Советский «Истребитель спутников» в представлении художника Разведывательного управления Министерства обороны США (DIA). На самом деле аппарат, по некоторым данным стоявший на вооружении вплоть до середины 1990-х (более 30 лет), выглядел совсем иначе. Как минимум, кассеты с поражающими элементами располагалась в хвостовой части, а головную занимали системы обнаружения цели и точного наведения / ©Ronald C. Wittmann, US public domain
Когда какая-нибудь страна решает провести испытания противоспутниковых ракет и сбивает свой старый аппарат на орбите, мировое сообщество сразу ее осуждает. Мол, количество космического мусора зазря увеличиваете и создаете опасность для мирного использования околоземного пространства! Такие публичные заявления лишний раз подпитывают боязнь пресловутого синдрома Кесслера. И одно из его следствий — распространенный миф о возможности борьбы со спутниками методом вывода ведра гаек (песка, гвоздей) на орбиту. Однако практика показывает, что кинетические способы поражения космической техники далеко не столь эффективны, как военным хотелось бы. Столкновения спутников со всяким мусором происходят регулярно, но из строя они в результате выходят далеко не всегда. Почему? Naked Science попробует разобраться
В марте 2021 года китайский спутник дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Yunhai-1 (02) столкнулся с неким фрагментом космического мусора. Ретроспективно анализируя траекторию безымянного «снаряда» (идентификатор COSPAR 1996-051Q), специалисты 18-й эскадрильи космической обороны (18 SDS) Космических сил США смогли установить, что это какой-то элемент верхней ступени ракеты-носителя «Зенит-2». Объект остался на орбите после запуска российского военного спутника радиотехнической разведки «Космос-2333» в 1996 году. За 25 лет он потерял около 60 километров высоты орбиты и «удачно» пересек траекторию Yunhai-1 (02).
Результатом этого инцидента стало образование 37 отслеживаемых обломков. Немало, если учитывать, что предыдущие известные события такого рода производили максимум до десяти новых объектов. Единственный раз, когда после «встречи» космического аппарата с космическим мусором получилось больше фрагментов, это разрушение Iridium 33 (COSPAR ID 1997-051C) в 2009 году. Правда, в качестве мусора выступил вышедший из строя российский военный спутник связи «Космос-2251» (1993-036A), так что случай был скорее исключительным. Оба тела были сопоставимы по размерам и массе, поэтому и итог оказался соответствующим — 2370 отслеживаемых наземными средствами обломков.
Но случай с Yunhai-1 (02) интересен вовсе не тем, что от китайского аппарата откололось почти четыре десятка кусков размером более сантиметра. Любопытно другое — спутник сохранил работоспособность. Насколько можно судить по открытым источникам, официально оператором аппарата этот факт не подтверждался, однако есть ряд независимых свидетельств. Судя по историческим данным портала In-The-Sky.org, Yunhai-1 (02) за последний год как минимум дважды корректировал свою орбиту. Для сравнения можно взглянуть на орбитальные параметры части второй ступени (или адаптера полезной нагрузки) ракеты, выведшей этот аппарат в космос в 2019 году. Будучи полностью неуправляемым, объект плавно теряет высоту.
Орбиты спутников группировки «Иридиум» и самые крупные обломки, образовавшиеся в результате столкновения Iridium 33 с «Космос-2251», по состоянию через полгода после инцидента / ©T. Kelso
Сервисы вроде In-The-Sky.org визуализируют в удобной форме общедоступные (и не очень) базы европейских и американских служб контроля за околоземным пространством. Проверить показания таких сайтов можно самостоятельно через соответствующие ресурсы (вам потребуется регистрация) Европейского космического агентства (ЕКА) и Командования космической компоненты объединенных сил США, Великобритании, Канады и Австралии (Combined Force Space Component Command, CFSCC).
Работоспособность Yunhai-1 (02) также подтверждают астрономы-любители, наблюдающие за спутниками в оптическом и радиодиапазонах. Аппарат продолжил передавать зашифрованный поток данных в L-диапазоне (от 1 до 2 гигагерц), который удавалось несколько раз перехватывать для анализа. После столкновения также изменились характеристики отраженного от спутника излучения — исчезла периодичность колебаний яркости. Предположительно, Yunhai-1 (02) потерял антенну микроволнового радиометра и, возможно, часть солнечных панелей. Но в той или иной форме его функциональность сохранилась после столкновения с объектом размером от одного до десяти сантиметров в поперечнике на скорости минимум 3,5 километра в секунду.
