Проблемные вопросы утилизации Международной космической станции

Размещено на http: //www. allbest. ru/

РАК им. К.Э. Циолковского Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова Росгидромета

Проблемные вопросы утилизации Международной космической станции

Алпатов, к.т.н., И.Ф. Крестников, академик

Резюме

В статье рассматриваются проблемные вопросы «космического мусора», связанные с безопасностью утилизации (увода с орбиты) крупных космических объектов. Приводятся примеры неуправляемого падения и управляемых спусков с орбиты космических станций. Актуальной проблема становится в связи с резким увеличением массы этих космических объектов.

Ключевые слова: околоземное космическое пространство (ОКП), загрязнение ОКП, объект искусственного происхождения, ракетно-космическая техника, космический аппарат, космическая станция, «космический мусор», утилизация, солнечная активность.

Проблемой засорённости околоземного космического пространства (ОКП) российские ученые начали заниматься позже специалистов США и Западной Европы, но смогли создать более эффективные методики решения комплекса задач анализа и прогноза обстановки. Например, на Западе для оценки концентрации объектов искусственного происхождения (ОИП) и расчета вероятности их столкновения широко применяется численный подход, основанный на поштучном анализе каталогизированных ОИП с затратами машинного времени составляют при этом десятки и сотни часов. В России на основе развития нового направления механики -- статистической механики ансамбля космических аппаратов -- созданы методы решения комплекса задач анализа и прогноза обстановки в ОКП, которые, будучи реализованы в виде модели на обычном персональном компьютере, решают широкий круг задач за 5-10 минут.

Из всего перечня объектов, составляющих так называемый «космический мусор», активные космические аппараты (КА) составляют в среднем только 6% от всех достаточно крупных объектов искусственного происхождения. До 20% в группировке «космического мусора» составляют неактивные (пассивные) КА, которые отработали свой срок и не были уведены из ОКП [1]. загрязнение околоземный космический утилизация

И, если неуправляемый сход с орбиты КА малой массы не грозит серьёзными неприятностями, то падение модулей космических станций массой более 20 т может быть проблемой.

Любое изделие ракетно-космической техники (РКТ) имеет объективные сроки эксплуатации. Фактический срок эксплуатации, как правило, превышает первоначальный гарантийный срок, выданный разработчиком и изготовителем изделия. Бесконечно продлять срок эксплуатации даже таких уникальных изделий РКТ как пилотируемые космические станции невозможно. Поэтому рано или поздно встает вопрос, что делать с таким объектом после окончания программы пилотируемых полетов к нему.

Первый элемент Международной космической станции (МКС) -- функционально-грузовой блок «Заря» -- Россия вывела на орбиту 20 ноября 1998 года. Ей предшествовали семь станций серии «Салют» (1971-1991), одна американская космическая станция «Скайлэб» (1973-1979) и первая многомодульная космическая станция «Мир» (1986-2001).

Меньшая по размерам, но аналогичная по функциям советским космическим станциям первого поколения, «Тяньгун-1» была запущена Китаем в 2011 г., второй «небесный дворец» -- так переводится название китайских станций -- «Тянь- гун-2» вывели на орбиту в 2016 г., а первую свою модульную станцию Китай планирует собрать на орбите к 2022 году.

Рассмотрим историю запуска, полёта и схода с орбиты космических станций.

Космическая станция «Скайлэб». «Скайлэб» -- первая и единственная национальная орбитальная станция США, предназначенная для технологических, астрофизических, медико-биологических исследований, а также для наблюдения Земли. Запуск был произведён ракетой-носителем «Сатурн-5» 14 мая 1973 г. Первоначальная высота орбиты -- 435 км, скорость на орбите -- 7,77 км/с; размеры: длина -- 24,6 м, максимальный диаметр -- 6,6 м; масса -- 77 т, суммарный внутренний объём цилиндра станции -- 352 м3.

После эпохального полета «Союз--Аполлон» предлагалось создать совместный орбитальный комплекс «Скайлэб--Салют». По массогабаритным параметрам, в том числе и полезному объему, «Скайлэб» в разы превышала советские орбитальные станции. Но приняла она всего три экспедиции -- первая из них была не столько научной, сколько ремонтной: при выведении станции на орбиту с нее сорвало теплозащитный экран, одна солнечная батарея была потеряна, а вторая так и не раскрылась. Больше на «Скайлэб» американцы не летали, а в связи с прекращением производства» ракеты «Сатурн-5», которая вывела станцию на орбиту, новых станций Штаты не запускали. Потом накопленный опыт реализовали при строительстве МКС, которая вобрала в себя все достижения советской и российской космонавтики за то время.

