«Лечение» синдрома Кесслера: космический мусор и борьба с ним

«Космический мусор – это все созданные человеком объекты, включая их фрагменты и элементы, находящиеся на околоземной орбите или вновь входящие в атмосферу, которые не функционируют» – такое определение даёт IADC (Межагентский координационный комитет по космическому мусору).

Да, космический мусор по большей части тоже появился из-за людей: это ступени ракет, космические буксиры, вышедшие из строя спутники и их фрагменты и элементы.

Эти объекты опасны в первую очередь тем, что затрудняют космические исследования: если не приступить к решению проблемы космического мусора на орбите сейчас, то дальнейшие старты с Земли станут невозможными. Также при выходе на орбиту у космического корабля или спутника есть вероятность столкнуться с космическим мусором – это может закончиться катастрофой.

Сегодня решением этой проблемы заняты все страны, имеющие выход в космос. Некоторые решения прорабатываются совместно, например Россией и Китаем. В российско-китайской программе участвуют и омичи – учёные из ОмГТУ. «Трамплин» расспросил их о проблемах космического мусора, разработках и о тех, кто после выпуска из вуза свяжет свою жизнь с космическими исследованиями.

 

Космический мусор и борьба с ним

О том, каким бывает космический мусор, как его ликвидировать и насколько сильна бюрократия в космических исследованиях, мы поговорили с заведующим кафедрой «Авиа- и ракетостроение» Алексеем Яковлевым и младшим научным сотрудником инновационного научно-образовательного центра «Космическая экология» Сергеем Онищуком. Здесь, в стенах политеха, в рамках стратегического проекта «Безопасный космос» программы «Приоритет 2030» учёные трудятся над разработками мирового уровня.

 

– Алексей, скажите, как давно создан центр?

– Достаточно давно. Как лабораторию его основал профессор Омского политеха Валерий Трушляков почти сразу же, как пришёл в вуз с «Полёта». Это было в начале 1990-х гг. В нынешнем виде центр сложился, естественно, позже, но разработки начались в то время. Помимо Валерия Трушлякова космическими разработками в университете занимаются Виктор Шалай, Виктор Блинов и ряд других исследователей.

 

– Сергей, расскажите подробнее, что представляет собой аппарат, который будет собирать мусор.

– Это автономный аппарат, который в связке с космическим буксиром будет выводиться на орбиту на ступенях ракет, а затем отделится от них. И уже на орбите, отделившись от буксира на тросе, он будет полностью автономным: у него будут и робот-рука для захвата мусора, и сети. Сеть он или притягивает к себе и выводит на орбиту утилизации (так называемые космические свалки), или опускает собранный в неё мусор на Землю.

– Аппарат запрограммирован на возвращение на Землю?

– Да, иначе это противоречило бы существующим принципам по предупреждению образования космического мусора.

 

– А что предполагается делать с мусором, который отправляется на Землю? Он будет каким-то образом утилизирован в дальнейшем?

– Он падает в Тихий океан, где его вылавливают, если он сбрасывается возле точки Немо (Прим. – Океанский полюс недоступности, который часто называют кладбищем космических кораблей. Учёными признано, что выводить мусор с орбиты в этом месте безопасно для природы).

Наша главная задача – очистить орбиту, потому что если в этот мусор попадёт какой-то осколок, то один объект распадётся на множество. Так было в 2009 г.: столкнулись два спутника – и распались на три тысячи обломков. Скорость каждого – 8 км/с, и каждый может инициировать такое же столкновение.

 

– Вы упомянули о свалках космического мусора. Как они выглядят?

– Официально они называются орбитами захоронения. Они находятся на 300 км выше геостационарной орбиты. Получается вращающееся облако обломков, безопасное для спутников.

 

– За счёт чего они держатся вместе?

– (Алексей) Как и орбитальные станции – за счёт скорости. Объект, набравший первую космическую скорость, начинает вращаться вокруг Земли. Обломки вращаются там, куда не выходят спутники, не мешают им.

 

– Эти обломки как-то контролируются?

– Есть специальные станции слежения – сеть телескопов, которые наблюдают за крупными объектами.

 

– То есть существует что-то типа карты космического мусора?