Эта история — едва ли не самая наглядная демонстрация очень ограниченных перспектив кинетического противоспутникового оружия. Он показывает, что встреча двух тел в околоземном пространстве без взаимного стремления к ней — явление маловероятное и требующее изрядного везения. А также то, насколько «живучи» спутники, несмотря на крайне впечатляющие эффекты столкновений даже малейших объектов на орбитальных скоростях. И почему большинство кажущихся логичными методов поражения аппаратов в космосе на практике не имеют смысла. Мы расскажем, как двигаются тела по орбите, в чем сложности определения их траекторий и как хорошо на самом деле космические аппараты защищены от кинетического воздействия.
Но сначала — небольшая ремарка о сложностях понимания процессов, протекающих всего в нескольких сотнях километров над нашими головами.
Из-за тотальной неочевидности орбитальной механики в космонавтике даже случались конфузы. Двое американских пилотов миссии «Джемини-4» Эдвард Уайт (Edward White) и Джеймс МакДивитт (James McDivitt) явно не жаловались на недостаток опыта и тренировок — в космическую программу США отбирались лучшие из лучших. Тем не менее из-за того, что задачу сближения с отработавшей ступенью ракеты «Титан III» поставили в последний момент, в должной мере провести подготовку к ней не хватило времени. В итоге безуспешные попытки рандеву стоили кораблю половины запасов топлива для маневровых двигателей. Пилоты выполняли кажущиеся логичными действия, необходимые для сближения, а вместо этого удалялись и ускорялись совсем в противоположных желаемым направлениях. Рандеву тогда пришлось отменить, а вот первый американский выход в открытый космос Уайт выполнил на отлично / ©NASA, James McDivitt, US public domain
Из-за тотальной неочевидности орбитальной механики в космонавтике даже случались конфузы. Двое американских пилотов миссии «Джемини-4» Эдвард Уайт (Edward White) и Джеймс МакДивитт (James McDivitt) явно не жаловались на недостаток опыта и тренировок — в космическую программу США отбирались лучшие из лучших. Тем не менее из-за того, что задачу сближения с отработавшей ступенью ракеты «Титан III» поставили в последний момент, в должной мере провести подготовку к ней не хватило времени. В итоге безуспешные попытки рандеву стоили кораблю половины запасов топлива для маневровых двигателей. Пилоты выполняли кажущиеся логичными действия, необходимые для сближения, а вместо этого удалялись и ускорялись совсем в противоположных желаемым направлениях. Рандеву тогда пришлось отменить, а вот первый американский выход в открытый космос Уайт выполнил на отлично / ©NASA, James McDivitt, US public domain
Неизбежность непонимания космоса
Все, что связано с космосом, невероятно контринтуитивно. Впрочем, как и любые области знания, выходящие за рамки объективных условий среды обитания человечества на протяжении его эволюции. Поэтому так сложно объяснять физику «на пальцах» (не обязательно даже квантовую). А представления большинства людей о работе своих тел недалеко ушли от древних греков с их четырьмя гуморами, дисбаланс которых объясняет любые недуги: даже довольно эрудированные люди иногда начинают рассказывать про «зашлакованность» организма. Когда речь заходит об экономике или политике (и гуманитарных науках), всё становится совсем сложно — собеседники либо скатываются в агрессивные споры, либо ограничиваются согласием с позицией «это какая-то несерьезная магия». При этом экономика и политика все же близко переплетены с жизнью современного человека.
А вот космос в буквальном смысле слова оторван от людей — и мы совсем не подготовлены природой думать о нем. Мышление Homo sapiens фактически «двумерно»: идти можно только вперед-назад или вправо-влево. Наверх и вниз мы смотрим, но перемещаться так не способны. Даже когда человек поднимается или опускается, он обычно передвигается по наклонной, но плоской поверхности. Иными словами, осознать «третье измерение» в качестве направления свободного неограниченного движения нам невероятно трудно. Без опоры под ногами (в крайнем случае — руками), а точнее четкого вектора ускорения свободного падения, мозг человека отказывается ориентироваться в пространстве.
Кроме того, всего лишь сотню-полторы лет назад значительная часть всех людей получила возможность перемещаться хотя бы в «двухмерном» пространстве быстрее любого животного. Это оказалось невероятно трудно психологически — появление первых поездов, автомобилей и самолетов было встречено жуткими мифами и «страшилками», вроде смерти пассажиров от разрыва внутренних органов из-за высокой скорости движения. И речь шла всего-то о скоростях в десятки километров в час — а применительно к аппаратам в космосе приходится осознавать, что такое километры в секунду.