Таким образом после трех экспедиций станцию законсервировали. Планировали отправить и четвертую, чтобы поднять станцию на большую высоту, но в NASA посчитали, что до начала 80-х гг. «Скайлэб» все-таки продержится на своей орбите (440 км), хотя собственных двигателей у станции не было (полеты шаттлов начались только с 1981 г.) Существовали планы запуска к ней корабля МТТК «Спейс Шаттл», который доставил бы дистанционно управляемый разгонный блок (РБ) со стыковочным узлом и системой телеуправления. Пристыкованный РБ поднял бы станцию на высокую, безопасную орбиту, но повышение солнечной активности в 1978-1979 гг. вызвало «распухание» земной атмосферы, что и приблизило конец существования орбитальной станции. Второй вариант заключался в отправке беспилотного модуля с двигателем, который бы поднял орбиту станции. Для его сборки на орбите требовалось два запуска.

В 1976 г. специалисты NORAD рассчитали, что станция войдет в атмосферу уже к середине 1979 года. Кроме того, появился проект строительства новой станции «Freedom», и «Скайлэб» решили не спасать. 11 июля 1979 г. станция вошла в плотные слои атмосферы над Индийским океаном [2, 3]. Центр управления полётом сориентировал станцию на вход в атмосферу в 16:37 по Гринвичу 11 июля 1979 г. Районом затопления станции предполагалась точка в 1300 км южнее Кейптауна, ЮАР. Однако ошибка в расчетах в пределах 4% и тот факт, что станция разрушалась медленнее, чем предполагалось, привели к смещению точки падения несгоревших обломков. Большинство несгоревших обломков утонуло в Индийском океане, часть пролетела над западным побережьем Австралии южнее г. Перт в районе г. Эсперансо и упала недалеко от г. Балладонии в 160 км от берега (рис. 1). Самый крупный из найденных обломков имел размер около 2 м [4].

Рис. 1 Схема падения станции «Скайлэб»

Космическая станция «Салют-7». «Салют-7» был формально одномодульной станцией. Но уже ее предшественницу -- орбитальную станцию «Салют-6» -- впервые оснастили двумя стыковочными узлами. Теперь же один из стыковочных узлов был усилен для приема автоматических транспортных кораблей снабжения (ТКС), которые при этом могли использоваться в качестве модулей. В связке с одним из таких станция и погибла спустя несколько лет. Шестой и седьмой «Салюты» относились к орбитальным станциям второго поколения. Можно сказать, что «Салют-7» стояла на границе между одномодульными и многомодульными станциями.

Длина базового блока станции составляла 14,4 м, а максимальный диаметр -- 4,15 м. Общий герметичный объем станции -- 82,5 м3, масса -- 19,824 т, размах панелей солнечных батарей --16,5 м, а их площадь -- 60 м2.

Со станцией «Салют-7» сложилась ситуация, похожая на ситуацию со станцией «Скайлэб» [2]. В августе 1986г. после окончания активной эксплуатации ее перевели на более высокую орбиту (474-492 км). Рассчитывали, что она просуществует на такой орбите не менее 8 лет. При этом предполагалось, что в очередном 22-м цикле солнечной активности прогнозируемые значения ее уровня, влияющие на плотность верхних слоев атмосферы, не превысит 140±30 потоковых единиц (характеристика интенсивности солнечного радиоизлучения), и его максимум будет в 19901992 годах.

Сначала снижение орбиты станции соответствовало расчетному. Однако уже в 1988 г. фактический уровень солнечной активности превысил 200 потоковых единиц, что привело к резкому возрастанию плотности верхних слоев атмосферы (в 4-5 раз). В результате 40-тонная станция (в ее состав входил транспортный корабль снабжения «Космос-1686» -- прототип базового блока и модулей космической станции «Мир», а также функционально-грузового блока и служебного модуля МКС) стала снижаться существенно быстрее, чем ожидалось.

