Синдром Кесслера - Kessler syndrome

Популяции космического мусора, видимые снаружи геостационарная орбита (ГСО). Есть два основных поля обломков: кольцо объектов на ГСО и облако объектов на низкая околоземная орбита (ЛЕО).

В Синдром Кесслера (также называемый Эффект Кесслера,[1][2] коллизионный каскад, или же каскад абляции), предложено НАСА ученый Дональд Дж. Кесслер в 1978 г. - это теоретический сценарий, в котором плотность объектов в низкая околоземная орбита (LEO) из-за загрязнение 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 привести к космической деятельности и использованию спутники в определенных орбитальных диапазонах трудна для многих поколений.[3]

История науки о синдроме

НОРАД, Габбард и Кесслер

Вилли Лей в 1960 году предсказал, что «со временем в космосе накопится некоторое количество таких случайно слишком удачных выстрелов, и их придется удалить, когда наступит эра пилотируемых космических полетов».[4] После запуска Спутник 1 в 1957 г. Североамериканское командование воздушно-космической обороны (NORAD) начал составлять базу данных ( Каталог космических объектов ) всех известных ракетных запусков и объектов, выходящих на орбиту: спутников, защитных экранов, разгонных ракет верхней и нижней ступеней. НАСА позже опубликовано[когда? ] модифицированные версии базы данных в набор двухстрочных элементов,[5] и в начале 1980-х годов CelesTrak электронная доска объявлений переиздал их.[6]

График высоты и периода обращения космического мусора
Диаграмма Габбарда почти 300 обломков от разрушения 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 были результатом взрывов на орбите.[7] Некоторые из них были намеренно вызваны в 1960-х гг. противоспутниковое оружие (ASAT) и 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 выступили соавторами книги "Частота столкновений искусственных спутников: создание пояса обломков",[9] демонстрируя, 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 будет опережать микрометеороиды как основной абляционный риск для орбитальных космических аппаратов.[10]

В то время считалось, что[кем? ] это сопротивление от верхняя атмосфера будет сбрасывать мусор с орбиты быстрее, чем он был создан.[нужна цитата ] Однако Габбард знал, что количество и тип объектов в космосе недостаточно представлены в данных NORAD, и был знаком с его 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 1982 г. Популярная наука статья,[11] который получил Национальную журналистскую премию Ассоциации авиакосмических писателей 1982 г.[10]

Последующие исследования

Большая камера, рядом с ней для масштабирования стоит мужчина
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 г. НАСА предоставил 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 учитывает большинство крупных объектов на орбите. Некоторые объекты (как правило, военные космические корабли США) были исключены из списка NORAD, а другие не были включены, потому что считались неважными. Список не мог легко учесть объекты размером менее 20 см (7,9 дюйма) - в частности, обломки от взрывающихся ступеней ракет и нескольких противоспутниковых испытаний 1960-х годов.[10]

Вернувшиеся космические аппараты были исследованы под микроскопом на предмет небольших ударов, а участки Скайлаб и Командный / служебный модуль Apollo которые были извлечены, оказались изъеденными. Каждое исследование показало, что поток космического мусора был выше, чем ожидалось, и что космический мусор был основным источником микрометеороидов и столкновений с орбитальным мусором 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 Ракеты Дельта ).[13][требуется полная цитата ] 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 возникло в результате старых испытаний противоспутниковой системы, а не в результате взрыва разгонной ракеты США, с которой, 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.[нужна цитата ]

Новый синдром Кесслера

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 доступными данными. Ссылаясь на выводы ВВС США о создании обломков, он писал, 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 значительной. За пределами этого критическая плотность, когда дополнительный мусор приводит к дополнительным столкновениям. При плотности, превышающей эту критическую, массовое производство превышает распад, что приводит к каскадному цепная реакция сокращение популяции на орбите до небольших объектов (размером несколько сантиметров) и повышение опасности космической деятельности.[16] Эта цепная реакция известна как синдром Кесслера.[10]

В историческом обзоре начала 2009 года Кесслер резюмировал ситуацию:

Агрессивные космические действия без надлежащих мер безопасности могут значительно сократить время между столкновениями и создать недопустимую опасность для космических аппаратов будущего. Некоторые из наиболее экологически опасных видов деятельности в космосе включают большие созвездия, такие как те, которые изначально 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

Основная статья: Космический мусор

Каждый спутник, Космический зонд, и миссия с экипажем имеет потенциал производить космический мусор. Теоретический каскадный синдром Кесслера становится более вероятным по мере увеличения количества спутников на орбите. По состоянию на 2014 г.на орбите Земли находилось около 2000 коммерческих и государственных спутников.[18] Подсчитано, что существует 600000 единиц 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 для пилотируемых и беспилотных космических аппаратов: низкие околоземные орбиты, которые покрывают достаточно низкий диапазон высот[уточнить ] для остаточного атмосферное сопротивление быть достаточным, чтобы сохранить зону чистой.[требуется разъяснение ] Столкновения, происходящие в этом диапазоне высот, также представляют меньшую проблему, поскольку направления, в которых летят осколки, и / или их нижняя граница. удельная энергия часто приводят к тому, что орбиты пересекаются с Землей или имеют перигей ниже этой высоты.[нужна цитата ]

Орбитальный распад намного медленнее на высотах, где сопротивление атмосферы незначительно. Незначительный атмосферное сопротивление, лунный возмущение, и Солнечный ветер сопротивление может постепенно опускать обломки на более низкие высоты, где фрагменты, наконец, снова входят, но этот процесс может занять тысячелетия на очень больших высотах.

Подразумеваемое

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

Синдром Кесслера вызывает беспокойство из-за эффект домино и обратная связь убегает при ударах между объектами значительной массы скол от мусора 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 будет представлять минимальный риск для запусков, продолжающихся за НОО, или для спутников, летящих на НОО. средняя околоземная орбита (MEO) или геостационарная орбита (ГЕО). Катастрофические сценарии предсказывают увеличение количества столкновений в год, в отличие от физически непреодолимого препятствия для освоения космоса, которое возникает на более высоких орбитах.[нужна цитата ]

Избегание и сокращение

Разработчики нового транспортного средства или спутника часто требуются ITU[22] продемонстрировать, что его можно безопасно утилизировать по окончании срока службы, например, с помощью контролируемого вход в атмосферу система или повышение в кладбищенская орбита.[23] Для запусков США или спутников, которые будут транслироваться на территории США - для получения лицензии на предоставление телекоммуникационных услуг в Соединенных Штатах - Федеральная комиссия связи (FCC) потребовала, чтобы все геостационарные спутники, запущенные после 18 марта 2002 г., по окончании срока их эксплуатации совершили переход на орбиту захоронения.[23] Постановления правительства США также требуют плана по утилизации спутников после завершения их миссии: возвращение в атмосферу,[требуется разъяснение ] перемещение на орбиту хранения или прямое извлечение.[24]

Предлагаемое энергоэффективное средство спуск с орбиты космический корабль из MEO это вывести его на орбиту в нестабильном резонанс с Солнцем или Луной, которые ускоряют орбитальный распад.[25][26]

Одна технология, предложенная для обработки фрагментов размером от 1 до 10 см (от 0,39 до 3,94 дюйма), - это лазерная метла, предлагаемый многомегаваттный наземный лазер, который может сбрасывать с орбиты обломки: сторона обломков, на которую попадает лазер, будет удалять и создать толчок, который изменит эксцентриситет остатков фрагмента, пока он снова не войдет безвредно.[27]

Возможный триггер

В Envisat Спутник - это большой, неактивный спутник массой 8 211 кг (18 102 фунтов), который дрейфует на высоте 785 км (488 миль), высоте, на которой окружение обломков является наибольшим - можно ожидать, что два занесенных в каталог объекта пройдут в пределах 200 м ( 660 футов) Envisat каждый год[28]- и, вероятно, увеличится. Дон Кесслер предсказал в 2012 году, что он может легко стать основным источником мусора в результате столкновения в течение следующих 150 лет, когда он будет оставаться на орбите.[28]

