку орбитального мусора (за орбиту H_Geo +200 км).

Красиво, не правда ли? Десятки тысяч объектов: действующих спутников, их разрушенных фрагментов, деталей ракет и обломков измерительной техники, не считая метеозондов, кружатся на орбитах Земли. Такое феерическое зрелище проявилось бы, если на каждый орбитальный объект поставить фонарик.

Конечно же демонтаж и повторное использование таких объектов в настоящее время ещё не практикуется, а находится в стадии исследования и опытных разработок. Вывоз и утилизация космических отходов — весьма дорогостоящая и трудоёмкая операция, тем не менее уже сегодня этот бизнес может быть рентабельным. Об этом говорит интерес разработчиков космической техники к использованию орбитальных отходов.

Агентство по перспективным оборонным исследованиям Пентагона (DARPA) запустило программу «Феникс» (Phoenix), призванную превратить более сотни списанных спутников связи, «болтающихся» на геостационарных орбитах, в источник дорогих и уникальных частей для космической техники [16]. Авторы этого проекта предлагают некоторые узлы давно выключенных спутников использовать в новых изделиях. Разделка и утилизация отработавших аппаратов прямо в околоземном пространстве могла бы сэкономить миллионные затраты.

Высокая цена спутников связи обусловлена как стоимостью деталей, так и большими затратами на запуск аппаратов в ОКП. Между тем в списанных, выработавших ресурс сателлитах находится немало узлов, которые могли бы ещё поработать. Ныне на орбитах в виде «мёртвого» хлама крутятся в виде отходов сотни миллионов долларов. Нерационально оставлять такое богатство без дела и заново производить те же самые узлы на Земле, а потом ещё тратиться на их подъём в ОКП и в Космос.

Один из важнейших таких узлов — антенна. Она не только дорога в изготовлении, но и объёмна и немало весит, что влияет на размеры и массу ракеты-носителя и спутника, а следовательно, и на стоимость его запуска. Именно антенны призван утилизировать проект «Феникс» в первую очередь. Сердцем комплекса должен стать автоматический аппарат, условно названный tender (плавучая база). Он должен быть оснащён роботизированными руками с набором инструментов, необходимых для разделки орбитальных отходов в виде вышедших из строя спутников и орбитальных космических станций.

Сложность осуществления этого проекта состоит в неподготовленности космонавтов и техники для реализации этого амбициозного замысла. Спутники и другие летательные космические аппараты не разрабатывались в расчёте на разборку, так что орбитальному сервисмену недостаточно будет уметь откручивать гайки — ему придётся немало сверлить и резать.

В процессе демонтажа орбитальных отходов проект предусматривает наличие целого флота помощников — миниатюрных спутников PODS (payload orbital delivery system, «орбитальная система доставки нагрузки»). Эти миниатюрные аппараты должны храниться на борту «тендера», пока не понадобятся для захвата очередной антенны [16, 17].

Развитие проекта использования орбитальных отходов предполагает создание орбитальной антенной сети на базе отработавших спутников космической орбитальной «свалки».

Отмечается [18], что запуск спутников является крайне дорогостоящим и рискованным делом — полезная нагрузка по цене 20 тыс долл, за 1 кг может погибнуть при выводе его на орбиту или в результате аппаратурной неисправности. Специалисты DARPA разработали уникальную систему Phoenix, которая способна превратить мёртвые спутники общей стоимостью 300 млрд долл, в полезные массивы антенн.

Система Phoenix состоит из спутника-носителя и множества небольших микроспутников, названных Satlet. Микроспутники могут доставляться на орбиту обычными коммерческими спутниками, после достижения геостационарной орбиты спутник-носитель сможет «подрулить» к «кладбищу» космических аппаратов. После выбора на «кладбище» конкретного орбитального отхода начнётся этап отделения наиболее дорогостоящих его частей для их повторного использования. Таким образом мыслится космический хлам превращать в ценные орбитальные объекты. На завершающем этапе демонтажа орбитальных отходов к антенне прикрепятся микроспутники Satlet, которые возьмут на себя роль системы управления новой антенной. Подобные утилизированные и модифицированные антенны и космические аппараты можно собрать в антенные массивы и использовать для ретрансляции сигнала, разведки и научных наблюдений.

Бесполезные мёртвые спутники с помощью новой системы DARPA могут быть трансформированы в околоземную орбитальную антенную сеть

В DARPA основные сложности видят в демонтаже антенн спутников. Их не так просто отделить, поэтому необходимо разработать новые технологии дистанционного управления, захвата изображений и специальные робототизированные инструменты для удержания, разрезания, перемещения и монтажа антенн.

Первое испытание технологии намечается на 2015 год. Основное ограничение для работы орбитального утилизатора орбитальных отходов заключается в том, что любое оборудование в ОКП и в Космосе из соображений национальной безопасности является собственностью страны, которая его изготовила, а потому возвращать к жизни все подряд спутники не удастся. Это будет противоречить существующим нормам законов о космической деятельности, но законы могут быть изменены или разработаны новые, и тогда для утилизаторов орбитальных отходов открываются захватывающие перспективы…

Следует заметить, что прежде чем этот проект станет реальностью, исследователи должны разработать новые технологии робототехники и систем удалённой визуализации, создать механизмы захвата и отсоединения деталей спутников и ещё многое другое.

Учёные из канадского университета Квинс разрабатывают автоматическую систему ремонта и обслуживания спутников прямо на орбите. Этот проект поможет избежать лавинообразного роста орбитальных отходов и орбитального и мусора, которые начинают всё сильнее мешать нормальной работе в околоземном космическом пространстве. В основном это сломавшиеся и ставшие неуправляемые спутники и последние ступени ракет-носителей.

Группа инженеров для решения этой проблемы разработала специальную следящую систему, которая позволит автономному космическому ремонтному роботу (Autonomous Space Servicing Vehicle — ASSV) "поймать" сломавшийся спутник и отбуксировать его на борт ремонтной базы [19]. Процесс ремонта будет управляться с наземных станций.

Одной из главных трудностей является проблема поиска неисправного спутника. Для этого будет использоваться

специальное программное обеспечение и световой радар, который позволяет точно определить местонахождение спутника, его тип и отслеживать перемещения объекта.

В виде развития идеи использования в ОКП отходов ракетно-космической техники можно предложить создание на борту орбитальной ремонтной базы защитного выносного экрана. Такой экран мыслится собирать из плоских и достаточно массивных элементов РКТ типа солнечных батарей. Если разместить такой экран перед защищаемым объектом, то он способен обеспечить его безопасность при столкновении с космическим или орбитальным мусором. Вся кинетическая энергия высокоскоростного обломка или мусорной частицы будет израсходована при соударении с экраном, а защищаемый объект останется невредим. Устройство такого защитного экрана иллюстрируется рисунком 3.1.

Примечания

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.