4 февраля 1991 г. с использованием остатков топлива станция была сориентирована продольной осью по вектору скорости. Это позволило сместить заключительные витки полета в зону действия наземных измерительных пунктов, расположенных на территории СССР, что в свою очередь дало возможность повысить достоверность прогнозирования параметров орбиты и точность определения района падения станции. Орбитальный комплекс «Салют-7»-«Космос-1886» прекратил свое существование 7 февраля 1991г., войдя в плотные слои атмосферы над Южной Америкой в точке с координатами 34,9° ю.ш. и 63,8° з.д. Несгоревшие фрагменты станции упали в южных районах Аргентины.

Комическая станция «Мир». «Мир» -- советско-российская пилотируемая научно-исследовательская орбитальная станция, функционировавшая в околоземном космическом пространстве с 20 февраля 1986 г. по 23 марта 2001 года. Базовый блок был выведен на орбиту ракетой-носителем «Протон». Первая многомодульная обитаемая орбитальная станция. Первоначальная высота орбиты -- 358 км, скорость на орбите -- 7,69 км/с.

Станция эта стала восьмой в серии советских долговременных орбитальных станций «Салют», которые выполняли как исследовательские, так и оборонные задачи. Первый «Салют» стартовал в 1971 г. и проработал на орбите полгода; довольно удачными получились запуски станций «Салют-4» (около 2 лет работы) и «Салют-7» (1982-1991). «Салют-9» сегодня работает в составе МКС. Но самой известной и, без преувеличения, легендарной, стала станция третьего поколения «Салют-8», прославившаяся под именем «Мир».

Базовый модуль станции «Мир» был отправлен на орбиту 20 февраля 1986 г. ракетой-носителем «Протон» и по габаритам, и по конструкции он во многом повторяет предыдущие станции «Салют». Спустя годы, когда станция была дооснащена дополнительными модулями, вместе с парой пристыкованных кораблей вес ее превысил 136 т, суммарный объём гермоотсеков -- 400 м3, а длина по наибольшему измерению -- почти 40 м. Конструкция «Мира» организована именно вокруг этого базового блока с шестью стыковочными узлами -- это и дает принцип модульности, реализованный и на современной МКС и позволяющий собирать на орбите станции довольно внушительных размеров. Вслед за выводом в космос базового блока «Мира» к нему были подсоединены 5 дополнительных модулей и один дополнительный усовершенствованный стыковочный отсек (рис. 2).

Астрофизический модуль «Квант» появился на «Мире» 9 апреля 1987 г. Масса модуля: 11,05 т. 19-тонный модуль дооснащения «Квант-2» был пристыкован 6 декабря 1989 г. Большой стыковочно-технологический модуль «Кристалл» (вес -- почти 19 т) присоединен к станции в 1990 г. Геофизический модуль «Спектр» был пристыкован в 1995 г. и вел экологический мониторинг Земли, ее атмосферы, поверхности суши и океана. Это цельная капсула довольно внушительных размеров и массой 17 т. Небольшой дополнительный стыковочный модуль был установлен в том же 1995 г. специально для того, чтобы на «Мир» могли наносить визиты американские шаттлы, и адаптирован под соответствующие стандарты. Последний по порядку выведения 18,6-тонный научный модуль «Природа».

Станция «Мир», изначально рассчитанная приблизительно на 5 лет работы, пробыла в космосе 15 лет. Однако состояние станции ухудшалось с каждым годом, и к 1997 г. время, необходимое на ремонтно-восстановительные работы, превысило уже в два с половиной раза время, затраченное на научные эксперименты. В 2000 г., по мнению экспертов, станция подошла к тому моменту, когда абсолютно любая из систем могла выйти из строя в любой момент. К этому моменту «Мир» находился на орбите на расстоянии менее чем в 250 км от поверхности Земли, поэтому остро встал вопрос о прекращении её эксплуатации.

Затоплению станции «Мир» предшествовало много спекуляций и нереализуемых предложений [5-7] о возможности продолжения полета станции.

Рис. 2 «Мир» на вершине своего развития: базовый модуль и 6 дополнительных

Однако по результатам объективного анализа состояния бортовых систем элементов орбитального комплекса (в первую очередь, базового блока, запущенного в 1986 г.) продление сроков эксплуатации комплекса требовало таких финансовых затрат, которые не могли быть гарантировано выделены из бюджета. Согласно официальному заявлению директора Российского космического агентства Юрия Коптева, причинами принятия решения о затоплении станции стали начавшийся необратимый процесс разрушения после серии технических поломок и слишком высокая стоимость обслуживания (по разным оценкам, от 70 до 200 млн долл. в год). Россия отказалась от дальнейшей эксплуатации станции «Мир» в пользу развития своего сегмента на МКС.