Поэтому пусть знакомые с орбитальной механикой и физикой читатели нас простят: все дальнейшие объяснения и примеры будут приводиться в максимально упрощенном варианте. Задача этой статьи — показать как можно более широкой аудитории, насколько огромен и сложен космос даже в ближайших окрестностях нашей планеты.
«Шаманство» орбитальной механики
Орбитальное движение радикально отличается от такового на поверхности Земли или в ее атмосфере. Чтобы понять его на базовом уровне, нужно всегда держать в уме, что любые объекты на орбите постоянно движутся с огромными (по человеческим меркам) скоростями. Они находятся в искривленном гравитацией пространстве-времени, и прямые траектории оказываются геодезическими (кривыми при взгляде со стороны). Для понимания проблематики противоспутникового оружия и столкновений с космическим мусором попробуем, не уходя от «двухмерной» логики, обрисовать «на пальцах» ключевые аспекты орбитальной механики.
Визуализация гравитационного потенциала Земли по спутниковым данным. Красным показаны более массивные области, синим — наименее. Эти неравномерности напрямую влияют на движение тел в ближнем космосе / ©NASA
Движущийся по орбите вокруг планеты космический аппарат проще всего представить как товарный поезд. Он едет по рельсам вперед и не может просто так повернуть вправо или влево. Мешает колоссальная масса — мера инерции. У космических аппаратов масса не так велика, (МКС имеет массу 440 тонн, спутники редко бывают тяжелее пары-тройки тонн, а большинство — не превышают сотни килограмм), но скорость куда выше, так что инерция все равно велика и требуемая для изменения траектории энергия огромна. В результате любые маневры трудозатратны и длительны, а их эффекты растянуты по времени. Проблема орбитального движения состоит в том, что рельсы, по которым движется «поезд», при ускорении становятся подъемом, а при торможении — спуском. Со всеми вытекающими последствиями: в первом случае скорость падает, а во втором — растет, то есть все наоборот (ускорение замедляет). Парадокс.
Второй важный нюанс, о котором после школы большинство людей забывают: скорость и все силы — величины векторные. То есть у них есть не только числовое выражение, но и направление. А значит, простые арифметические действия с ними выполнять можно только в том случае, если они сонаправлены и точка приложения сил совпадает. Но так бывает крайне редко, поэтому, например, результирующую скорость движения после включения двигателей под углом к траектории придется считать сложением векторов (привет программе восьмого класса). Проще говоря, сила инерции продолжает увлекать спутник прямо и чтобы сместиться в сторону на какое-то расстояние, его двигателям потребуется выполнять работу дольше.
У орбиты есть набор характеристик, полностью ее описывающих. Они называются ее кеплеровыми элементами (потому что Иоганн Кеплер первым их все сформулировал):
- наклонение (i) — угол орбитальной плоскости к некой референсной (плоскости отсчета, экваториальной для планет);
- долгота восходящего узла (Ω) — угол между направлением на точку весеннего равноденствия и направлением на восходящий узел (точку на референсной плоскости, через которую проходит движущееся по орбите тело в северном направлении);
- эксцентриситет (e) — определяет форму траектории (круг, эллипс или не замкнутая);
- большая полуось (a) — сумма расстояний от центра притяжения до высшей (апоцентр) и низшей (перицентр) точек орбиты деленная надвое (определяет среднюю высоту орбиты, то есть, ее размер);
- аргумент перицентра (ω) — угол между восходящим узлом и перицентром (определяет ориентацию орбиты в ее плоскости);
- средняя аномалия (ν, θ или f для определенной эпохи t0) — указывают текущее положение движущегося по орбите объекта (например, спутника).
А теперь самое сложное — движение по таким рельсам. Предположим, нас не волнует, как объект приобрел свою орбитальную скорость (зависит от высоты, для 400 километров — 7,672 километра в секунду), рассмотрим идеальный случай с круговой орбитой. Для ее поддержания никаких действий не требуется, если нет посторонних возмущений.
Ускорения в прямом и обратном (ретроградном) направлениях приводят к изменению высоты орбиты, а также ее формы и размера (большой полуоси и эксцентриситета). Причем максимально поднимается или опускается точка орбиты, противоположная той, в которой выполняется работа двигателей. Высота остальной части траектории, за исключением точки начала выполнения маневра, тоже растет, но в меньшей степени. Иными словами, ускоряясь над Африкой, спутник взлетает над Тихим Океаном (и его скорость здесь будет ниже). А затем обратно спустится (скорость будет нарастать) и пройдет над родиной всего человечества на той же высоте, с которой и начал маневр (и со скоростью, которая была до начала ускорения). Орбита получилась эллиптической, и чтобы вернуть ее к форме круга, понадобится еще один сеанс работы двигателей в апогее. Если включить двигатели под углом к плоскости орбиты, изменится наклонение или долгота восходящего узла (либо оба). Такие маневры — самые энергозатратные из связанных с изменениями параметров орбиты.