– Каталог, причём общедоступный. Он включает в себя 40 тыс. крупных объектов космического мусора.

 

– А какой считается крупным и опасным?

– Тот, что больше 10 см. Условно, половинка кирпича. Также есть объекты меньше 1 см – такие ничем не фиксируется и отсутствуют в базах, однако они в любой момент могут попасть в обшивку корабля. В декабре 2022-го и феврале 2023-го даже более миниатюрные обломки попали в «Союз МС-22» и «Прогресс МС-21» и пробили радиаторы системы охлаждения. Притом что они причинили существенный урон, таких столкновений избежать нельзя.

 

– Эти объекты не отслеживаются?

– Нет, они слишком маленькие.

 

– Есть ли предложения по борьбе с ними?

– В Китае и Европе предлагали разработать защитные экраны. Но сегодня всё внимание уделяется борьбе с крупным мусором. Это первоочередная задача. Пока что с мусором не борются никак: если на траектории МКС фиксируется какой-то крупный объект, то от него уклоняются. Запускаются двигатели, и орбита МКС либо повышается, либо понижается.

 

– А при запуске ракет учитываются риски столкновения с обломками? Можно ли их рассчитать?

– Учитываются: сейчас работает автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях. Специалисты проверяют, чтобы траектория выведения на орбиту не проходила через орбиту космического мусора.

– (Алексей) Но вероятность столкновения всё равно есть, потому что мусора очень много.

Да, мы выбираем удобное место, время и траекторию – но когда-то и они закончатся!

– В 2000-х гг. эта проблема дошла до ООН. Комитет по мирному использованию космоса выпустил требование о том, чтобы спутник, отработав, выходил на орбиту утилизации либо спускался на землю. Срок утилизации (то есть времени, которое неработающий спутник проводит на орбите) ограничили 25 годами. Межагентский координационный комитет по космическому мусору, куда входит руководитель нашего центра Валерий Трушляков, сегодня называет срок в 5 лет и вероятность безотказной самоутилизации – 99%.

 

– Это, получается, уже экстренные меры.

– Да.

Эта ступень ракеты используется в учебных целях, но почти три сотни таких находятся сейчас на орбите и являются космическим мусором.

– А как давно проводятся исследования этих обломков? Насколько я знаю, глобальной проблемой космический мусор стал не сразу, но уже сегодня постоянно говорят, что его количество и объём быстро растут.

– Первая публикация вышла у американского астронома Дональда Кесслера ещё в 1978 г. Его не слышали около 20 лет – а теперь цепная реакция, описывающая невозможность выхода в космос из-за увеличения числа обломков от цепочки столкновений, названа в его честь.

– (Алексей) А ведь были годы, когда только ракеты омской сборки запускались почти каждый день! И американцы тогда запускали не меньше. А потом подключились европейцы, китайцы, индусы и японцы...

– Да, космических стран становится всё больше, и обсуждение проблемы космического мусора идёт на международном уровне. Эти исследования актуальны, потому что общественность Земли поняла, что оставлять мусор в космосе уже не выход, его необходимо снимать.

С этого года ИНОЦ «Космическая экология» вошёл в российско-китайскую программу научного сотрудничества в рамках НИР (научно-исследовательской работы). Мы исследуем тросовую систему с автономным стыковочным модулем для захвата и увода космического мусора. Сейчас мы пишем технико-экономическое обоснование этих работ для федеральной космической программы.

Когда закончится этап НИР, мы перейдём к экспериментам, которые планируем проводить совместно с Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. Зарубежные коллеги сейчас находятся на стадии лётных экспериментов в космосе: уже стыковались с объектами на орбите и уводили их. Мы уверены, что внедрение нашей разработки позволит преодолеть это отставание!

 

– Алексей, я правильно понимаю, что у РАН есть партнёрский договор с Китаем?

– Это не партнёрский договор, мы просто входим в эту программу на уровне Роскосмоса: наша НИР включена в неё.

 

– А как вообще попадают в такие программы? Насколько это реально? Есть стереотип, что для работы с организациями уровня Роскосмоса нужно работать в Москве.

– Необязательно. Главное условие – это интерес зарубежной стороны, тогда всё получается легко. Наши коллеги предложили свои разработки китайцам практически напрямую.