Первый и пока единственный опыт полностью успешного управляемого свода с околоземной орбиты был получен во время прекращения существования орбитальной станции «Мир» [8]. Затоплению комплекса «Мир» предшествовала целая серия подготовительных операций. Вначале было проведено построение ориентации комплекса для обеспечения полного заряда буферных аккумуляторных батарей станции и грузового корабля «Прогресс М1-5», который должен был выдать 3 больших тормозных импульса с помощью своих двигателей.

Затопление станции прошло в три этапа: первым этапом было снижение орбиты до 220 км под воздействием тормозного импульса грузового корабля «Прогресс М1-5»; вторым этапом стал перевод станции на высоту 165 км с помощью двух тормозных импульсов «Прогресса» в 3:32 по московскому времени и 5:01 по московскому времени; третий этап заключался в последнем торможении двигателями «Прогресса» в 8:08 по московскому времени, которое продолжалось 22 минуты. В 8:39 станция начала разрушаться, находясь над районом Маршалловых островов, а в 8:44 она вошла в плотные слои атмосферы, снизившись до высоты менее 100 км (в районе г. Нанди над территорией островов Фиджи). Вокруг оболочки «Мира» образовалась горячая плазма. На высоте около 100 км начался основной процесс разрушения станции: первыми деформировались панели солнечных батарей и выносные антенны. На высоте 80 км от станции оторвались деформированные солнечные батареи, а на высоте 60 км произошло разрушение станции, которая распалась на несколько частей. Горящие обломки станции можно было видеть с территории Австралии, Новой Зеландии, Чили и Фиджи. Последними, кто отследил путь падения остатков «Мира», стали военнослужащие Армии США, располагавшиеся на атолле Кваджалейн. Траекторию падения станции также отслеживали представители Минобороны Германии и НАСА.

Затопление произошло в 9:01 по московскому времени в южной части Тихого океана на закрытом для судоходства кладбище космических кораблей.

Координаты центральной точки падения -- 40° ю.ш. 160° з. д., примерно в 1500 км к юго-западу от расчётной точки. Траектория входа в атмосферу оказалась несколько круче расчетной, но в пределах допуска. Телекомпании всех стран мира в прямом эфире передавали уникальные кадры. По местному тихоокеанскому времени процесс затопления длился с 16:20 по 20:29. Наиболее массивные и тугоплавкие, а также самые лёгкие фрагменты станции достигли поверхности Земли. Согласно официальному заявлению, несгоревшие части станции затонули в 5:59:24 по Гринвичу (8:59:24 по московскому времени) в несудоходном районе Тихого океана, между Новой Зеландией и Чили (рис. 3). В результате операции никто не пострадал, хотя в некоторых странах тихоокеанского региона власти рекомендовали людям не выходить из своих домов в момент падения обломков. Несмотря на уверения Центра управления полётами о просчитанной траектории падения станции, власти многих стран Тихоокеанского региона призвали граждан не покидать свои дома в момент падения обломков: предполагалось, что крупные обломки могут не сгореть в атмосфере и упасть на сушу. Росавиакосмос предусмотрел все возможные сценарии развития событий и предложил всем третьим лицам, которым будет нанесён ущерб от падения станции, страховку в размере 200 млн долл. США.

Рис. 3 Траектория полёта станции и место затопления

Процесс затопления осуществлялся под контролем специалистов из российского Центра управления полётами (ЦУП, г. Королёв) во главе с космонавтом Владимиром Соловьёвым, участвовавшим в первой экспедиции на станцию, и Европейского центра управления космическими полётами (г. Дармштадт, Германия). В обоих залах московского ЦУП располагались около 600 представителей более 100 российских и зарубежных СМИ, а также 100 дипломатов, наблюдавших за ходом операции по затоплению. Путём телеконференции вся информация из российского ЦУП поступала как представителям Европейского космического агентства, так и непосредственно сотрудникам Европейского центра управления космическими полётами. Наблюдение за сведением станции «Мир» с орбиты велось в девяти отдельных командно-измерительных комплексах ВКС РФ. Также для контроля сведения станции с орбиты была задействована специальная навигационная программа, которая моделировала движение станции и вид из телекамеры, направленной в сторону Земли. На одном из компьютеров ЦУПа сравнивались вид с телекамеры модели станции с тем, что отображалось с телекамеры «Мира». При совпадении видов сотрудники ЦУПа сразу же принимали решение о включении двигателей.