Универсальная «валюта» любых орбитальных маневров — приращение скорости или характеристическая скорость (обозначается Δv или ΔV, читается «дельта-вэ»). Фактически она не зависит от массы космического аппарата в числовом выражении, а определяется долей использованного в ходе маневра рабочего тела для двигателей от общей массы. Иными словами, и тысяче-, и стокилограммовый спутник будут иметь одинаковую максимальную возможную «дельту», если четверть их массы занимает топливо с одинаковыми характеристиками (без учета эффективности двигателей).
Результирующая скорость такого броска окажется крайне мало отличающейся от начальной. Хотя 100 метров в секунду «дельты» достаточно для поднятия высоты орбиты почти на 200 километров при ускорении в прямом направлении / ©Scott Manley, YouTube
Столкновения на гиперскорости
Это — еще один тип физических процессов, который протекает совсем иначе, чем подсказывает интуиция. Когда речь идет о столкновениях на скоростях в десятки километров в час (например, машин), мы можем представить себе деформацию металла и разлетающиеся обломки. Встречающаяся с препятствием на скорости в несколько сотен метров в секунду пуля сминается и либо отскакивает, либо проходит дальше. Но по достижении скорости столкновения, которая превышает скорость прохождения упругих волн во встречающихся друг с другом материалах (скорость звука), картина меняется радикально. Да, в этом абзаце очень часто используется слово «скорость», но она — ключ ко всему.
Такие порядки величин называют уже «гиперскоростью», и пороговыми считаются 3 километра в секунду. В таких случаях хотя бы одно из встречающихся тел перестает вести себя как твердое вещество, и его поведение начинает описывать физика жидкостей. Обычно значительная часть материала в месте столкновения испаряется, а остальная масса переходит в жидкую фазу (справедливо для тел с большой разницей в габаритах и массе). Все тонкости таких событий до сих пор не до конца изучены, хотя активные исследования в этой области идут более полувека. Только для объяснения основных нюансов потребуется книга (например, вот такая), однако для наших целей пока достаточно одной интересной концепции — щита Уиппла.
Данное замечательное изобретение успешно защищает космические аппараты в теории с 1940-х годов, на практике — как только они начали летать. Принцип действия очень прост: с внешней стороны космического аппарата на некотором расстоянии от основной обшивки располагается еще одна потоньше. Чем-то напоминает противокумулятивные экраны на бронетехнике, да и задача схожая. Летящий на гиперскорости объект встречается с тонкой обшивкой, частично испаряется и разрушается, а с основным корпусом аппарата сталкивается уже облако плазмы, капелек и песчинок. Энергия рассеивается по большей площади. Существует невероятное множество конфигураций такого щита (только на МКС используется около сотни разновидностей) под различные задачи. Наиболее важные узлы станции, например, надежно защищены от попадания объектов размером до сантиметра в поперечнике.
В недавнем раунде тестов, которые проводит лаборатория DebriSat, использовалась простейшая конфигурация щита Уиппла — внешняя алюминиевая пластинка толщиной 0,5 миллиметра и «основная обшивка» толщиной 2 миллиметра. Такую мишень в вакуумной камере обстреливали фрагментами, имитирующими различные типы космического мусора / ©NASA, DebriSat, J. Miller
Цилиндр из углеволокна (CFRP) длиной 2,941 миллиметра и диаметром 1,029 миллиметра ожидаемо пробил экран, но «обшивку» разрушить не смог / ©NASA, DebriSat, J. Miller
А вот «таблетка» из того же материала толщиной 0,671 миллиметра и диаметром 2,402 миллиметра проделала в задней стенке мишени субмиллиметровое отверстие. Плотность фрагментов не указывается, но в случае «таблетки» масса была примерно на 20% больше из-за разницы в объеме / ©NASA, DebriSat, J. Miller
Предыдущие два теста выполнялись для сбора эмпирических данных о самом распространенном типе космического мусора в последнее время — фрагментах из углеродных композитов. Ранее им достаточного внимания не уделялось и потребовалось проверить модели. Для сравнения дополнительно выстрелили двумя фрагментами из металлов: медным цилиндром и стальной «таблеткой» (массы сопоставимы с таковыми для образцов из CFRP). В обоих случаях задняя стенка мишени выдержала попадание облака плазмы / ©NASA, DebriSat, J. Miller
Расстояния
Масштабы — то, о чем чаще всего забывают, когда рассуждают об околоземном пространстве. Космические расстояния колоссальны даже в непосредственной близости от нашей планеты. Представим, что мы захотели вывести по одному аппарату на круговые орбиты высотой 300 километров и наклонением 45 градусов с шагом 10 километров по восходящему узлу (чуть менее двух угловых минут долготы для этой высоты). Получается 4189 спутников — больше, чем существует аппаратов на всех высотах между двумястами и двумя тысячами километров сейчас. Да, их траектории будут пересекаться на широте 45 градусов, но для каждого можно рассчитать орбитальные параметры так, чтобы они «расходились» друг с другом на безопасном расстоянии. С каждым десятком километров высоты это количество (при сохранении прочих условий) будет расти на шесть штук.
