Падающие звезды могут сбивать спутники
Star Track: автор с портативным импульсным генератором Los Alamos, который излучает УКВ-сигналы, которые могут обнаруживать спутники.
Фото: Чип Саймонс
В августе 1993 г. У экспериментального спутника Olympus 1 Европейского космического агентства возникли проблемы. Ежегодный метеорный поток Персеиды, особенно сильный в тот год, только начинался. Обычно, получив достаточное предупреждение об интенсивной метеорной активности, спутники могут включить свою защиту: они могут, например, защитить себя от приближающихся снарядов, ориентируя свои солнечные панели для защиты от атак, как щиты. Но Olympus 1 оказался в невыгодном положении. Предыдущий несчастный случай отключил способность спутника перемещать свои солнечные батареи, оставив его беззащитным.Вскоре прилетевшая частица Персеид нарушила стабильность гироскопа «Олимпа», из-за чего спутник начал бешено вращаться. Попытки восстановить контроль израсходовали большую часть топлива корабля, в результате чего спутнику стоимостью 850 миллионов долларов США едва хватило, чтобы вывести себя на орбиту кладбища, где он не мог ни поразить другие спутники, ни сделать что-либо полезное. Olympus 1, скорее всего, останется там навсегда, холодным и преждевременно мёртвым.
В 2009 году Landsat 5, спутник, которым совместно управляют НАСА и Геологическая служба США, также начал выходить из-под контроля, опять же во время августовского пика метеорного потока Персеиды. Далеко внизу, спутниковые системы слежения попытались выяснить, что произошло. Был ли спутник сбит камнем из космоса? Был ли виновником солнечный шторм или столкновение с одним из тысяч обломков на орбите, сброшенных с других космических кораблей или ракет-носителей? Или причина была более тревожной: нападение враждебной нации?
Отказы спутников, подобные этим, обошлись правительствам всего мира в миллиарды долларов. Поэтому может показаться странным, что в нашем понимании того, что может пойти не так в космосе, все еще существуют огромные пробелы. Космические агентства всего мира часто пытаются понять, что происходит, когда какая-то часть оборудования на орбите выходит из строя. Как они могут отличить неисправность, вызванную крошечным камнем, летящим из межпланетного пространства, от заблудшего винта, оставленного на орбите несколько десятилетий назад? И что еще более важно: как инженеры могут должным образом защитить космические корабли от таких снарядов, независимо от их происхождения?
Мы живем в то время, когда отправка людей на Марс начинает казаться реальной возможностью, Китай объявил о своих планах создать лунную базу к 2030 году, а солдаты в полевых условиях зависят от спутников GPS. И это не говоря уже о простых горожанах, которым трудно жить без того, что дают спутники: дальней связи, многих развлечений и помощи в навигации по городу.Поэтому многие из нас в сообществе космических наук возобновляют свои усилия, чтобы понять бесчисленное множество естественных и искусственных опасностей, с которыми постоянно сталкиваются космические корабли.
Через 53 года отправки оборудования в космос планета Земля накопила толстую мантию космического мусора. Мы можем отслеживать около 20 000 объектов, хотя по оценкам, учитывающим объекты диаметром менее 10 сантиметров, общее число приближается к 600 000. Когда спутник сталкивается с объектом в этом поясе, при столкновении спутник может расколоться на множество осколков, которые затем добавляются к накапливающемуся мусору. А поскольку спутник был уничтожен или выведен из строя, возникает необходимость отправить замену, что увеличивает вероятность появления большего количества мусора в дальнейшем.
Разработчики спутников могут создавать экраны, которые достаточно хорошо защищают от ударов мелких частиц космического мусора. И спутниковые операторы обычно могут отслеживать и избегать больших фрагментов, хотя иногда этот процесс не проходит так гладко. В прошлом году оба космических челнока Открытие и Международная космическая станция должна была предпринять быстрые действия по уклонению, чтобы уклониться от одного особенно коварного объекта. А в феврале 2009 года российский космический спутник «Космос-2251» столкнулся со спутником Iridium Communications, что вряд ли стало последним подобным происшествием. Такие инциденты побудили операторов космических полетов ввести термин «космическая ситуационная осведомленность». Это признание того, что вам нужно видеть и понимать, что происходит в космосе. Растущее внимание к космической ситуационной осведомленности происходит отчасти из-за огромного количества спутников, которые сейчас находятся на орбите, и отчасти из-за уязвимости, присущей переполненным, загруженным трассам околоземного космоса.
Вдобавок к этим опасениям китайские противоспутниковые испытания 2007 года показали, что даже этот новичок в космической гонке способен уничтожить цель на низкой орбите с помощью ракеты наземного базирования.Еще одним поводом для беспокойства является растущая популярность небольших спутников, часто называемых микроспутниками или наноспутниками (названия, не отражающие их реального размера), которые обычно имеют размер в несколько сантиметров. Поскольку эти объекты трудно отслеживать и удерживать на их надлежащих орбитах, они создают головную боль для людей, чья работа заключается в каталогизации всего, что вращается вокруг Земли.