Международная космическая станция

17 июня 1992 г. Россия и США заключили соглашение о сотрудничестве в исследовании космоса. В соответствии с ним Российское космическое агентство (РКА) и НАСА разработали совместную программу «Мир - Шаттл». Эта программа предусматривала полёты американских многоразовых кораблей «Спейс Шаттл» к российской космической станции «Мир», включение российских космонавтов в экипажи американских шаттлов и американских астронавтов в экипажи кораблей «Союз» и станции «Мир». В ходе реализации программы «Мир - Шаттл» родилась идея объединения национальных программ создания орбитальных станций. В марте 1993 г. гендиректор РКА Юрий Коптев и генконструктор НПО «Энергия» Юрий Семёнов предложили руководителю НАСА Дэниелу Голдину создать Международную космическую станцию.

2 сентября 1993 г. вице-президент США Альберт Гор и Председатель Совета Министров РФ Виктор Черномырдин объявили о новом проекте «подлинно международной космической станции». С этого момента официальным названием станции стало «Международная космическая станция» (МКС), хотя параллельно использовалось и неофициальное -- космическая станция «Альфа». 1 ноября 1993 г. РКА и НАСА подписали «Детальный план работ по Международной космической станции». 23 июня 1994 г. Ю. Коптев и Д. Голдин подписали в Вашингтоне «Временное соглашение по проведению работ, ведущих к российскому партнёрству в Постоянной пилотируемой гражданской космической станции», в рамках которого Россия официально подключилась к работам над МКС. В ноябре 1994 г. в Москве состоялись первые консультации российского и американского космических агентств; были заключены контракты с фирмами-участницами проекта -- «Боинг» и РКК «Энергия».

20 ноября 1998 г. Россия вывела на орбиту первый элемент МКС -- функционально-грузовой блок «Заря» (ФГБ). Запуск был произведён при помощи ракеты «Протон-К». 7 декабря 1998 г. шаттл «Индевор» пристыковал к модулю «Заря» американский модуль «Юнити». 10 декабря 1998 г. был открыт люк в модуль «Юнити», и Роберт Кабана и Сергей Крикалёв, как представители США и России, вошли внутрь станции.

26 июля 2000 г. к функционально-грузовому блоку «Заря» был пристыкован служебный модуль (СМ) «Звезда». 2 ноября 2000 г. транспортный пилотируемый корабль (ТПК) «Союз ТМ-31» доставил на борт МКС экипаж первой основной экспедиции. 7 февраля 2001 г. экипажем шаттла «Атлантис» в ходе миссии STS-98 к модулю «Юнити» присоединён американский научный модуль «Дестини».

Стартовавший 9 сентября 2006 г. американский челнок «Атлантис» доставил на МКС два сегмента ферменных конструкций МКС, две панели солнечных батарей, а также радиаторы системы терморегулирования американского сегмента.

23 октября 2007 г. на борту шаттла «Дискаве- ри» прибыл американский модуль «Гармония», его временно пристыковали к модулю «Юнити». После перестыковки 14 ноября 2007 модуль «Гармония» был на постоянной основе соединён с модулем «Дестини». Построение основного американского сегмента МКС завершилось.

В 2008 г. станция увеличилась на две лаборатории: 11 февраля был пристыкован модуль «Коламбус», созданный по заказу Европейского космического агентства, а 14 марта и 4 июня были пристыкованы два из трёх основных отсеков лабораторного модуля «Кибо», разработанного Японским агентством аэрокосмических исследований -- герметичная секция «Экспериментального грузового отсека» (ELM PS) и герметичный отсек (PM).

12 ноября 2009 г. к станции пристыкован малый исследовательский модуль МИМ-2, разработанный на базе стыковочного узла «Пирс» и незадолго до запуска получивший название «Поиск». Это был четвёртый модуль российского сегмента станции. Возможности модуля позволяют производить на нём некоторые научные эксперименты, а также одновременно выполнять функцию причала для российских кораблей.

18 мая 2010 года к МКС был успешно пристыкован российский малый исследовательский модуль «Рассвет» (МИМ-1). Операция по пристыковке «Рассвета» к российскому функционально-грузовому блоку «Заря» была осуществлена манипулятором американского космического челнока «Атлантис», а затем манипулятором МКС.

16 апреля 2016 г. к МКС (к модулю «Транкви- лити») был пристыкован модуль BEAM. Модуль используется для проведения экспериментов по измерению уровня радиации и воздействия микрочастиц.