 

– И такая возможность есть!

– С китайцами – есть. Они оказались заинтересованы в этих разработках, инициировали привлечение нас в международную программу – и Роскосмос нас включил. Поэтому, если у второй стороны есть интерес, то попасть реально и легко. А если ты хочешь туда сам, вот тогда не попасть.

– (Сергей) И в любом случае нужен определённый научно-технический задел: без него никуда.

 

– Я при словах «участие в космических разработках» представляю миллиард бюрократических инстанций, которые должны согласовать всё с самого верха.

– За счёт того, что инициатором была иностранная сторона, у нас всё прошло моментально. Они по своим каналам обратились в Роскосмос – и между университетами завязалось сотрудничество.

 

– Это здóрово!

– Мы сами не ожидали! И с индусами вышло так же: показали свои работы индийскому университету, они заинтересовались – и появились международные договоры.

 

– Не пришлось терять годы на формальности.

– Нужно учитывать, что сейчас сократилось сотрудничество с Европой, и Роскосмос заинтересован расширять его с дружественными России странами.

 

Утилизация ракетного топлива

Ещё одно важное направление в обеспечении экологии космоса – это утилизация остатков топлива. Разработкой аппаратуры по очистке и осушению топливных баков ракет учёные ИНОЦ «Космическая экология» занялись в 2009-м. О том, что происходит с топливом на орбите, нам рассказал старший преподаватель, научный сотрудник Денис Давыдóвич.

– Наш центр занимается разработкой системы очистки и осушки топливных баков ракет на двух отдельных этапах жизненного цикла ракеты-носителя. Первый проходит на заводе-изготовителе: после испытаний бак нужно осушить, убрать с внутренней поверхности влагу и технические жидкости, которые использовались при гидроиспытаниях.

Второй – это очистка бака после отделения ступени ракеты. В нём остаётся какое-то количество топлива, которое во время перемещения по орбите периодически нагревается лучами Солнца. Нагрев приводит к испарению топлива, вследствие чего давление в баке растёт. Это может привести к взрыву бака и увеличению космического мусора на орбите. Наша цель – извлекать эти остатки топлива, предотвращая взрывы.

 

– А очистка баков на первом этапе нужна для того, чтобы в ракетном топливе не было примесей?

– Да, баки должны быть чистыми.

Модель топливного бака, на которой отрабатывается этап осушения.

– Как управляется этот процесс, когда бак уже отделился?

Процесс автоматизирован, а само осушение будет проходить с помощью ультразвукового или лазерного воздействия. Топливо из жидкости будет превращено в парогаз и выброшено в окружающее космическое пространство.

Вакуумная камера, в которой имитируется пониженное давление космического пространства.

Второе направление наших исследований, которое берёт своё начало в 2016 г. – это сжигание отделяющихся элементов ракет-носителей: хвостовых отсеков и головных обтекателей. С самых первых космических запусков процесс по сути остался неизменным: в процессе полёта части ракеты отделяются и падают на Землю.

Под эти районы падения отведены огромные, в тысячи квадратных километров, «зоны отчуждения». Эти площади выведены из экономики, на них выделяют огромные деньги и они подвержены экологическому загрязнению.

 

– То есть это территория, которая больше вообще никак не используется.

– Да. Чтобы сократить (а в будущем и вовсе избавиться) площади районов падения, мы хотим сжигать то, для приземления чего эти территории созданы, – обтекатели и хвостовые отсеки. Для этого планируется перед запуском ракет устанавливать на эти части устройства для нагрева.

На поверхности ракеты они выглядят как плитки, но по сути это пиротехнический состав. После получения команды он нагревает отделяемую конструкцию, та ослабляется, и после вхождения в плотные слои атмосферы разрушается.

– Получается, в идеале ничего не окажется на Земле, а топлива не останется в космосе?

– В идеале да.

 

Кадры для космоса

Все эти решения требуют труда высококвалифицированных специалистов, и о подготовке кадров на базе ОмГТУ мы поговорили с Алексеем Яковлевым.

 

– Насколько многочисленна ваша кафедра? Молодёжь интересуется темой космических аппаратов?

– На кафедре работает 32 человека, включая совместителей с производства, а учится больше трёхсот. Ежегодно на первый курс бакалавриата и специалитета мы набираем по сто человек.