В Соединенных Штатах ВВС и НАСА финансируют большую часть фундаментальных исследований по снижению угрозы столкновения в космосе. Обе организации явно заинтересованы в возможности путешествовать в космосе или выводить полезные объекты на орбиту.
я работал с Биллом Куком в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА и с исследователями в Управлении научных исследований ВВС на протяжении всей моей карьеры, сначала когда я проводил исследования в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, а затем в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, где моя команда занималась поиском наземных электромагнитных импульсов с помощью радиочастотных датчиков LANL, а сейчас работает доцентом в Стэнфордском университете. Все это время моя работа заключалась в том, чтобы узнавать об опасностях для космических кораблей. Я пытаюсь понять многие сложности, которые могут привести к провалу спутниковой миссии, включая столкновения с орбитальным мусором, молнией и солнечными вспышками. Однако основное внимание я уделяю метеороидам, которые представляют собой твердые внеземные тела меньше валуна, но крупнее пылинки.
В период с 1992 по 2002 год космические челноки 50 раз проверяли на наличие повреждений от метеоритов и обломков.
Инженеры-спутники много сделали для смягчения космических опасностей, создав, среди прочего, бампер Уиппла, своего рода противоударный щит на сверхвысокой скорости, который был максимально легким. Можно догадаться, что наибольшую угрозу представляют собой относительно громоздкие объекты, составляющие космический мусор, которые на низкой околоземной орбите больше и многочисленнее, чем типичные метеороиды. Но метеороиды компенсируют свой небольшой размер высокой скоростью.Они, как правило, движутся со скоростью от 12 до 72 километров в секунду при входе в атмосферу Земли и могут легче проникать через экран, чем сравнительно медлительный кусок космического мусора. Щит Уиппла может защитить спутник от космического мусора, летящего со скоростью до 18 км/с, но он не может сравниться с более быстрыми метеороидами.
Учитывая опасность, которую они представляют, просто шокирует то, как много остается неизвестного о метеороидах. По иронии судьбы, лучше всего о них можно понять, как они действуют, когда погружаются в атмосферу и становятся видимыми, когда они больше не представляют угрозы для космического корабля.
Каждый день более 100 миллиардов метеорных тел крупнее одного микрограмма входят в атмосферу Земли, путешествуя со скоростью более 11 км/с. К тому времени, как они пробились сквозь ионосферу (плазму, которая простирается на высоте от 70 до 1000 км над поверхностью Земли, ее высота зависит от таких факторов, как солнечный цикл и время суток), подавляющее большинство метеороидов было уничтожено до основания. трением сгущающейся атмосферы вокруг них. Когда масса удаляется, она расходится за ядром, образуя длинный светящийся хвост плазмы. Эти быстро движущиеся вспышки света обычно называют падающими звездами, хотя правильный термин — метеор.
Метеоритный дождь возникает, когда Земля проходит через орбиту кометных частиц. Ливень назван в честь созвездия, из которого он исходит. Персеиды исходят из созвездия Персея, Леониды — из созвездия Льва. Спутниковые операторы хорошо знакомы с этими периодическими обстрелами, и по большей части они знают, как защитить свои ценные космические активы.
Хотя было бы невозможно защитить спутник от булыжника приличного размера, движущегося со скоростью много километров в секунду, такие вещи слишком редки, чтобы вызывать серьезное беспокойство. Угрозу представляют действительно маленькие метеороиды — менее 0,05 миллиметра в диаметре, — которых существует в гораздо большем количестве.Эти межпланетные мухи недостаточно велики, чтобы вспышки в атмосфере были видны невооруженным глазом; они настолько малы, что конструкторы космических кораблей обычно не считают их большой угрозой. Но для спутников они могут быть смертельными. Ущерб, наносимый этими крошечными зернами, частично исходит непосредственно от отверстий, которые они делают. Хотя у них небольшая масса, они могут двигаться чрезвычайно быстро. Таким образом, даже бесконечно малые метеороиды могут нанести значительный урон.
Насколько быстро движутся эти метеороиды, остается загадкой. Долгое время ученые просто предполагали, что преобладающая популяция субмиллиграммовых метеороидов движется со скоростью около 20 км/с. Но недавние данные, собранные на мощных радиолокационных объектах с большой апертурой (таких как обсерватория Аресибо, Научная ассоциация EISCAT, радиообсерватория Хикамарка и радар дальнего действия ARPA или ALTAIR), позволяют предположить, что типичная скорость метеорных тел меньше 50 микрометров ближе к 60 км/с. Это довольно большая поправка.
