Почему спутники не сталкиваются: неочевидные факты о космических аппаратах на орбите Земли

По словам ученых, спутников на орбите много, но подсчитать их общее количество непросто. Среди тех, что введены в эксплуатацию, встречаются нерабочие, а также «скрытые», которые нигде не зарегистрированы. Осложняют математику и скопления космического мусора: из-за своих размеров их можно принять за такие устройства.

«По состоянию на 2024 год, вокруг Земли летает около 6 500 действующих аппаратов, а по информации бывшего главы госкорпорации "Роскосмос" Юрия Борисова, в состав российской орбитальной группировки входит 288 объектов», — рассказывает Олег Кустов, кандидат технических наук, доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем Пермского Политеха.

Запуск спутника в космос – сложный процесс, осуществляемый ракетой-носителем. Она состоит из отбрасываемых ступеней, каждая из которых выполняет определенную задачу. Чем выше подъем, тем меньше топлива для дальнейшего разгона нужно. На определенной высоте последняя ступень аккуратно «отпускает» спутник, который продолжает свой путь уже самостоятельно.

«При выборе будущей траектории учитывается назначение аппарата. Например, спутники связи, стремящиеся к постоянному покрытию, обычно занимают геостационарную позицию на высоте около 35 786 км. Покрытие и зона видимости также являются важными аспектами при выборе расположения. Кроме того, учитываются энергозатраты на выведение спутника: чем выше желаемая орбита, тем больше энергии и, соответственно, топлива требуется для достижения цели. Расположение космодрома тоже играет роль, так как пуск с экватора, как правило, более экономичен», — объясняет Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.

После выхода на орбиту внеземное устройство разворачивает солнечные панели и начинает свою миссию. Связь с Землей осуществляется через командные центры, которые управляют его работой и корректируют траекторию.

Спутники, запущенные на разные высоты, движутся по разнообразным траекториям, отличающимся по наклону, форме и направлению. Размещение этих аппаратов в космосе – сложный процесс, требующий тщательного планирования и согласования еще на этапе запуска. Регулирование особо загруженных зон, таких как геостационарная орбита, осуществляется контролирующими организациями, например, Международным союзом электросвязи (МСЭ).

Чтобы избегать столкновений, современные аппараты оснащены двигательными установками, позволяющими выполнять маневры. Космические агентства, такие как NASA и ESA, а также частные компании, к примеру, SpaceX, ведут непрерывное наблюдение за космическими объектами, чтобы вовремя предотвратить возможные инциденты.

«Однако от ученых все чаще звучат тревожные предупреждения. Существует реальная угроза так называемого синдрома Кесслера – лавинообразной цепной реакции столкновений. Уничтожение даже одного спутника может привести к образованию тысяч обломков, способных поражать другие аппараты, запуская неконтролируемый процесс. В итоге, орбита может превратиться в опасную зону, где каждый новый объект будет подвергаться риску разрушения», — объясняет Евгений Бурмистров.

Искусственные спутники незаменимы для решения задач, недоступных или достаточно сложных для реализации с помощью наземной инфраструктуры.

«Также стоит отметить высокую скорость развертывания масштабных группировок, таких как Starlink (более 5000 аппаратов), что обеспечивает глобальный доступ в интернет за считанные месяцы, в то время как прокладка оптоволоконных кабелей заняла бы много лет. В кризисных ситуациях спутниковая связь может быть восстановлена значительно быстрее, чем наземная инфраструктура», — отмечает Олег Кустов.

Орбитальные аппараты отличаются универсальностью. Существуют модели, которые способны одновременно выполнять функции связи, наблюдения и могут предоставлять уникальные данные, например, о радиационных поясах и гравитационных аномалиях Земли.

Спутники стали незаменимыми инструментами в научных исследованиях, позволяя человечеству заглянуть в самые отдаленные уголки Вселенной. Например, орбитальный телескоп Хаббл совершил прорывные открытия, определив возраст Вселенной, обнаружив экзопланеты и наблюдая за формированием черных дыр.

С орбиты удобно наблюдать за галактиками и звездами, скрытыми от наземных телескопов из-за поглощения излучения атмосферой нашей планеты. Причем спутники изучают не только космос, но и Землю. Космические аппараты, такие как GOSAT и Aura, анализируют состав атмосферы, включая уровни углекислого газа и метана, а также изменения в озоновом слое. Это важно для прогнозирования климатических изменений и оценки влияния деятельности человека.

Дистанционное зондирование позволяет наблюдать за состоянием экосистем, растительности, изменениями в земном покрове, обнаруживать загрязнение и отслеживать перемещение животных, открывая новые возможности для биологии и экологии. Спутники также играют роль в изучении происхождения жизни и поисках ее на других планетах, анализируя минералы на Марсе, атмосферу Венеры и солнечные бури.