МКС используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс; эксплуатируется с конца 1998 г. по настоящее время (странами согласована эксплуатация по 2024 г. включительно). МКС -- совместный международный проект, в котором участвуют 14 стран: США, Россия, Япония,

Канада и входящие в Европейское космическое агентство Бельгия, Германия, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Франция, Швейцария, Швеция (первоначально в составе участников были Бразилия и Великобритания).

В основу устройства станции заложен модульный принцип. Сборка МКС происходит путём последовательного добавления к комплексу очередного модуля или блока, который соединяется с уже доставленным на орбиту.

На 2018 г. в состав МКС входит 15 основных модулей: российские -- «Заря», «Звезда», «Пирс», «Поиск», «Рассвет»; американские -- «Юнити», «Дестини», «Квест», «Гармония», «Транквилити», «Купол», «Леонардо»; европейский «Коламбус»; японский «Кибо» (состоящий из двух частей); а также экспериментальный модуль «BEAM». Расположение модулей относительно друг друга часто меняется. Расположение компонентов станции, планируемое к окончанию строительства, можно увидеть на рис. 4.

На схеме изображены:

— «Заря» -- функционально-грузовой модуль «Заря», первый из доставленных на орбиту модулей МКС (масса модуля -- 20 т, длина -- 12,6 м, диаметр -- 4 м, объём -- 80 м3); оборудован реактивными двигателями для коррекции орбиты станции и большими солнечными батареями;

— «Звезда» -- служебный модуль «Звезда», в котором располагаются системы управления полётом, системы жизнеобеспечения, энергетический и информационный центр, а также каюты для космонавтов; масса модуля -- 24 т;

— МИМ-1 и МИМ-2 -- малые исследовательские модули, два российских грузовых модуля «Поиск» и «Рассвет»;

— гермоадаптер (PMA) -- герметичный стыковочный переходник, предназначенный для соединения между собой модулей МКС;

— «Транквилити» -- модуль МКС, выполняющий функции жизнеобеспечения;

— «Юнити» -- первый из трёх соединительных модулей МКС, выполняющий роль стыковочного узла и коммутатора электроэнергии для модулей «Квест», «Нод-3», фермы Z1 и стыкующихся к нему через гермоадаптер-3 транспортных кораблей;

— «Пирс» -- порт причаливания, предназначенный для осуществления стыковок российских кораблей «Прогресс» и «Союз»; установлен на модуле «Звезда»;

— фермы -- объединённая ферменная структура с солнечными батареями, панелями радиаторов и дистанционными манипуляторами;

— внешние складские платформы (ESP);

— транспортно-складские палеты (ELC) -- четыре негерметичные платформы, закреплённые на фермах 3 и 4;

— «Канадарм2», или «Мобильная обслуживающая система» -- канадская система дистанционных манипуляторов;

— «Декстр» -- канадская система из двух дистанционных манипуляторов

— «Квест» -- специализированный шлюзовой модуль;

— «Гармония» -- соединительный модуль, выполняющий роль стыковочного узла и коммута-

тора электроэнергии для трёх научных лабораторий и стыкующихся к нему через гермоадаптер-2 транспортных кораблей;

— «Коламбус» -- европейский лабораторный модуль, в котором, помимо научного оборудования, установлены сетевые коммутаторы (хабы), обеспечивающие связь между компьютерным оборудованием станции (пристыкован к модулю «Гармония»);

— «Дестини» -- американский лабораторный модуль, состыкованный с модулем «Гармония»;

— «Кибо» -- японский лабораторный модуль;

— «Купол» -- прозрачный обзорный купол;

— герметичный многофункциональный модуль (Permanent Multipurpose Module, PMM) -- складское помещение для хранения грузов, пристыкован к модулю «Транквилити» --это один из двух грузовых модулей, периодически доставлявшихся на орбиту шаттлами для дооснащения МКС необходимым научным оборудованием и прочими грузами -- модули «Леонардо» и «Рафаэль», имеющие общее название «Многоцелевой модуль снабжения», стыковались к надирному порту «Юнити», переоборудованный модуль «Леонардо» начиная с марта 2011 г. постоянно входит в число модулей станции);

— международные стыковочные адаптеры (IDA) -- международные стыковочные адаптеры-переходники, предназначенные для преобразования системы стыковки АПАС-95в систему стыковки НАСА (первый присоединен к PMA-2 в 2016 г., второй -- планируется присоединить к PMA-3 в 2019 г.);

— «BEAM» -- экспериментальный развертываемый жилой модуль МКС;

— «Наука» -- российский многофункциональный лабораторный модуль (запуск к 2020 г.), в котором предусмотрены условия для хранения научного оборудования, проведения научных экспериментов, временного проживания экипажа (на модуле будет закреплен Европейский манипулятор ERA и Узловой модуль «Причал»).