SpaceX с Starlink Программа вызывает беспокойство у многих экспертов по поводу значительного увеличения вероятности синдрома Кесслера из-за большого количества спутников, которые программа стремится разместить на низкой околоземной орбите, поскольку цель программы более чем удвоить количество спутников, находящихся в настоящее время на низкой околоземной орбите.[29]

В художественной литературе

  • Кен МакЛеод Роман 1999 года «Небесная дорога» (книга 4 из серии «Осенняя революция») показывает последствия синдрома Кесслера как главный сюжетный прием.
  • В Питер Ф. Гамильтон роман 2001 г. Падший дракон, жители планеты Санта-Чико намеренно запустили синдром Кесслера, чтобы «закрыть небо» от мародерствующих космических кораблей, сделав невозможными дальнейшие поездки на планету или с нее.
  • Начальный сегмент 2003 г. манга Planetes сосредоточена вокруг орбитальной бригады по очистке мусора, единственная цель которой - снизить риск Кесслера.
  • Фильм 2013 года Сила тяжести Катастрофа с синдромом Кесслера является поводом для повествования, когда Россия сбивает старый спутник.[30]
  • SyFy телевидение Неповиновение включены проблемы с синдромом Кесслера, влияющие на путешествия и общение в результате конфликта инопланетных рас с человечеством, в результате чего произошел «Аркфолл», поскольку обломки их кораблей были разбросаны.
  • Нил Стивенсон роман 2015 года Seveneves начинается с необъяснимого взрыва Луна на семь больших частей, последующее создание облака обломков в результате столкновений с синдромом Кесслера и возможная бомбардировка поверхности Земли лунными метеороидами.[31]
  • В Марк Кэмерон роман 2018 года Том Клэнси: Присяга, Иранские диссиденты замышляют запустить в космос две российские ядерные ракеты, чтобы уничтожить орбитальный спутник, что в свою очередь вызовет синдром Кесслера.
  • Видеоигра 2019 года Ace Combat 7: Небеса Неизвестные включает инцидент с синдромом Кесслера в качестве основного сюжета после непреднамеренного запуска противостоящих фракций ПО СОСТОЯНИЮ НА удары друг против друга одновременно. Образовавшееся поле обломков инициирует каскад орбитальных столкновений, который наносит катастрофический ущерб глобальной инфраструктуре связи.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стенджер, Ричард (2002-05-03). «Ученый: космическое оружие представляет собой угрозу мусора». CNN.com. Архивировано из оригинал в 2012-09-30. Получено 2011-03-17.
  2. ^ Олсон, Стив (июль 1998 г.). «Опасность космического мусора - 98.07». Атлантический океан. Получено 2020-06-18 - 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: 2637–2646. Bibcode:1978JGR .... 83.2637K. Дои:10.1029 / JA083iA06p02637.
  4. ^ Лей, Вилли (август 1960). «Как убивать драконов». Довожу до вашего сведения. Галактика Научная фантастика. С. 57–72.
  5. ^ Сыч, Феликс; Шумахер, Пауль-младший; Гловер, Роберт (2004). "История аналитического моделирования орбиты в системе космического наблюдения США". Журнал управления и динамики наведения. 27 (2): 174–185. Bibcode:2004JGCD ... 27..174H. Дои:10.2514/1.9161.
  6. ^ Келсо, Т.С. «Исторический архив». CelesTrak BBS. Архивировано из оригинал 17 июля 2012 г., 2-строчные элементы 1980 г.
  7. ^ Шефтер, стр. 48.
  8. ^ Портри, Дэвид; Лофтус, Джозеф (1999). «Орбитальный мусор: хронология» (PDF). НАСА. п. 13. Архивировано из оригинал (PDF) 1 сентября 2000 г.
