Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Популяции космического мусора, наблюдаемые с внешней геостационарной орбиты (ГСО). Есть два основных поля обломков: кольцо объектов на ГСО и облако объектов на низкой околоземной орбите (НОО).

Синдром Кесслер (также называемый эффектом Кесслера , [1] [2] столкновительные каскадный или абляция каскад ), предложенное НАСА ученого Donald J. Kessler в 1978 году, является теоретическим сценарием , в котором плотность объектов в низкой околоземной орбите ( LEO) из-за загрязнения космоса достаточно высока, чтобы столкновения между объектами могли вызвать каскад, в котором каждое столкновение генерирует космический мусор, что увеличивает вероятность дальнейших столкновений. [3] Одно из следствий состоит в том, что распространение мусора на орбите может помешать космической деятельности и использованиюСпутники на определенных орбитальных диапазонах трудны для многих поколений. [3]

История [ править ]

НОРАД, Габбард и Кесслер [ править ]

Вилли Лей предсказал в 1960 году, что «со временем в космосе накопится множество таких случайно слишком удачных выстрелов, и их придется удалить, когда наступит эра пилотируемых космических полетов». [4] После запуска Спутника-1 в 1957 году Североамериканское командование воздушно-космической обороны (NORAD) начало составлять базу данных ( Каталог космических объектов ) всех известных запусков ракет и объектов, достигающих орбиты: спутников, защитных экранов, а также верхних и нижних -этапные ракеты-носители. Позже НАСА опубликовало [ когда? ] модифицированные версии базы данных в виде двухстрочного набора элементов , [5] и в начале 1980-х годов CelesTrakсистема досок объявлений переиздала их. [6]

График высоты и периода обращения космического мусора
Диаграмма Габбарда почти 300 обломков, образовавшихся в результате распада пятимесячной третьей ступени ракеты-носителя Chinese Long March 4 11 марта 2000 г.

Счетчики, которые питали базу данных, знали о других объектах на орбите, многие из которых возникли в результате взрывов на орбите. [7] Некоторые из них были намеренно вызваны во время испытаний противоспутникового оружия (ASAT) в 1960 - х годах , а другие были результатом взрыва ступеней ракеты на орбите, когда оставшееся топливо расширилось и разорвало их баки. Чтобы улучшить отслеживание, сотрудник NORAD Джон Габбард вел отдельную базу данных. Изучая взрывы, Габбард разработал метод предсказания орбитальных траекторий своих продуктов, и диаграммы Габбарда (или графики) теперь широко используются. Эти исследования были использованы для улучшения моделирования эволюции и распада орбиты. [8]

Когда в 1970-х годах база данных NORAD стала общедоступной, ученый НАСА Дональд Дж. Кесслер применил метод, разработанный для исследования поясов астероидов, к базе данных известных объектов. В 1978 году Кесслер и Бертон Кур-Пале в соавторстве соавторами книги «Частота столкновений искусственных спутников: создание пояса обломков» [9] продемонстрировали, что процесс, контролирующий эволюцию астероидов, вызовет аналогичный процесс столкновения на НОО через десятилетия, а не миллиарды. лет. Они пришли к выводу, что примерно к 2000 году космический мусор превзойдет микрометеороиды как основной абляционный риск для орбитальных космических аппаратов. [10]

В то время это было широко распространено [ кем? ], что сопротивление верхних слоев атмосферы будет выводить мусор с орбиты быстрее, чем он был создан. [ необходима цитата ] Однако Габбард знал, что количество и тип объектов в космосе недостаточно представлены в данных NORAD, и был знаком с их поведением. В интервью вскоре после публикации статьи Кесслера Габбард ввел термин « синдром Кесслера» для обозначения скопления мусора; [10] он стал широко использоваться после его появления в статье « Популярная наука» 1982 г. [11], которая была удостоена Национальной премии в области журналистики Ассоциации писателей авиации и космоса 1982 г.[10]

Последующие исследования [ править ]

Камеры Бейкера – Нанна широко использовались для изучения космического мусора.

