Аннотация:
С увеличением количества спутников на низкой околоземной орбите космический мусор становится важной проблемой, угрожающей безопасности космических кораблей. Столкнувшись с растущей перенаселенностью орбитальной среды, производители спутников и исследовательские институты разрабатывают новые датчики удара, более легкую защитную броню и экранирующие конструкции с использованием новых материалов и технологий 3D-печати, надеясь, что спутники смогут поддерживать нормальную работу в максимально возможной степени, даже если они столкнутся с высокоскоростными обломками.
В настоящее время космический мусор на низкой околоземной орбите может двигаться со скоростью около 7 километров в секунду. На таких скоростях даже небольшой фрагмент может повредить электронику спутника, проникнуть во внешние компоненты или даже напрямую привести к выходу из строя всего спутника. Данные Европейского космического агентства показывают, что количество искусственных объектов на околоземной орбите увеличилось более чем вдвое с 2017 года, и проблема усугубляется по мере того, как продолжают развертываться группировки коммерческих спутников.
Космический мусор – это не только брошенные спутники и обломки ракет, но и фрагменты металла, пластика, фрагменты краски и другие крошечные объекты, образовавшиеся после столкновений. Поскольку они настолько малы, многие обломки не могут быть непосредственно отслежены наземными системами, но разрушительную силу, создаваемую высокоскоростным полетом, нельзя недооценивать. По оценкам Европейского космического агентства, на орбите в настоящее время находятся десятки тысяч отслеживаемых объектов, а фактическое количество мусора размером более 1 сантиметра, достаточно большого, чтобы нанести катастрофический ущерб космическому кораблю, может превышать 1,2 миллиона.
Помимо попыток сократить образование нового космического мусора, производители спутников также начали рассматривать еще один практический вопрос: как сделать так, чтобы спутники с большей вероятностью «выживали», когда столкновений избежать невозможно. Odin Space в Санта-Ане, штат Калифорния, США, начала продавать липкую сенсорную полоску, установленную на поверхности спутника. Внутри он оснащен датчиком вибрации, который может регистрировать вибрацию, возникающую при ударе спутника, и помогать операторам определять приблизительный размер и силу удара.
Эта технология обещает решить давнюю проблему в индустрии малых спутников. Исследование 2021 года показало, что примерно каждый пятый малый спутник перестает работать в течение года после запуска, и причина около 60% этих отказов неясна. Удары обломков являются одной из возможных причин, но отказы спутников часто не оставляют операторам достаточных доказательств, чтобы определить, что произошло.
Если спутники смогут фиксировать время, интенсивность и характеристики столкновений, производители смогут сопоставлять эти данные с отказами спутников, чтобы лучше определять реальные угрозы в различных орбитальных средах. Эти данные также могут быть использованы для улучшения конструкции спутника в будущем, что позволит инженерам усилить наиболее распространенные типы мусора и направления ударов, не просто увеличивая защитный вес всего спутника.
В настоящее время алюминий по-прежнему остается одним из самых распространенных защитных материалов для космических кораблей. Многие спутники используют алюминиевые панели и алюминиевые сотовые конструкции для усиления фюзеляжа. Это решение легче по весу и относительно отработано в производстве, но имеет ограниченные возможности защиты при столкновении с высокоскоростным мусором.
Более проверенное решение — Whipple Shield. Эта структура добавляет тонкий внешний буферный слой в несколько сантиметров перед основной оболочкой спутника. Когда высокоскоростные обломки ударяются о внешнюю конструкцию, они сначала разрушаются и испаряются, а затем образовавшееся облако обломков ударяется о задний основной защитный слой, тем самым уменьшая энергию удара, которая в конечном итоге передается внутрь космического корабля. Щит Уиппла оказался очень эффективным, но проблема в том, что он увеличивает вес и занимает ценное внутреннее пространство — два наиболее чувствительных параметра в конструкции спутника.
Атомик-6 недалеко от Атланты, США, разрабатывает альтернативу под названием «Космическая броня». Компания не раскрыла конкретные ингредиенты композитных защитных кирпичей, но каждый защитный кирпич размером примерно с ладонь, толщиной около 2,5 сантиметров и весит примерно как iPhone.