Мы также узнали, что масса метеороида, а также его состав частично зависят от того, откуда он прилетел. Преобладающее мнение состоит в том, что ни один из этих материалов не происходит из-за пределов нашей Солнечной системы, но я и другие недавно проделали работу, которая бросает вызов этому давнему убеждению. Хотя наш вывод вызывает споры, мы думаем, что по крайней мере 4 процента могут быть получены из межзвездного пространства, из-за взрывающихся звезд, которые создают пульсары, и из других экзотических мест, таких как покрытая пылью звезда Бета Живописца, находящаяся в 63,4 световых годах от нашей Солнечной системы. Это впечатляюще далекое происхождение маленького кусочка материи, который легко может пробить дыру в спутнике стоимостью в миллиард долларов. Межзвездные метеороиды быстрее, чем самые быстрые метеороиды из Солнечной системы, и входят в атмосферу Земли со скоростью, намного превышающей даже 72,8 км/с, которые большинство ученых в настоящее время определяют как предел для метеороидов, происходящих за пределами нашей Солнечной системы.
Один из способов изучения метеороидов — наблюдать, как они меняют ориентацию спутников, с которыми сталкиваются. Ученые могут использовать этот простой метод для обнаружения столкновений метеороидов, потому что угловой момент объекта на орбите не меняется без причины. Если скорость спутника меняется (и если исключаются другие переменные, такие как гравитация, световое давление и атмосферное сопротивление), единственный логический вывод состоит в том, что что-то ударило его. Этот метод легко применить с ALTAIR, потому что этот радар может определять скорость с предельной точностью. Но даже в этом случае невозможно отличить столкновение спутника с большим куском относительно медленно движущегося космического мусора от столкновения с небольшим, но быстрым метеороидом. Оба могут придать точно такое же изменение импульса.
Крайне необходим лучший способ отличить метеороиды от космического мусора, а также различать разные виды метеороидов. Техника, которая могла бы сделать это, также помогла бы решить другую связанную с этим проблему: невозможность определить разницу между естественными явлениями в нашей собственной ионосфере и искусственными артефактами, такими как ракеты-носители. Я и многие другие ученые-космонавты верим, что хороший подход состоит в том, чтобы попытаться измерить размер и скорость всех этих космических обломков, внимательно изучив плазменные следы, которые эти объекты оставляют при столкновении с атмосферой. С ALTAIR это довольно простое упражнение, потому что плазма очень хорошо отражает радиоволны. Конечно, вам нужно смоделировать движения объекта, когда он сгорает, чтобы вычислить, с какой скоростью он двигался в первую очередь. Но если вы сделаете это правильно, вы также сможете вычислить его массу, плотность и радиус. Этот метод, безусловно, лучше, чем просто измерение импульса, передаваемого спутникам при ударе по ним. Но лучшей стратегией из всех было бы наблюдение за ударами метеороидов вблизи с выгодной точки в космосе.
С этой целью я сотрудничаю с Эндрю Калманом в Стэнфорде, чтобы разработать спутник под названием MEDUSSA, что означает обнаружение метеороидов и энергии для понимания космической ситуационной осведомленности. Если он будет построен и запущен, как я надеюсь, спутник MEDUSSA сможет точно изучить, что происходит, когда в него врезаются микрометеороиды и энергетические частицы.
Обладая этой информацией, инженеры смогут лучше проектировать спутники, чтобы противостоять ударным повреждениям. Конечно, по-прежнему будут столкновения с метеороидами и орбитальным мусором, которые загадочным образом уничтожают космические корабли, точно так же, как случаются катастрофы с самолетами, которые не поддаются объяснению. Но MEDUSSA, безусловно, поможет. И я ожидаю, что однажды в будущем каждый спутник, который будет запущен, будет содержать автономный блок, который будет определять удары и сообщать об их последствиях, даже если они достаточно экстремальны, чтобы вывести из строя остальную часть спутника. Думайте об этом как о спутниковом «черном ящике». Может быть, тогда мы получим хорошее представление обо всех неожиданных вещах, которые могут пойти не так в космосе.
Эта статья была бы невозможна без неоценимого вклада Стэна Грина.
Эта статья первоначально появилась в печати под названием «Космические захватчики».
об авторе
Сигрид Клоуз впервые согласилась написать «Космические захватчики» почти три года назад, когда она, как исследователь Лос-Аламосской национальной лаборатории, была представлена для нашего выпуска «Работа мечты» за 2008 год. Но после того, как этот выпуск попал на трибуны, ее карьера стала ядерной: она получила штатную должность в Стэнфорде и, среди прочего, снялась в готовящемся реалити-шоу под названием «Охотник за астероидами». Когда пыль улеглась, у Клоуз наконец-то появилось время написать о своей страсти: космической пыли, способной уничтожить целые спутники.
Из статей вашего сайта
- Звездопад: в поисках метеорита с помощью дронов и ИИ ›