Отсутствие достоверных данных о космическом мусоре побудило провести серию исследований, чтобы лучше охарактеризовать окружающую среду НОО. В октябре 1979 года НАСА предоставило Кесслеру финансирование для дальнейших исследований. [10] В этих исследованиях использовалось несколько подходов.

Оптические телескопы и коротковолновый радар использовались для измерения количества и размера космических объектов, и эти измерения показали, что опубликованная численность населения была по крайней мере на 50% заниженной. [12] До этого считалось, что база данных NORAD учитывала большинство крупных объектов на орбите. Некоторые объекты (как правило, военные космические корабли США) были исключены из списка NORAD, а другие не были включены, поскольку считались неважными. Список не мог легко учесть объекты размером менее 20 см (7,9 дюйма) - в частности, обломки взрывающихся ступеней ракет и несколько противоспутниковых испытаний 1960-х годов. [10]

Вернувшийся космический корабль был исследован под микроскопом на предмет небольших ударов, и были обнаружены изъятые участки Скайлэба и командно-служебного модуля Аполлона . Каждое исследование показало, что поток космического мусора был выше, чем ожидалось, и что космический мусор был основным источником столкновений микрометеороидов и орбитального мусора в космосе. LEO уже продемонстрировал синдром Кесслера. [10]

В 1978 году Кесслер обнаружил, что 42 процента занесенных в каталог обломков явились результатом 19 событий, в первую очередь взрывов отработавших ступеней ракет (особенно американских ракет «Дельта» ). [13] [ требуется полная ссылка ]Он обнаружил это, сначала определив те запуски, которые были описаны как имеющие большое количество объектов, связанных с полезной нагрузкой, а затем изучил литературу, чтобы определить ракеты, использованные при запуске. В 1979 году это открытие привело к созданию Программы НАСА по орбитальному мусору после брифинга для высшего руководства НАСА, опровергнув ранее существовавшее мнение о том, что большинство неизвестных обломков было результатом старых испытаний противоспутниковых систем, а не взрывами разгонных ракет США, с которыми, казалось бы, можно было легко справиться. за счет истощения неиспользованного топлива из верхней ступени ракеты Delta после впрыска полезной нагрузки. Начиная с 1986 года, когда было обнаружено, что другие международные агентства, возможно, сталкиваются с подобными проблемами, НАСА расширило свою программу, включив в нее международные агентства, первым из которых было Европейское космическое агентство.[14] : 2 Ряд других компонентов Delta на орбите (Delta была рабочей лошадкой космической программы США) еще не взорвались. [ необходима цитата ]

Новый синдром Кесслера [ править ]

В течение 1980-х годов ВВС США (USAF) провели экспериментальную программу, чтобы определить, что произойдет, если обломки столкнутся со спутниками или другим мусором. Исследование показало, что этот процесс отличается от столкновения микрометеороидов с образованием больших кусков обломков, которые могут стать угрозой столкновения. [10]

В 1991 году Кесслер опубликовал «Каскадирование столкновений: пределы роста населения на низкой околоземной орбите» [15] с лучшими на тот момент данными. Ссылаясь на выводы ВВС США о создании обломков, он написал, что, хотя почти все обломки (например, пятна краски) были легкими, большая часть их массы приходилась на обломки около 1 кг (2,2 фунта) или больше. Эта масса может разрушить космический корабль при ударе, создавая больше обломков в зоне критической массы. [16] По данным Национальной академии наук:

Например, объект весом 1 кг, ударяющийся со скоростью 10 км / с, вероятно, способен катастрофически разрушить космический корабль весом 1000 кг, если он столкнется с элементом с высокой плотностью в космическом корабле. При таком разрыве могут образоваться многочисленные фрагменты размером более 1 кг. [17]

Анализ Кесслера разделил проблему на три части. При достаточно низкой плотности добавление обломков в результате ударов происходит медленнее, чем скорость их разложения, и проблема не является существенной. Помимо этого, существует критическая плотность, при которой дополнительный мусор приводит к дополнительным столкновениям. При плотности, превышающей эту критическую, массовое производство превышает распад, что приводит к каскадной цепной реакции, сокращающей население орбиты до небольших объектов (размером несколько сантиметров) и повышая опасность космической деятельности. [16] Эта цепная реакция известна как синдром Кесслера. [10]