 

– Стойкий интерес! А какой процент идёт потом в магистратуру? Это бакалавры или специалисты?

– У нас учатся и бакалавры, и специалисты. В этом году выпускается двадцать бакалавров – а бюджетных мест в магистратуре восемь. Конкурс больше 50%, проходят лучшие. Остальные же выбирают другие направления, в университете достаточно смежных технических специальностей. Это и машиностроительный профиль (профиль «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»), близки к нам и теплоэнергетика, и нефтегазовое дело.

В прошлом году у нас был больший бюджетный набор в магистратуру: семнадцать мест, десять из которых нам неожиданно добавили летом. Может, и в этом году добавят. Это приятная неожиданность, потому что интерес к магистратуре есть.

Ещё, помимо обычного бакалавриата, мы выпускаем инженеров. Они учатся 5,5 лет – это ещё советская школа подготовки. Они выпускаются в феврале, и их сразу же расхватывают предприятия, потому что таких инженеров в Омске готовят только в ОмГТУ и только две кафедры – наша и «Гидромеханика и транспортные машины».

– На какие предприятия устраиваются выпускники?

– В Омске много предприятий подходящего профиля. В первую очередь, конечно же, «Полёт». «Двигателистов» забирает завод им. Баранова. Также наши партнёры – Моторостроительное и машиностроительное КБ; есть целевой набор у «Высоких технологий» (Прим. – О том, как завод взаимодействует с вузами, мы писали здесь). Практически все предприятия! Даже Омскнефтехимпроект присматривает ребят и приглашает работать, потому что специальности близкие.

 

– Получается, в Омске выпускник может выбрать, где реализоваться.

– И за пределами Омска тоже! Выпускники разъезжаются по России: в Подмосковье, где сосредоточены предприятия космической промышленности, на Урал – в Челябинск и Екатеринбург.

Ежегодно появляются новые предприятия, на которых востребованы наши выпускники. Например, такое предприятие ОАК (Объединённая авиастроительная корпорация) как Уральский завод гражданской авиации (и екатеринбургский, и московский филиалы) – раньше мы с ними не работали. К ним на преддипломную практику поехали четыре студента, и после того, как они сделают там диплом, их сразу трудоустроят.

То есть они, приехав на практику, сразу же получают трудовую книжку, должность техника, им начинает начисляться стаж. Потом приезжают сюда на защиту – и возвращаются на предприятие. После этого с ними подписывают трудовой договор как с инженерами и повышают зарплату.

Обычная практика тоже проходит за пределами Омска. Например, сейчас студенты уезжают в Благовещенск, где практику организует наш партнёр – Амурский государственный университет. Частью практики будут выезды на космодром Восточный. А их студенты уже сейчас проходят практику в Омске, на «Полёте». Помимо обмена студентами, мы организуем и выезды преподавателей из одного вуза в другой – наш преподаватель сейчас читает в Благовещенске дополнительные курсы.

 

– И как давно у вас происходит такой обмен?

– Первый год! До этого мы просто выезжали на практику на космодром Плесецк, но сейчас с этим сложно. К тому же раз в Омске выпускают «Ангару», то Благовещенск нам ближе: ракета будет стартовать с Восточного. Поэтому в том, чтобы студенты побывали на космодроме заранее, заинтересован и собирающий ракету «Полёт».

Основные старты «Ангары» будут с Восточного, и строительство его стартовой площадки должно быть завершено в декабре этого года. На это же время намечены и первые старты. «Полёт» практически завершил испытания, и, как только они закончатся, ракета будет направлена на космодром.

Процесс строго контролируется руководством Роскосмоса: на Восточный часто приезжает директор Роскосмоса Юрий Борисов, а в Омск 22 июня приезжал генеральный директор центра им. М.В. Хруничева Алексей Варочко. Так что мы рассчитываем, что наши выпускники будут обеспечивать запуски ракет на этом космодроме!

 

Скоро мы расскажем ещё об одной экологической разработке инновационного научно-образовательного центра «Космическая экология». Но касаться она будет уже непосредственно земли.

 

Беседовала Анна Подоляк.

Фото: Александр Румянцев

 

---