Космические державы могут создать единый каталог объектов вокруг Земли

Ведущие космические державы могут создать единую международную систему обмена информацией о состоянии в околоземном пространстве. Появление такого реестра в «Роскосмосе» не исключают уже в ближайшем будущем. Фактически речь идет о создании каталога всех объектов, что позволило бы снизить риски сближения космического мусора с пилотируемыми и автоматическими аппаратами. Как рассказали в «Роскосмосе», проблема космического мусора сейчас находится в центре внимания ведущих государств и международных организаций — участников космической деятельности. В недалеком будущем может быть предложен обмен данными со всеми ведущими космическими агентствами мира с целью создания международной системы обмена информацией о состоянии в околоземном космическом пространстве, — заявили в госкорпорации. Нынешняя ситуация с космическим мусором ухудшается вследствие постоянного увеличения количества орбитальных объектов. Ступени ракет, разгонные блоки, отработавшие свой срок космические аппараты движутся по орбите со скоростью 3–7,5 км/с и представляют опасность для космических аппаратов. 

Даже маленькая песчинка может причинить вред и вывести системы из строя. Удаление «космического мусора» размером менее 10 см — самая трудоемкая задача.

По словам научного руководителя Института космической политики Ивана Моисеева, основные системы мониторинга околоземного пространства функционируют у США и России. Данные американской системы открыты для общего доступа, за исключением информации о военных объектах. Россия никакую информацию пока не публикует.

— Если желание есть, то надо, конечно, открывать доступ к этим данным. Это могло бы быть полезно. Здесь нет предмета для разговора. Доля пересечения данных российской и американской систем может составить свыше 90%, — сообщил «Известиям» Иван Моисеев.

По данным «Роскосмоса», к 2025 году завершится формирование второй и начнется создание третьей фазы отечественной автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, включая случаи сближения объектов космического мусора с функционирующими космическими аппаратами и сходы с орбит космических объектов повышенного риска.

Для обеспечения глобального мониторинга околоземного пространства с требуемыми характеристиками потребуется ввести в состав российской системы новые и доработанные специализированные оптико-электронные средства, усовершенствовать программно-аппаратные комплексы и создать дополнительное специальное программное обеспечение.

Как отметили в «Роскосмосе», сейчас также прорабатываются различные варианты увода крупногабаритных объектов космического мусора с использованием специализированного космического аппарата. Одним из необходимых элементов для решения этой задачи может стать система измерения параметров относительного движения (СИПОД), обеспечивающая стыковку с космическими объектами. Ее разработчиком выступает АО «Научно-исследовательский институт точных приборов» (входит в холдинг «Российские космические системы»).

В пресс-службе РКС «Известиям» рассказали, что, учитывая актуальность проблемы космического мусора, сегодня рассматриваются теоретические аспекты возможного применения наработок по развитию системы СИПОД для решения перспективных задач, включая обнаружение и сближение с вышедшими из строя аппаратами и их обломками, а также другими предметами разного размера и различного происхождения для их последующего устранения с орбит.

По данным российской и американской систем наблюдений за космическим пространством, объем техногенных объектов в околоземном космическом пространстве ежегодно увеличивается. На начало 2016-го в каталогах содержалась информация о более 17 тыс. объектов, из которых лишь около 1,3 тыс. — действующие аппараты, остальное — «космический мусор». Его общая масса оценивается в 7 тыс. т. Всего с 1998 года, с момента запуска первого орбитального модуля Международной космической станции — ФГБ «Заря», свыше 500 объектов «космического мусора» опасно сближались со станцией.

Новая технология сборки элементов космических аппаратов

Ученые СибГАУ разработали прототип устройства для индукционной пайки волноводов — ключевых элементов космических аппаратов, от которых зависит качество передаваемого радиосигнала на наземные станции управления. Внедрение разработки на предприятия позволит минимизировать участие человека в процессе производства волноводов и существенно сократить затраты на их изготовление. 

  

Как поясняют авторы проекта, качество пайки волновода определяет эффективность радиосигнала между космическим аппаратом и наземной станцией управления.

Руководитель проекта, заведующий кафедрой опорного вуза Александр Мурыгин отметил, что разработанное устройство осуществляет контроль температуры нагрева паяемых элементов волновода, в то время как российские или зарубежные аналоги контролируют температуру только одного элемента.

«Разработанное устройство способно автоматически задавать мощность, подаваемую на индуктор, благодаря чему исключается возможность перегрева и разрушения деталей. Управление процессом будет производиться при помощи бесконтактной пирометрии, то есть когда температура замеряется на основе инфракрасного излучения. Кроме того, разработка позволяет автоматически менять позицию изделия при пайке. Это повысит как точность, так и качество паяных соединений волновода», — рассказал Александр Мурыгин.

Разработка ученых будет внедряться в 2017 году на АО «Информационные спутниковые системы имени М.Ф. Решетнева».

Откуда будут брать энергию космические аппараты будущего?

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий - или даже дольше - потребуется новое поколение источников питания. Система питания - жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии - каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду - но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится - нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции - также системы жизнеобеспечения и освещения.

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

- выработка электроэнергии
- хранение электроэнергии
- распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" - то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета - а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

"Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным - если что-либо поломается, чинить будет некому, - говорит Сурампуди. - Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону - более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет".

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях - они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

"Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, - рассказывает специалист. - А при посадке на Юпитер температура будет минус 150".

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона - всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них - это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.


Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод - к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными - хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур - это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе - а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 - этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы - особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества - в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

"Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, - говорит Сурампуди. - В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле".

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

"Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос", - объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния - но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс - и еще дальше.