В историческом обзоре начала 2009 года Кесслер резюмировал ситуацию:

Агрессивная космическая деятельность без надлежащих мер безопасности может значительно сократить время между столкновениями и создать недопустимую опасность для космических кораблей будущего. Некоторые из наиболее экологически опасных видов деятельности в космосе включают в себя большие группировки, такие как те, которые первоначально были предложены Стратегической оборонной инициативой в середине 1980-х годов, большие конструкции, такие как те, которые рассматривались в конце 1970-х годов для строительства солнечных электростанций на околоземной орбите, и противодействие. -спутниковая война с использованием систем, испытанных СССР, США и Китаем за последние 30 лет. Такие агрессивные действия могут создать ситуацию, когда отказ одного спутника может привести к каскадному отказу многих спутников за период, намного меньший, чем годы. [10]

Образование и разрушение обломков [ править ]

Основная статья: Космический мусор

Каждый спутник, космический зонд или миссия с экипажем потенциально могут производить космический мусор . Теоретический каскадный синдром Кесслера становится более вероятным по мере увеличения числа спутников на орбите. По состоянию на 2014 год на орбите Земли находилось около 2000 коммерческих и государственных спутников. [18] Подсчитано, что существует 600 000 частей космического мусора размером от 1 до 10 см (от 0,39 до 3,94 дюйма), и в среднем один спутник уничтожается в результате столкновения с космическим мусором каждый год. [18] [19]

Наиболее часто используемые орбиты как для пилотируемых, так и для беспилотных космических аппаратов - это низкие околоземные орбиты , которые покрывают достаточно низкий диапазон высот [ указать ], чтобы остаточное сопротивление атмосферы было достаточным для сохранения зоны в чистоте. [ требуется пояснение ] Столкновения, которые происходят в этом диапазоне высот, также не представляют серьезной проблемы, потому что направления, в которых летят фрагменты, и / или их более низкая удельная энергия часто приводят к пересечению орбит с Землей или перигею ниже этой высоты. [ необходима цитата ]

Орбитальный распад происходит намного медленнее на высотах, где сопротивление атмосферы незначительно. Незначительное сопротивление атмосферы , лунное возмущение и сопротивление солнечного ветра могут постепенно опускать обломки на более низкие высоты, где фрагменты, наконец, снова входят, но этот процесс может занять тысячелетия на очень больших высотах.

Последствия [ править ]

Изображение сделано с моделей, используемых для отслеживания космического мусора на околоземной орбите по состоянию на июль 2009 года.

Синдром Kessler вызывает беспокойство из-за эффект домино и обратный побега , в котором воздействие между объектами значительного массовым скола прочь мусором от силы столкновения. Затем осколки могут поразить другие объекты, создавая еще больше космического мусора: если произойдет достаточно крупное столкновение или взрыв, например, между космической станцией и несуществующим спутником, или в результате враждебных действий в космосе, то образовавшийся мусор каскад может сделать перспективы долгосрочной жизнеспособности спутников, особенно на низких околоземных орбитах, чрезвычайно низкими. [20] [21] Однако даже катастрофический сценарий Кесслера на НОО представляет минимальный риск для запусков, продолжающихся за НОО, или для спутников, летящих на НОО.средняя околоземная орбита (MEO) или геостационарная орбита (GEO). Катастрофические сценарии предсказывают увеличение количества столкновений в год, в отличие от физически непреодолимого препятствия для освоения космоса, которое возникает на более высоких орбитах. [ необходима цитата ]

Избегание и сокращение [ править ]

ITU [22] часто требует от разработчиков нового транспортного средства или спутника продемонстрировать, что его можно безопасно утилизировать по окончании срока службы, например, с помощью системы контролируемого входа в атмосферу или выхода на орбиту захоронения . [23] Для запусков США или спутников, которые будут транслироваться на территории США - для получения лицензии на предоставление телекоммуникационных услуг в Соединенных Штатах - Федеральная комиссия по связи (FCC) потребовала, чтобы все геостационарные спутники, запущенные после 18 марта 2002 г., взяли на себя обязательство переходят на орбиту кладбища по окончании срока службы. [23]Постановления правительства США также требуют плана утилизации спутников после завершения их миссии: возвращение в атмосферу, [ требуется разъяснение ] перемещение на орбиту хранения или прямой поиск. [24]