Нагляднее всего о расстояниях в околоземном пространстве говорит следующая иллюстрация. На ней в масштабе относительно размеров нашей планеты показаны основные классы орбит по высотам.
Классификация околоземных орбит по высоте, схема в масштабе. Голубая область — низкие (НОО), от 200 до 2000 километров; желтая — средние, от 2000 до 34 780 километров; красная пунктирная линия — орбита МКС (около 400 километров); зеленая пунктирная линия — спутники GPS (20 230 километров); черная пунктирная линия — геостационарная (35 786 километров) / ©Mike1024, Wikimedia
Объем пространства только низких околоземных орбит (200-2000 километров) превышает триллион с четвертью кубических километров. А размеры спутников в этой области редко достигают десятка метров в поперечнике. Крупные аппараты, за исключением МКС и космических телескопов на НОО (низких околоземных орбитах), располагаются выше. Но их габариты все равно ничтожно малы по сравнению с масштабами окружающего пространства.
В неидеальном мире
Все вышесказанное относится к неким «сферическим и в вакууме» условиям, реальность еще сложнее. Атмосфера Земли, пусть и очень разреженная, простирается более чем на 10 тысяч километров, а гравитационное поле планеты неоднородно. В зависимости от солнечной активности плотность частиц (в основном атомов кислорода, но доля водорода и прочих газов тоже велика) в околоземном пространстве постоянно колеблется. Это приводит к неравномерному торможению спутников, которое еще и зависит от поперечного сечения аппарата. Более высокий гравитационный потенциал в экваториальной плоскости (планета «толще» у экватора) оборачивается такими явлениями, как прецессия орбиты и осцилляция ее кеплеровых элементов. Полный список возмущений, которым подвергается объект в околоземном пространстве, еще больше — среди них даже давление солнечного света и торможение магнитным полем.
Торможение при орбитальном движении означает потерю высоты и увеличение скорости, а также изменение эксцентриситета орбиты. Прецессия приводит к миграции долготы восходящего узла в западном направлении, и скорость этого процесса зависит от высоты, наклонения и эксцентриситета орбиты. Иными словами, орбитальные параметры действительны для конкретного отрезка времени (называется эпохой) и с каждым витком меняются. Причем без непрерывных наблюдений за конкретным спутником или кусочком космического мусора его положение становится набором вероятностей.
Именно поэтому вокруг каждого рукотворного объекта в околоземном пространстве обозначается зона безопасности. Для спутников на НОО — обычно около километра во всех направлениях, для геостационарных аппаратов — 50 километров. Если траектории мусора или другого космического аппарата пересекает такую «сферу неопределенности», то сближение считается опасным. И оператор спутника, по идее, обязан совершить маневр уклонения. Как правило, высота орбиты просто поднимается на несколько сотен метров.
В 2018 году специалисты в области наблюдения за околоземными объектами называли следующие примерные показатели точности отслеживания: 1,5-3 километра для НОО, 5-10 километров для геосинхронных орбит. И это американские службы и компании, которые используют для своей аналитики данные радаров и станций телеметрии по всему миру. За десять лет до этого точность была гораздо ниже, поэтому операторы спутниковой группировки «Иридиум» и проигнорировали все предупреждения, считая их лишней перестраховкой. Об этой ошибке теперь существует 2370 напоминаний (см.выше).