Управление МКС осуществляется: российским сегментом -- из ЦУПа в Королёве, американским сегментом -- из ЦУПа и им. Линдона Джонсона в Хьюстоне. Управление лабораторных модулей -- европейского «Коламбус» и японского «Кибо» -- контролируют Центры управления Европейского космического агентства (Оберпфаффенхофен, Германия) и Японского агентства аэрокосмических исследований (г. Цукуба). Между центрами идёт постоянный обмен информацией.

Рис. 4 Структура МКС

В феврале 2010 г. Многосторонний совет по управлению Международной космической станцией подтвердил, что не существует никаких известных на этом этапе технических ограничений на продолжение эксплуатации МКС после 2015 г., а администрация США предусмотрела дальнейшее использование МКС по меньшей мере до 2020 года. НАСА и Роскосмос рассматривали продление этого срока по меньшей мере до 2024 г., с возможным продлением до 2027 г., однако в мае 2014 г. вицепремьер России Дмитрий Рогозин заявил, что Россия не намерена продлевать эксплуатацию Международной космической станции после 2020 года. В 2020 г. к МКС планируется пристыковать российский 25-тонный многофункциональный лабораторный модуль (МЛМ) «Наука». Он встанет на место модуля «Пирс», который будет отстыкован и затоплен. Помимо прочего, новый российский модуль полностью возьмёт на себя функции «Пирса».

После стыковки с МКС модуля «Наука» к российскому сегменту в 2022 г. планируется пристыковать узловой модуль с дополнительными стыковочными узлами, а также научно-энергетический модуль «НЭМ-1» (в 2022 г.), так же ранее планировался модуль «НЭМ-2».

В случае принятия решения об окончании эксплуатации станции планируется сведение её с орбиты. В данное время согласовано финансирование и эксплуатация МКС по 2024 г. включительно, рассматривается дальнейший цикл продления до 2028, 2030 года. Рассматривались предложения отделения в 2024 г. от МКС российского сегмента из трех модулей («лабораторный модуль», узловой модуль, «научно-энергетический модуль») и создание на их базе национальной космической станции.

Станцию, как и другие космические объекты, должны затопить в Тихом океане, выбрав для этого несудоходный район. По предварительным оценкам, несгоревшими останутся около 120 т обломков. Траектория снижения МКС с высоты 400 км состоит из нескольких этапов. Когда она достигнет 270-километровой орбиты, время снижения до поверхности Земли займет примерно месяц. Разделение станции порционно на высотах в 110, 105 и 75 км позволит расширить зону падения обломков до 6 тыс. км. Какие установки будут задействованы для ликвидации МКС пока не определено. Рассматриваются варианты с двигателями модуля «Звезда», либо комбинацией нескольких «Прогрессов».

Масса МКС -- более 417 т, а её внутренний объём -- около 1000 куб. метров пространства. Скорость, с которой МКС движется по своей орбите, составляет около 27 700 км/час.

Высота орбиты МКС постоянно изменяется. За счёт трения о разрежённую атмосферу происходит постепенное торможение и потеря высоты. Все приходящие корабли помогают набрать высоту за счёт своих двигателей. Одно время ограничивались компенсацией снижения. В последнее время высота орбиты неуклонно растёт.

Для того чтобы снизить до минимума влияние атмосферы, станцию надо было поднять до 390-400 км, но на такую высоту не могли подниматься американские шаттлы. Поэтому станция удерживалась на высотах 330-350 км путём периодической коррекции двигателями. В связи с окончанием программы полёта шаттлов, это ограничение снято. 11 июля 2014 г. высота составила в среднем 417 км после поднятия на 1,7 км. Очередная удачная корректировка высоты орбиты станции до средней высоты 405 км выполнена 18 мая 2015 г., после поднятия на 2,8 км. 10 сентября 2016 г., перед приёмом корабля «Союз МС-02», уменьшившаяся со временем орбита была увеличена на 2,2 км до 405,6 км при помощи включения двигателей пристыкованного корабля «Прогресс МС-02»