Предлагаемое энергоэффективное средство снятия космического корабля с MEO заключается в переводе его на орбиту в условиях нестабильного резонанса с Солнцем или Луной, что ускоряет распад орбиты. [25] [26]

Одной из технологий, предложенных для обработки осколков размером от 1 до 10 см (от 0,39 до 3,94 дюйма ), является лазерная метла , предлагаемый многомегаваттный наземный лазер, который может сбрасывать с орбиты мусор: сторона обломков, пораженная лазером, будет уноситься и создать укол, который изменит эксцентриситет остатков фрагмента до тех пор, пока он снова не войдет безвредно. [27]

Возможный триггер [ править ]

Энвисат спутник большой, неактивный спутник с массой 8,211 кг (18102 фунтов) , что дрейфует в 785 км (488 миль), на высоту , где окружающая среда мусора наибольших-два каталогизированы объекты , можно ожидать , чтобы пройти в пределах приблизительно 200 м (660 футов) Envisat каждый год [28] - и, вероятно, будет увеличиваться. Дон Кесслер предсказал в 2012 году, что он может легко стать основным источником мусора в результате столкновения в течение следующих 150 лет, когда он останется на орбите. [28]

SpaceX «s Starlink программа вызывает озабоченность у многих экспертов о значительно ухудшая возможность синдрома Кесслера из - за большого количества спутников , программа нацелена на место на НОО, так как цель программы будет более чем в два раза спутники в настоящее время в НОО. [29] В ответ на эти опасения SpaceX заявила, что большая часть спутников Starlink запускается на меньшей высоте 550 км для достижения меньшей задержки (по сравнению с 1150 км, как первоначально планировалось), и поэтому ожидается, что вышедшие из строя спутники или обломки будут сброшены с орбиты. в течение пяти лет даже без силовой установки из-за сопротивления атмосферы.[30]

В художественной литературе [ править ]

  • В романе Кена МакЛеода 1999 года «Небесная дорога» (книга 4 из серии «Осенняя революция») в качестве основного сюжетного устройства рассматриваются последствия синдрома Кесслера.
  • В романе Питера Ф. Гамильтона 2001 года « Падший дракон» жители планеты Санта-Чико намеренно запустили синдром Кесслера, чтобы «закрыть небо» от мародерствующих космических кораблей, сделав дальнейшие поездки на планету или с планеты невозможными.
  • Начальный сегмент манги Planetes 2003 года сосредоточен вокруг орбитальной бригады по очистке от мусора, вся цель которой - снизить риск Кесслера.
  • В фильме « Гравитация» 2013 года катастрофа с синдромом Кесслера рассматривается как побудительный инцидент в истории, когда Россия сбивает старый спутник. [31]
  • Телеканал SyFy Defiance включал в себя проблемы с синдромом Кесслера, влияющие на путешествия и общение в результате конфликта внеземных рас с человечеством, что привело к "Аркфоллу", поскольку обломки их кораблей были разбросаны.
  • Роман Нила Стивенсона « Севеневс» 2015 года начинается с необъяснимого взрыва Луны на семь больших частей, последующего образования облака обломков в результате столкновений с синдромом Кесслера и возможной бомбардировки поверхности Земли лунными метеороидами. [32]
  • В романе Марка Кэмерона `` Том Клэнси: Присяга на исполнение '' (2018 г.) иранские диссиденты замышляют запустить две российские ядерные ракеты в космос, чтобы уничтожить орбитальный спутник, что затем вызовет синдром Кесслера.
  • 2019 видео игры Ace Combat 7: Skies Unknown показывает инцидент Kessler Syndrome в качестве основной точки сюжета после противоборствующих группировок непреднамеренно запуска ПСС ударов друг против друга одновременно. Образовавшееся поле обломков инициирует каскад орбитальных столкновений, который наносит катастрофический ущерб глобальной инфраструктуре связи.