Фрагмент инфографики «Каждый спутник на околоземной орбите и кто владеет ими» от портала DEWESoft по состоянию на 18 января 2022 года / ©DEWESoft
С тех пор многое изменилось, и новые центры наблюдения строятся каждый год. Причем далеко не все из них государственные — растущий тренд на коммерциализацию космоса делает подобные услуги крайне востребованными. Так что свои радары и мультиспектральные трекеры создают отдельные компании как для собственных нужд, так и с целью продавать данные.
И как же их сбивать?
Подытожим все вышеописанное применительно к поражению космического аппарата условного противника. Эта задача делится на две подзадачи, каждая из которых представляет собой настоящее инженерное и научное приключение:
- идентификация цели и уточнение ее орбитальных параметров;
- выполнение перехвата.
Предположим, что открытые каталоги околоземных объектов доступны, и у нас с вами есть возможность найти в них интересующий спутник (или же мы обладаем своей достаточно полной базой данных). Вопрос выбора цели оставим военным, это их проблемы, нас интересует лишь техническая сторона. Но убедиться, что конкретный объект в небе является именно тем, который нам нужен, все равно придется. Для этого нужно будет использовать средства радиотехнической разведки (перехват передаваемых данных, сравнение сигнатур излучения), как минимум, а лучше еще и оптические методы (то есть телескоп).
Опасности космического мусора и столкновений на гиперскорости часто иллюстрируют подобными фото. На которых маленький снаряд творит с цельнометаллическими мишенями поистине потрясающие вещи. Тем не менее, будь перед этим блоком алюминия еще один экран практически любой толщины, эффект получился бы гораздо менее впечатляющим / ©ESA
Одновременно с идентификацией цели уточняются и ее орбитальные параметры. Так, измерением эффекта Доплера для испускаемого аппаратом сигнала определяется его скорость. Сложнее всего — снизить погрешность измерения орбитальных параметров цели хотя бы до сотен метров. Проблема в том, что даже самый чувствительный радар на поверхности Земли получит мало отраженных от спутника фотонов. И по этому слабому сигналу за несколько минут (время прохождения орбитальной дуги над местом наблюдений) станция отслеживания должна выдать целеуказание.
От чего зависит разрешающая способность радаров — тема для отдельной книги. Но в нашем случае главное, что чем дольше получается наблюдать цель, тем лучше. В идеале необходимы хотя бы пара витков, вот только мало какой спутник на НОО раз в день проходит над одним и тем же местом. И тут мы плавно подходим к необходимости иметь несколько станций наблюдения в разных полушариях. Без специальных кораблей измерительного комплекса тут не обойтись, но по состоянию на 2022 год в достаточном количестве они есть только у Китая и США. Россия после распада СССР все подобные суда отправила в музей или на металлолом, кроме «Маршала Крылова». И лишь у Соединенных Штатов вместе с партнерами (ЕС, Канада, Австралия) есть развитая сеть наземных радарных комплексов и телескопов для таких целей.
Допустим, цель определили, идентифицировали и нашли. Чем сбивать? Если отбросить лазеры, то выбор невелик. Средства поражения могут быть наземные или космического базирования. С последними беда в необходимости заранее вывести перехватчик на орбиту с характеристиками, близкими к характеристике орбиты цели. То есть незаметно это сделать не получится, а пространство для маневра у такого аппарата невелико. Почему это так, рассказано выше в разделе про орбитальную механику. Если с высотой и формой орбиты перехватчик еще сможет в довольно больших пределах «поиграть», то для смены наклонения больше чем на пару градусов топлива потребуется очень много. А ведь есть еще и долгота восходящего узла.
Испытательный запуск противоспутниковой ракеты ASM-135 ASAT с истребителя F-15A 13 сентября 1985 года. Самонаводящаяся боевая часть (MHV) общей массой 14 килограммов успешно поразила спутник Solwind P78-1. Столкновение произошло на высоте 555 километров, скорость достигла 6,7 километра в секунду / ©Paul E. Reynolds, US public domain
Тем не менее проекты таких аппаратов существовали, причем некоторые из них успешно воплощались в металле. Яркий пример — советский «Истребитель спутников» (ИС). Его точные характеристики никогда не публиковались в открытых источниках, известно лишь, что он был способен изменять не только высоту и эксцентриситет, но и наклонение. Правда, не уточняется, в каких пределах. Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз» указывает запас «дельты» для ИС 1200 метров в секунду. Этого достаточно для изменения наклонения на 8 градусов для круговой орбиты высотой 400 километров (или подъема ее на высоту более чем 3 тысячи километров), но достоверность этих сведений под вопросом.