Испытания Atomic-6 показали, что этот материал может остановить алюминиевые снаряды размером с горошину, летящие со скоростью 7,2 километра в секунду. Генеральный директор компании Тревор Смит заявил, что в отличие от традиционных защитных конструкций этот материал не производит большое количество высокоскоростных осколков, подобных тем, которые образуются после разрушения металлического щита, но может испарять ударяющиеся металлические фрагменты и поглощаться защитным материалом.
Тем временем другие исследовательские группы пытаются снизить вес защитных систем за счет сочетания различных материалов. Например, кевларовое волокно использовалось в пуленепробиваемом оборудовании, а также в защитной конструкции Международной космической станции. Исследователи экспериментируют с сочетанием кевлара с тканевой керамикой Nextel для создания более легких защитных слоев, особенно для небольших и недорогих спутников.
Исследователи из Падуанского университета в Италии сосредоточили свое внимание на технологии 3D-печати. Они используют алюминий, кевлар и смолу, армированную углеродным волокном, для создания экспериментальных защитных конструкций. Самым большим преимуществом 3D-печати является ее способность создавать сложные полости внутри материалов. Эти полости позволяют высокоскоростным осколкам подвергаться многократному дроблению и затратам энергии в процессе проникновения защитного слоя, тем самым достигается эффект поэтапной защиты, аналогичный щиту Уиппла.
НАСА также тестирует другую идею, используя алюминиевую пену в качестве защитного материала. Внутри алюминиевой пены имеется большое количество крошечных пустот. В ходе испытаний защитный слой из алюминиевой пены толщиной чуть более 6 мм смог обеспечить такую же защиту, как и традиционный экран Whipple, который весит примерно в два раза больше, чем решение из алюминиевой пены. Это означает, что если соответствующая технология будет развиваться дальше, производители спутников смогут улучшить возможности защиты без значительного увеличения стартового веса.
Однако не существует «универсальной брони», которую можно было бы применить ко всем спутникам. Среда мусора на разных орбитах неодинакова, а состав, размер и скорость мусора могут различаться. Инженерам необходимо решить, какие материалы и конструкции использовать, исходя из конкретной орбитальной среды, в которой находится спутник.
Раннвейг Мари Фаэргестад, разработчик защиты в Thales Alenia Space, сказала, что если будут получены более точные данные об условиях орбитального мусора, инженеры смогут выбирать материалы и проектировать защитные конструкции более целенаправленно. Другими словами, разработка будущей спутниковой защиты будет опираться не только на более прочные материалы, но и на более точное понимание орбитальной среды.
И здесь важную роль могут сыграть датчики удара. В прошлом производители спутников полагались в первую очередь на теоретические модели для прогнозирования возможных угроз от мусора, а датчики, установленные на спутниках, могли предоставлять данные о реальных столкновениях. Собирая эти данные с течением времени, операторы могут получить более четкое представление о типах мусора и рисках столкновений, с которыми фактически сталкиваются спутники, и дополнительно оптимизировать конструкцию защиты спутников следующего поколения.
Поскольку крупные спутниковые группировки продолжают выходить на низкую околоземную орбиту, космическая среда меняется от относительно свободного рабочего пространства в прошлом к все более перенасыщенной инфраструктуре. Европейское космическое агентство предупреждает, что даже если оно прекратит запуск новых космических кораблей в будущем, количество существующего мусора может продолжать увеличиваться из-за столкновений и распада. Поэтому сокращение образования нового мусора, повышение устойчивости спутников к ударам и активная очистка существующего космического мусора станут ключевыми мерами по поддержанию долгосрочной доступности низкой околоземной орбиты.
Для производителей спутников конкуренция в будущем будет заключаться не только в том, чтобы сделать спутники легче, дешевле и проще в запуске, но и в том, как продлить их срок службы во все более опасной орбитальной среде. Такие технологии, как датчики, новые композитные материалы, алюминиевая пена и конструкции, напечатанные на 3D-принтере, постепенно позволяют спутникам перейти от простого «избежания» космического мусора к более сильным возможностям активного зондирования и пассивной защиты.
Комментарии