См. Также [ править ]

  • 1961 и 1963 Project West Ford  - экспериментальный проект космической радиосвязи
  • 1985 Испытание противоспутниковой ракеты ASM-135 ASAT
  • 2007 Китайские испытания противоспутниковой ракеты
  • Столкновение спутников 2009 г.  - столкновение спутников Иридиум 33 и Космос-2251 в 2009 г.
  • P78-1
  • SNAP-10A  - экспериментальный спутник ВВС США с ядерной установкой
  • Конвенция об ответственности за космическое пространство
  • USA-193  - Военный спутник
  • Starlink  - спутниковая группировка; космический интернет-сервис

Ссылки [ править ]

  1. ^ Стенджер, Ричард (2002-05-03). «Ученый: космическое оружие представляет угрозу мусора» . CNN .com . Архивировано из оригинала на 2012-09-30 . Проверено 17 марта 2011 .
  2. ↑ Олсон, Стив (июль 1998 г.). «Опасность космического мусора - 98.07» . Атлантика . Проверено 18 июня 2020 г. - через TheAtlantic.com.
  3. ^ а б Кесслер, Дональд Дж .; Кур-Пале, Бертон Г. (1978). «Частота столкновений искусственных спутников: создание пояса обломков». Журнал геофизических исследований . 83 (A6): 2637–2646. Bibcode : 1978JGR .... 83.2637K . DOI : 10.1029 / JA083iA06p02637 .
  4. ^ Лей, Вилли (август 1960). «Как убивать драконов» . Довожу до вашего сведения. Научная фантастика Галактики . С. 57–72.
  5. ^ Hoots, Феликс; Шумахер, Пауль-младший; Гловер, Роберт (2004). "История аналитического моделирования орбиты в системе космического наблюдения США". Журнал управления и динамики . 27 (2): 174–185. Bibcode : 2004JGCD ... 27..174H . DOI : 10.2514 / 1.9161 .
  6. ^ Келсо, TS "Исторические архивы" . CelesTrak BBS . Архивировано из оригинала 17 июля 2012 года., 2-строчные элементы, датируемые 1980 годом.
  7. ^ Schefter, стр. 48.
  8. ^ Портри, Дэвид; Лофтус, Джозеф (1999). «Орбитальный мусор: хронология» (PDF) . НАСА. п. 13. Архивировано из оригинального (PDF) 1 сентября 2000 года.
  9. ^ Кесслер 1978
  10. ^ a b c d e f g h i Кесслер, Дональд Дж. (8 марта 2009 г.). «Синдром Кесслера» . Архивировано из оригинального 27 мая 2010 года . Проверено 22 сентября 2009 года .
  11. ^ Schefter
  12. Перейти ↑ Kessler 1991, p. 65.
  13. ^ Кесслер 1981
  14. ^ Klinkrad, Хайнер (2006). Космический мусор: модели и анализ рисков . Springer-Praxis. ISBN 3-540-25448-Х.
  15. ^ "pdf статьи" (PDF) . Архивировано 14 августа 2018 года (PDF) . Проверено 14 августа 2018 .
  16. ^ а б Кесслер 1991, стр. 63.
  17. ^ Орбитальный мусор, техническая оценка . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы. 1995. стр. 4. ISBN 0-309-05125-8.
  18. ^ a b «Локхид Мартин занимается космическим мусором по сделке с австралийской фирмой» . Новости BBC. 28 августа 2014 . Проверено 28 августа 2014 .
  19. ^ Carpineti, Альфредо (2016-05-15). «Космический мусор выбил одно из окон МКС» . Я чертовски люблю науку . Архивировано 16 мая 2016 года . Проверено 16 мая 2016 .
  20. ^ Примак, Joel R. (2002). «Мусор и будущая космическая деятельность» (PDF) . Physics.ucsc.edu . Физический факультет Калифорнийского университета в Санта-Круз . При достаточном количестве обломков на орбите части начнут сталкиваться с другими частями, вызывая цепную реакцию разрушения, которая оставит смертельный ореол вокруг Земли.
  21. ^ Примак, Джоэл Р .; Абрамс, Нэнси Эллен. «Звездные войны навсегда? - Космическая перспектива» (PDF) . Physics.ucsc.edu . Физический факультет Калифорнийского университета в Санта-Круз. преднамеренное введение в НОО большого количества частиц в качестве дешевой, но эффективной противоспутниковой меры.
