Плотность загрязнения ближнего космоса и вероятность столкновения космических объектов с техногенным мусором

В настоящее время всеми космическими державами и ООН принято согласованное мнение о том, что засоренность ближнего космоса достигла уже крайне опасного для космических полетов уровня. Степень загрязненности околоземного пространства космическим мусором неодиракова на различных высотах. Наибольшее число обломков на каждые 10 км высоты приходится на диапазон высот от 800 до 1000 км и на район 1500 км. Размеры фрагментов техногенных тел также различаются. Подавляющее большинство всех обломков (около 99%) имеют размеры до 10 см, и совсем немного (менее 1%)- более 10 см. Естественно, значения вероятности столкновения активных спутников с космическим мусором и фрагментов мусора друг с другом будут максимальными на высотах около 1000 и 1500 км. Вероятность столкновений, близкая к 10 %, уже настолько велика, что требует подробного изучения последствий таких соударений. Если же последствия столкновений могут угрожать безопасности космонавтов, то они исследуются и при более низких вероятностях. На основе имеющихся данных об образовании техногенных тел было систематизировано около 20 000 тел с размерами более 5 мм и установлено, что наибольшие плотности их соответствуют высотам 800-1000 км и 1400-1500 км и широтному интервалу 65-85⁰. При этом максимум плотности осколков достигает величин 10^-6-10^-5 км^-3.

Для космических аппаратов размером 2 и 30 м рассчитывались вероятности столкновения с техногенными телами для круговых орбит, определяемых высотами от 300 до 4000 км и наклонениями от 30 до 90⁰. Показано, что вероятность столкновения техногенных с космическими объектами размером 2 м имеет порядок 10^-11-10^-7, для объектов размером 30 м на высоте 900 км- 10^-4. Максимальные вероятности столкновений за год соответствуют высотам около 99 км и для космических аппаратов размером 6 м составляют 10^-3. При радиусе космической станции 50 м число столкновений за год с частицами диаметром-10^{-2 см составляет 3х104}, диаметром - 0,1 см – 170, а диаметром - 1 см – 1 раз в год. Это оценочные величины, но очевидно, что изучение проблемы требует пристального внимания. Тем более. Что продолжающиеся запуски различного рода космических объектов сопровождается ростом числа техногенных тел на околоземных орбитах. Ежегодный прирост их на 6-12% может привести к реальной угрозе безопасности космических полетов и ставит под сомнение возможности реализации перспективных программ. В перспективе следует необходимость постоянного слежения не только за активными спутниками и космическими кораблями, но и за десятками тысяч фрагментов, образующих космический мусор. Для этого нужна сеть наземных радиолокационных станций, оптических средст слежения, необходимо создание статистических моделей распределения объектов искусственного происхождения в околоземном космическом пространстве. В настоящее время происходит слежение за каждым осколком размерами 10 см и более. Такая работа уже ведется, но, к сожалению, возможности технических средств ограничены. Например, современные радиолакационные средства способны более или менее уверенно проводить мониторинг космоса нв высотах до 1000 км для обнаружения космических фрагментов более 10 см. Чтобы засечь фрагменты меньше 10 см необходима система станций, работающих на частотах 4х10⁴ МГц и выше (т.е. на длинах волн порядка 8 мм), что встречается с определенными техническими трудностями.

Степень опасности, которую представляют фрагменты космического мусора для членов космического аппарата и самих станций сильно зависит от их размеров, плотности материала осколка и скорости встречи (т.е определяется кинетической энергией ударника Е_к = m V²/2). Например, металлический осколок из стали диаметром 0, 5 мм, летящий со скоростью порядка 10 км/с, может пробить скафандр космонавта, находящегося в открытом космосе, а осколок размером несколько сантиметров нарушит нормальное функционирование даже большого космического комплекса, такого, как станция «Мир» или «Фридом». Причем вероятность подобного столкновения в будущем будет неуклонно возрастать.