  9. ^ Кесслер 1978
  10. ^ а б c d е ж грамм час я Кесслер, Дональд Дж. (8 марта 2009 г.). «Синдром Кесслера». Архивировано из оригинал 27 мая 2010 г.. Получено 22 сентября 2009.
  11. ^ Schefter
  12. ^ Кесслер 1991, стр. 65.
  13. ^ Кесслер 1981
  14. ^ Клинкрад, Хайнер (2006). Космический мусор: модели и анализ рисков. Springer-Praxis. ISBN  3-540-25448-Х.
  15. ^ "pdf статьи" (PDF). В архиве (PDF) с оригинала 14 августа 2018 г.. Получено 14 августа 2018.
  16. ^ а б Кесслер 1991, стр. 63.
  17. ^ Орбитальный мусор, техническая оценка. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. 1995. стр. 4. ISBN  0-309-05125-8.
  18. ^ а б «Lockheed Martin в сделке по космическому мусору с австралийской фирмой». Новости BBC. 28 августа 2014 г.. Получено 2014-08-28.
  19. ^ Карпинети, Альфредо (15 мая 2016 г.). «Космический мусор выбил одно из окон МКС». Я, блядь, люблю науку. В архиве из оригинала от 16.05.2016. Получено 2016-05-16.
  20. ^ Примак, Джоэл Р. (2002). «Мусор и будущая космическая деятельность» (PDF). Physics.ucsc.edu. Физический факультет, Калифорнийский университет в Санта-Крус. При наличии достаточного количества обломков на орбите части начнут сталкиваться с другими частями, вызывая цепную реакцию разрушения, которая оставит смертельный ореол вокруг Земли.
  21. ^ Primack, Joel R .; Абрамс, Нэнси Эллен. «Звездные войны навсегда? - Космическая перспектива» (PDF). Physics.ucsc.edu. Физический факультет Калифорнийского университета в Санта-Круз. преднамеренная инъекция в НОО большого количества частиц в качестве дешевой, но эффективной противоспутниковой меры.
  22. ^ «Рекомендация МСЭ-R S.1003-2» (PDF).
  23. ^ а б «FCC начинает дебаты по орбитальному мусору». Архивировано из оригинал на 2008-05-06.
  24. ^ "Стандартная практика правительства США в отношении орбитального мусора" (PDF).
  25. ^ Витце, А. (05.09.2018). «В поисках решения проблемы космического мусора на Земле». Природа. 561 (7721): 24–26. Bibcode:2018Натура.561 ... 24Вт. Дои:10.1038 / d41586-018-06170-1. PMID  30185967.
  26. ^ Daquin, J .; Rosengren, A.J .; Alessi, E.M .; Deleflie, F .; Valsecchi, G.B .; 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. Дои:10.1007 / s10569-015-9665-9.
  27. ^ «НАСА надеется, что лазерная метла поможет убирать космический мусор». SpaceDaily.com. Получено 2011-03-17.
  28. ^ а б Джини, Андреа (25 апреля 2012 г.). «Дон Кесслер о Envisat и синдроме Кесслера». Журнал космической безопасности. Получено 2012-05-09.
  29. ^ Синха-Рой, Пия (20 июля 2013 г.). "Сила тяжести поднимается на Comic-Con, когда режиссер Куарон прыгает в космос ". Рейтер. Получено 2013-09-05.
  30. ^ Фриман, Дэниел (18 мая 2015 г.). "Нил Стивенсон Seveneves - Научный "Обзор" с низким содержанием спойлеров. Обзор науки Беркли. Получено 4 августа 2015.

дальнейшее чтение

  • Статья в номере журнала за июль 2009 г. Популярная механика Гленн Харлан Рейнольдс обсуждает синдром Кесслера в отношении февральского Столкновение спутников 2009 г. и как международное право может решить эту проблему, чтобы помочь предотвратить будущие инциденты: Reynolds, G.H. (2009, июль). "Траектория столкновения". Популярная механикаС. 50–52.
  • Документальный: Точка столкновения: гонка за очисткой космоса (продолжительность: 22 минуты 28 секунд), включены в дополнительный материал на Blu-ray диск за Сила тяжести (фильм).

внешняя ссылка