  22. ^ "Рекомендация МСЭ-R S.1003-2" (PDF) .
  23. ^ a b «FCC вступает в дебаты по орбитальному мусору» . Архивировано из оригинала на 2008-05-06.
  24. ^ "Стандартная практика правительства США в области орбитального мусора" (PDF) .
  25. ^ Витце, А. (2018-09-05). «В поисках решения проблемы космического мусора Земли» . Природа . 561 (7721): 24–26. Bibcode : 2018Natur.561 ... 24W . DOI : 10.1038 / d41586-018-06170-1 . PMID 30185967 . 
  26. ^ Daquin, J .; Rosengren, AJ; Алесси, EM; Deleflie, F .; Вальсекки, Великобритания; Росси, А. (2016). «Динамическая структура региона СОО: долговременная стабильность, хаос и перенос». Небесная механика и динамическая астрономия . 124 (4): 335–366. arXiv : 1507.06170 . Bibcode : 2016CeMDA.124..335D . DOI : 10.1007 / s10569-015-9665-9 . S2CID 119183742 . 
  27. ^ «НАСА надеется, что лазерная метла поможет очистить космический мусор» . SpaceDaily.com . Проверено 17 марта 2011 .
  28. ^ a b Джини, Андреа (25 апреля 2012 г.). «Дон Кесслер о Envisat и синдроме Кесслера» . Журнал космической безопасности . Проверено 9 мая 2012 .
  29. ^ «Неудачи Starlink подчеркивают проблемы устойчивости космоса» . SpaceNews . 2019-07-02 . Проверено 13 февраля 2021 .
  30. Перейти ↑ Sinha-Roy, Piya (20 июля 2013 г.). « Гравитация усиливается на Comic-Con, когда режиссер Куарон прыгает в космос» . Рейтер . Проверено 5 сентября 2013 .
  31. ↑ Freeman, Daniel (18 мая 2015 г.). " Seveneves Нила Стивенсона - Обзор науки с низким уровнем спойлеров" . Обзор науки Беркли . Дата обращения 4 августа 2015 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Кесслер, Д. (2009). «Синдром Кесслера (как обсуждает Дональд Дж. Кесслер)» . Архивировано из оригинала на 2010-05-27 . Проверено 26 мая 2010 .
  • Статья Гленна Харлана Рейнольдса в июльском выпуске журнала Popular Mechanics за 2009 год обсуждает синдром Кесслера в связи с столкновением спутников в феврале 2009 года и то, как международное право может потребоваться для решения этой проблемы, чтобы помочь предотвратить будущие инциденты: Reynolds, GH (2009, июль) . "Траектория столкновения". Популярная механика , стр. 50–52.
  • Документальный фильм: Точка столкновения: Гонка по очистке космоса (продолжительность: 22 минуты 28 секунд), включенный в дополнительный материал на Blu-ray Disc for Gravity (фильм) .

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-страница Дональда Кесслера на uwo.ca
  • Орбитальные спутники в реальном времени на сайте stuffin.space
  • Астрономический снимок НАСА: спутники сталкиваются на низкой околоземной орбите (18 февраля 2009 г.)
  • Математическое моделирование потока обломков на lasp.colorado.edu
  • «Мусор на орбите, когда-то доставлявший неудобства, теперь стал угрозой» . Нью-Йорк Таймс .
  • «Хьюстон, у нас проблема с мусором» . Проводной .
  • Шварц, Эван И. (24 мая 2010 г.). «Надвигающийся кризис космического мусора: пришло время вынести мусор» . Проводной . Проверено 14 июня 2010 года .
  • «После столкновения спутников в космос выбрасывается мусор» . Нью-Йорк Таймс .
  • Обобщенные исследования общественной информации о космическом мусоре, кладбищенских орбитах и ​​т. Д.
  • «Космический мусор, засоряющий орбиту; возможно, потребуется очистка» . Ассошиэйтед Пресс. 1 сентября 2011 г.