Околоземная орбита постепенно превращается в всё более сложную среду для космической техники. Вместе с ростом числа спутников увеличивается и количество обломков, оставшихся после запусков, аварий и разрушения аппаратов. Европейское космическое агентство (ESA) отмечает, что объём созданного человеком материала на орбите с 2017 года более чем удвоился. А в низкой околоземной орбите обломки способны двигаться со скоростью около 7 км/с — достаточно, чтобы даже небольшой фрагмент серьёзно повредил работающий спутник.
Поэтому космическая отрасль постепенно меняет подход. Одних систем отслеживания мусора уже недостаточно: инженеры пытаются сделать сами спутники более устойчивыми к столкновениям, а заодно научить их фиксировать удары и выяснять, что именно произошло.
Почему космический мусор так опасен?
На первый взгляд небольшой металлический фрагмент не кажется серьёзной угрозой для спутника. Но на орбите всё решает скорость. При относительных скоростях в несколько километров в секунду даже частица размером с горошину обладает достаточной энергией, чтобы пробить конструкцию, повредить электронику или вывести аппарат из строя.
Проблема осложняется тем, что далеко не всегда удаётся установить причину отказа спутника. Исследование 2021 года показало: примерно каждый пятый малый спутник прекращает работу в течение первого года после запуска, причём примерно в 60% таких случаев операторы не знают точной причины неисправности. Столкновение с космическим мусором — лишь одна из возможных причин, но зачастую после него практически не остаётся очевидных следов.
Именно здесь появляется новая идея: не просто защищать спутник, но и записывать каждый удар.
Как сенсоры помогут расследовать космические аварии?
Американская компания Odin Space уже продаёт специальные клейкие полоски со встроенными вибрационными датчиками. Их можно устанавливать непосредственно на корпус спутника.
При столкновении конструкция испытывает короткий механический импульс. Сенсор регистрирует возникающую вибрацию, а полученные данные могут помочь определить приблизительный размер и силу удара. В результате оператор получает своеобразный «чёрный ящик» для столкновений с космическим мусором.
Такая информация важна не только после аварии. Если производители начнут собирать статистику реальных столкновений, они смогут лучше понимать, какие типы обломков наиболее опасны для конкретных орбит и элементов конструкции.
Это, в свою очередь, позволит проектировать защиту не вслепую, а на основе реальных данных.
Алюминий уже не всегда справляется
Традиционная конструкция многих спутников использует алюминиевые панели, нередко усиленные сотовой структурой из того же металла. Это лёгкое и проверенное решение, однако от особенно быстрых фрагментов оно защищает ограниченно.
Более эффективный вариант — так называемый щит Уиппла (Whipple shield). Он представляет собой дополнительную тонкую панель, расположенную перед основной стенкой с небольшим зазором.
Когда космический мусор врезается в такую конструкцию, первая панель сама разрушается и частично дробит или испаряет летящий объект. Образовавшееся облако фрагментов затем распределяет энергию по большей площади основной стенки. Благодаря этому вероятность пробития корпуса снижается.
У технологии есть существенный недостаток: дополнительная защита означает дополнительную массу. А в космонавтике каждый килограмм приходится выводить на орбиту, поэтому слишком тяжёлый экран быстро становится экономически невыгодным.
«Броня» размером с ладонь
Компания Atomic-6 из района Атланты разрабатывает альтернативу под названием Space Armor. Она представляет собой композитные плитки размером примерно с ладонь и толщиной около 2,5 см. Каждая весит примерно столько же, сколько смартфон. Точный состав материала компания пока не раскрывает.
Во время испытаний такие плитки смогли остановить алюминиевые частицы размером с горошину, летевшие со скоростью 7,2 км/с.
По словам генерального директора Atomic-6 Тревора Смита (Trevor Smith), материал отличается от традиционных защитных конструкций тем, что не создаёт такого количества вторичных осколков: металлический фрагмент при ударе испаряется и поглощается самой плиткой.
Если подобные материалы удастся масштабировать и сделать достаточно дешёвыми, они могут оказаться особенно полезными для небольших спутников, где каждый грамм конструкции имеет значение.
Кевлар, керамика и 3D-печать
Инженеры не ограничиваются совершенно новыми материалами. Один из вариантов — комбинировать уже хорошо изученные технологии.
Например, кевлар, известный по защитному снаряжению и используемый на Международной космической станции, можно сочетать с Nextel — тканым керамическим материалом. Такая комбинация потенциально позволяет получить более лёгкую защиту для небольших и относительно недорогих космических аппаратов.
Исследователи Падуанского университета в Италии пошли ещё дальше и используют 3D-печать для создания экспериментальных защитных конструкций из алюминия, кевлара и армированной углеволокном смолы.
Здесь преимущества аддитивного производства особенно заметны. Инженеры могут заранее заложить внутри панели пустоты сложной формы. При столкновении они заставляют летящий объект разрушаться поэтапно, работая по принципу, близкому к многослойному щиту Уиппла.
Может помочь даже металлическая пена
Ещё один необычный подход испытывала NASA — алюминиевую пену.
Внутри такого материала находится множество небольших пустот. Несмотря на кажущуюся хрупкость, подобная структура способна эффективно поглощать энергию удара.
В испытаниях слой алюминиевой пены толщиной чуть более 6 мм обеспечивал защиту, сопоставимую с обычным щитом Уиппла, который весил примерно в два раза больше. Для космической техники это чрезвычайно важное преимущество: снижение массы защиты непосредственно влияет на массу всего аппарата и, следовательно, на стоимость запуска.
Универсальной брони для спутников не существует
Главная сложность заключается в том, что космический мусор неоднороден. Это не просто набор металлических обломков.
На орбите встречаются фрагменты спутников и ракет, частицы пластика, кусочки краски и другие искусственные материалы. Кроме того, опасность могут представлять природные частицы. А состав мусора и характер столкновений зависят от конкретной орбиты.
Поэтому разработчикам нужна не одна универсальная «космическая броня», а возможность подобрать защиту под условия эксплуатации.
Раннвейг Мари Фагерстад (Rannveig Marie Faergestad), специалист по проектированию защитных систем Thales Alenia Space, отмечает, что более подробная информация о характеристиках мусора на конкретных орбитах позволила бы инженерам точнее выбирать материалы и конструкцию экранов.
И здесь сенсоры ударов и защитные материалы дополняют друг друга. Одни дают данные о реальных столкновениях, другие позволяют использовать эту информацию при проектировании следующего поколения спутников.
Космос становится похож на инженерную экосистему
Проблема космического мусора долгое время воспринималась прежде всего как задача отслеживания: необходимо знать, где находятся опасные объекты, и по возможности уводить спутники с их траектории.
Но по мере роста числа аппаратов одной осторожности становится недостаточно. Даже если удаётся отслеживать крупные обломки, слишком маленькие частицы остаются трудноуловимыми, а столкновение с ними всё равно может иметь серьёзные последствия.
Поэтому будущее орбитальной инфраструктуры, вероятно, будет строиться сразу на нескольких уровнях: более точное наблюдение за мусором, датчики столкновений, лёгкие многослойные экраны и конструкции, рассчитанные на постепенное разрушение энергии удара.
В конечном счёте задача состоит не только в том, чтобы очистить орбиту. Пока человечество продолжает запускать новые спутники, космическая техника должна научиться работать в уже существующей среде — примерно так же, как земные автомобили проектируют с учётом неизбежных аварий и дорожных условий.
Только в случае с орбитой цена ошибки значительно выше: здесь «камень на дороге» может лететь со скоростью в несколько километров в секунду.