Базирующиеся на Земле средства поражения — это противоспутниковые ракеты. Они запускаются по суборбитальной траектории так, чтобы встретиться с целью на минимальном расстоянии. Получается, что их пусковые установки (или аэродромы, если ракеты запускаются с самолетов) должны быть в определенной близости от трассы (проекции его орбиты на поверхность Земли) поражаемого спутника. Иначе перехват просто не состоится. Зато существует фактор внезапности — от старта ракеты до попадания пройдут считанные минуты. Вот только такой «выстрел» будет недешевым: необходима высокая энергетика, чтобы забросить боеголовку на тысячу километров вверх, а сама головная часть обязательно должна быть маневрирующей. От погрешности «прицеливания» в километры все равно никак не избавиться. Причем, чтобы сделать шанс поражения максимальным, головка самонаведения должна быть мультиспектральной (например, инфракрасный датчик и радар).
Средства поражения и космический мусор
Оба этих вопроса тесно связаны. Выбор способа нанесения повреждений вражескому космическому аппарату в наибольшей степени зависит от способности всего противоспутникового комплекса определять орбитальные параметры цели. В самом запущенном случае понадобится термоядерный заряд, поражающий инфракрасным, рентгеновским и нейтронным излучением (за пределами атмосферы нет среды для формирования ударной волны). Правда, даже для мощности в мегатонну тротилового эквивалента желательно оказаться на расстоянии не более пары километров от цели. Если боеголовка может взорваться в десятках метров от жертвы, тогда подойдет осколочная боевая часть. Возможность формирования пучка осколков увеличивает допустимую погрешность, но необходимо обеспечить достаточную плотность поражающих элементов.
На этом моменте придется остановиться чуть подробнее. Дело в том, что космический мусор — фактически та же шрапнель. И его фрагменты размерами более 10 сантиметров человечество уже научилось отслеживать с достаточной точностью, чтобы не допускать с ними столкновений. По крайней мере, в том случае, когда оператор спутника пользуется услугами европейских и американских служб контроля за околоземным пространством, а также прислушивается к их предупреждениям об опасных сближениях. Мусор в диапазоне от сантиметра до десяти уже представляет проблему, еще меньшие размеры — не отследить вовсе. Поэтому большинство долгоживущих космических аппаратов приспособлены к тому, чтобы пережить столкновение с такими объектами. Критически важные системы экранируются, разносятся в конструкции и дублируются, как физически, так и программно.
Гарантированно повредить спутник может либо объект крупнее сантиметра в поперечнике, либо мельче, но встретившийся с ним на скорости менее трех километров в секунду (и то, если удачно попадет во что-нибудь «жизненно важное»). Это создает разработчикам противоспутникового оружия большие проблемы. Либо поражать цель придется монолитным импактором, но для этого потребуется невероятно высокая точность наведения. Либо «стрелять» осколками «вдогонку». Есть вариант снаряжать боеголовку поражающими элементами размером от 1 до 10 сантиметров, но тогда она будет иметь большую массу.
Строение листа типичной многослойной теплоизоляции (MLI, экранно-вакуумная изоляция) космических аппаратов. Она представляет собой чередующиеся листы отражающих (майлар или каптон с металлическим покрытием) и заполняющих материалов (минеральная вата, сетки, ткань газового плетения) с одним или несколькими особо прочными слоями (бета-ткань). Фактически — готовый щит Уиппла с наполнителем / ©Saint-Gobain
Сразу становится понятно, насколько нелепа идея выбросить на орбиту ведро гаек, гвоздей или песка. Конечно, выступающие элементы спутника вроде солнечных панелей, антенн и каких-нибудь сенсоров они повредят. Но только если встретятся с аппаратом сразу в момент разбрасывания из гипотетического ведра. Спустя считанные часы после выведения гайки или гвозди (песок вовсе рассматривать не будем из-за полной бессмысленности) начнут расходиться в стороны и хаотично распределяться. Плотность их облака окажется недостаточной даже для того, чтобы хорошенько «ободрать» один спутник, не говоря уже о полноценном синдроме Кесслера на отдельно взятой высоте орбиты.