МКС в настоящее время имеет массу на порядок больше орбитального комплекса «Мир», поэтому проблема её утилизации на порядок сложнее. Здесь имеет значение не только масса МКС, но и её геометрические параметры. Ежели станция «Мир» состояла из жёстко состыкованных равнозначных по массе модулей и их разделение при входе в атмосферу произошло на достаточно небольшой высоте, то схема жёсткости всего конгломерата МКС принципиально отлична и её дефрагментация при входе в плотные слои атмосферы произойдёт гораздо раньше. Это обусловлено в первую очередь большой площадью (миделем, т.е. поперечным сечением) конструкции солнечных батарей. Отделение солнечных батарей безусловно произойдёт на более высокой орбите, что неизбежно увеличит площадь разброса (падения) фрагментов МКС. И ещё не факт, что остатки конструкции солнечных батарей упадут в тот же расчётный район затопления основной конструкции МКС.

Кроме того на ранней дефрагментации МКС скажется её схема. Если в процессе полёта и коррекции орбиты МКС поперечные нагрузки на стыковочные узлы относительно незначительны, то при входе в плотные слои атмосферы они могут увеличиться в разы, что также приведёт к отделению малых модулей от МКС. Безусловно связка модулей «Заря»-«Звезда»-«Юнити», как наиболее жёсткая, сохранится до последнего.

Модули «Заря», «Звезда», «Юнити» находятся в условиях эксплуатации около 20 лет. Ранее их конструкционные материалы на такой длительный срок эксплуатации не испытывались. Старение и ухудшение физических свойств материалов неизбежны. Статическая прочность алюминиевого корпуса модулей из условий ползучести материала также не бесконечна. Например, первичное заключение по статической прочности корпуса базового блока станции «Салют-7» было выдано на 1,5 года, а базового блока станции «Мир» -- на 3 года. Сюда также можно присовокупить увеличение и модификацию микрофлоры в гермоотсеках.

Даже если сроки эксплуатации МКС волевыми решениями будут продляться, то рано или поздно наступит время принятия решения о её затоплении. И к этому времени должна быть разработана схема безопасного затопления МКС. На основе этой схемы должны быть выполнены соответствующие баллистические расчёты и разработан проект затопления МКС (возможна также потребуется и государственная экологическая экспертиза этого проекта).

Заключение

Подъём орбиты Международной космической станции на 1-2 км при существующей её массе уже требует значительных затрат топлива. Выдача тормозных импульсов для сведения МКС с орбиты потребует затрат топлива на 1-1,5 порядка больше. Разделение элементов МКС и их управляемый спуск с орбиты технически невозможны.

Учитывая геометрические размеры МКС и большой мидель (поперечное сечение) фрагментация станции может начаться на большей высоте, чем это было у космической станции «Мир», что приведёт к неизбежному увеличению разброса фрагментов. Поэтому тщательный всесторонний расчёт по заранее утверждённой схеме затопления МКС необходимо начинать уже в ближайшее время.

Литература

1. Bericht Nr. R 8840. Techniche Universitet Braunschweig. Institut fur Raumflugtechnik und Reaktortechnik. Abteilung fur Raumflugtechnik. -- Ing. Dietrich Rex, 1993.

2. Лындин В. Маневры в космосе//Новости космонавтики, 2000. № 2. -- С. 54-55.

3. Марков А. Единственное ограничение// Новости космонавтики, 2004. № 3. -- С.66-71.

4. URL: http://rustoria.ru/post/5-sluchaev-katastroficheskogo-padeniya-kosmicheskih-oblomkov- na-zemlyu/?utm_source=Rambler

5. Кричевский С.В. Экологическая история космической станции «Мир»: краткий анализ // Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова. Годичная научная конференция, 2001 / Отв. ред. В.М. Орел. - М.: ИИЕТ РАН, 2001. - С. 428-432.

6. Кричевский С.В. Урок погибшего «Мира»: о самом дорогом мусоре, «космических» паровозах и граблях, а также об экологических резервах космонавтики // Журнал «Щёлково», 2001. № 2. -- С. 42-43.

7. Кричевский С.В. «Самый дорогой мусор» // Итоги, 2001. № 9.

Коваленко А. Как не стало «Мира»//Новости космонавтики, 2004. № 5. -- С. 66-68

Размещено на Allbest.ru