Принцип работы навигационных спутников базируется на триангуляции – методе определения местоположения с использованием данных о расстояниях до нескольких объектов. Когда ваш навигационный прибор (например, смартфон или автомобильная система) принимает сигналы от космических аппаратов, он рассчитывает время его прохождения и, исходя из этого, определяет расстояние до каждого спутника. С помощью, как минимум, четырех устройств система может точно вычислить вашу позицию, определив координаты: долготу, широту и высоту.

«Современные навигационные системы обеспечивают удивительную точность, которая в стандартных условиях может достигать 1-3 м. Однако это теоретический максимум, и реальная точность зависит от ряда факторов. Например, на открытой местности, где спутники хорошо просматриваются, точность приближается к этим значениям. В городах с высотными зданиями и в туннелях она снижается из-за блокировки сигнала», — объясняет Евгений Бурмистров.

Существуют также усиленные системы, такие как RTK (Real-Time Kinematic), которые позволяют достичь точности в несколько миллиметров, но для этого требуется специальное оборудование и дополнительные спутниковые сигналы.

Телевизионное вещание осуществляется с помощью специальных космических аппаратов, работающих как ретрансляторы сигнала. Эти спутники связи, расположенные на орбите (чаще всего геостационарной, около 36 000 км), принимают сигнал от телеканалов, переданный с помощью мощных земных станций. Затем происходит ретрансляция: космическое устройство отправляет сигнал обратно на Землю в виде широковещательного потока, доступного для приема в определенной географической зоне.

Для обеспечения связи и доступа в интернет через спутники используется целый комплекс технологий. Передача данных осуществляется в радиочастотном диапазоне, а спутники усиливают сигнал для компенсации затухания в атмосфере. Современные аппараты оснащаются многолучевыми антеннами, позволяющими покрывать обширные территории. Некоторые спутники способны напрямую обмениваться данными друг с другом, минуя земные станции, что повышает скорость и снижает задержки.

В отличие от наземных систем, защищенных атмосферой и стабильными условиями, эксплуатация спутников сопряжена с рядом серьезных трудностей, обусловленных враждебной космической средой. Так, например, радиационные пояса Земли и вспышки на Солнце могут приводить к повреждению электронных компонентов, сбоям в работе аппаратуры и накоплению электростатического заряда на поверхности устройства. Для защиты от этих угроз используются радиационно-стойкие материалы и экранирование микросхем.

Еще на работоспособность космических аппаратов негативно влияюттермоциклы, возникающие из-за резких колебаний температуры при смене освещенности. Ситуация усугубляется перенаселенностью околоземного пространства и дефицитом радиочастот, особенно на геостационарной орбите. Кроме того, растет угроза кибератак на спутниковые системы. Преодоление этих трудностей требует всесторонних мер, включающих создание эффективных средств защиты, рациональное распределение ресурсов и консолидацию усилий мирового сообщества.

В среднем орбитальные аппараты функционируют от 5 до 15 лет. Они выходят из строя из-за расхода топлива, износа энергосистемы и морального устаревания компонентов. Это, в свою очередь, усугубляет проблему космического мусора. Тысячи сломанных спутников и их обломков создают реальную угрозу столкновений.

Очистка околоземного пространства от мусора — одна из ключевых задачсовременной космической индустрии. Сегодня приоритет отдается предотвращению образования новых отходов, поскольку ликвидация существующих сопряжена со значительными техническими сложностями. Например, различные обломки движутся со скоростью 7-8 км/с, что делает даже мельчайшие останки опасными. Кроме того, стоимость запуска специализированного «уборщика» исчисляется десятками миллионов долларов. Их широкое применение ожидается в ближайшие 5–10 лет.

«В России создан тестовый образец многоразового космического транспортера, который может утилизировать космический мусор, перемещатьспутники между орбитами и возвращать технику на Землю для ремонта. Его тестовый запуск запланирован на 2025 год. В то же время ученые Самарского университета предлагают "сдувать" обломки с опасной орбиты. Для этого предполагается разместить на космической станции специальный аппарат, который в случае опасности может отстыковаться от "базы" и полететь к ненужному обломку. После сближения он направит на него струю своего электрореактивного двигателя и "сдует" его в безопасное пространство», — говорит Олег Кустов.

Для решения проблемы космического мусора разрабатываются различные аппараты. К ним относятся механические системы, такие как сети и гарпуны, а также устройства, оснащенные магнитными захватами и роботизированными манипуляторами (например, разработка японской компании Astroscale). Другой подход — использование электродинамических тросов, которые, взаимодействуя с геомагнитным полем, создают тормозящую силу и способствуют сходу объекта с орбиты (проекты JAXA и NASA).

Китай также активно включился в эту деятельность. Страна к 2030 году планирует запустить спутники, оснащенные сетями и роботизированными руками. Российская компания StartRocket разрабатывает концепцию «пылесоса», использующего ионные двигатели для сбора ненужных отходов. Помимо утилизации, ведется работа по продлению срока службы действующих спутников. Компании Northrop Grumman и Orbit Fab разрабатывают устройства для дозаправки и ремонта аппаратов.