А ведь есть еще стоимость вывода необходимого числа поражающих элементов в целевые орбитальные плоскости. Конечно, всегда можно попробовать «поиграть» с материалом условных «гаек и гвоздей». То же справедливо для осколочной боевой части противоспутниковой ракеты. Сделать их, например, из углеродных композитов или вольфрама — иными словами, повысить температуру испарения поражающих элементов. Таким образом получится несколько поднять их опасность для космической техники, но резко возрастет стоимость. В любом случае шансы спутников встретиться с этими гвоздями и гайками все равно повысятся незначительно. А надежды на каскадный эффект с умножением количества осколков несколько завышены — образование множества новых объектов при столкновениях на гиперскоростях маловероятно (объекты должны иметь сопоставимую массу либо сложную форму)
Единственный способ гарантированно подвергнуть критической угрозе все аппараты на низкой околоземной орбите — создать рукотворное кольцо достаточно крупных поражающих элементов в экваториальной плоскости (ее пересекают любые спутники). Сколько их понадобится для диска шириной 1800 километров при плотности хотя бы одна «гайка» на квадратный метр, предлагаем читателям посчитать самостоятельно, наш калькулятор не отображает больше 12 разрядов.
Зачем тогда это нужно
Получается, что кинетическое противоспутниковое оружие слишком сложное и дорогое для поражения спутников. Гарантировать уничтожение оно может только при соблюдении ряда условий и внезапной атаке. Ничто не мешает аппарату, который рискует стать целью, в военное время начать хаотично менять свою траекторию на километр-другой. Да, его срок жизни резко сократится, но это может быть оправдано. Спутники сейчас дешевеют (и мельчают), а средства их выведения становятся оперативнее. Тем не менее любая противоспутниковая ракета, на самом деле, испытывается не против спутников. В первую очередь она незаменимая часть защиты от межконтинентальных баллистических ракет. И в этой роли кинетическим перехватчикам пока нет равных.
Напоследок — про синдром Кесслера и мусор
Вкратце — синдром Кесслера, это гипотетический сценарий развития событий в околоземном пространстве, при котором количество космического мусора приводит к лавинообразному росту столкновений и невозможности полезного использования ближнего космоса. Безусловно, полвека назад, когда средства отслеживания объектов в околоземном пространстве имели чрезвычайно малое разрешение, такие опасения имели смысл. Но современные спутники умеют маневрировать, при их проектировании учитываются сценарии сведения с орбиты или захоронения. Это в целом радикально снижает замусоренность космоса. Кроме того, мониторинг и своевременное оповещение позволяют уклоняться от столкновений. Если, конечно, оператор работает в международной кооперации. Судя по всему, Yunhai-1 (02) стал жертвой политики. Этот аппарат, предположительно, двойного назначения, и китайской стороне отказали в использовании американо-европейских каталогов. Или в Поднебесной сами решили к ним не подключаться.
Орбитальная станция «Мир» пережила немалое количество столкновений с космическим мусором и микрометеороидами. Большая солнечная панель модуля «Спектр» в правой части снимка испещрена их следами. Меньшая панель по центру снимка повреждена во время столкновения с кораблем «Прогресс М-34». Фото сделано в июне 1998 года / ©NASA, Crew of STS-91
Одна только частная космическая компания SpaceX вывела за последние несколько лет больше спутников, чем большинство стран за предыдущие десятилетия. И все эти аппараты, за некоторыми исключениями, работают. А те, что нет, плавно и контролируемо спускаются в атмосферу. При правильном менеджменте такого «созвездия» вероятность серьезных инцидентов на орбите исчезающе мала. А те, что случаются, редко остаются замеченными кем-то, кроме оператора спутника. Потому что повреждения почти никогда не становятся критическими. Максимум — несколько ячеек солнечной батареи выбьет или оставит зрелищный след на обшивке.
Внимательный читатель может сразу заметить, что общий успокаивающий тон нашей статьи резко контрастирует с распространенным паникерством насчет космического мусора. Взять хотя бы информационную кампанию Европейского космического агентства (ЕКА) или реакцию международного сообщества на российские испытания противоспутникового оружия. С одной стороны, это объясняется сложностью понимания всех связанных с этой темой тонкостей (надеемся, данный текст помог их прояснить). С другой — в разных ситуациях применимы совершенно разные подходы к оценкам рисков. Да, космический мусор это проблема, пусть и немного преувеличенная. Но лучше реагировать на нее так, чем игнорировать вовсе.
Что касается МКС и подрыва «Космоса-1408» прошлой осенью, то тогдашний алармизм был как раз понятен: минимальное расстояние между расчетными орбитами осколков и сферой безопасности станции составило всего 40 километров по высоте. Это очень мало — десятки метров в секунду «дельты» (броски в бейсболе мощнее). Мог ли кто-либо в первые дни после испытаний гарантировать, что никакой осколок не получил достаточное для такого снижения ускорение? Нет, и без продолжительных наблюдений подтвердить это физически невозможно. А в случае с МКС опасным считается любое столкновение вне зависимости от размера объекта.