Интернет от Илона Маска еще не заработал, а на орбите уже стало тесно. В космосе кончается место?

Околоземный научный спутник Aeolus, принадлежащий Европейскому Космическому Агентству ESA, 2 сентября был вынужден выполнить маневр уклонения, чтобы не столкнуться с одним из космических аппаратов орбитальной группировки связи Starlink, развертываемой компанией SpaceX. Такое в истории ESA произошло впервые, хотя из планируемой 12-тысячной группировки на орбите пока находятся только 62 спутника Starlink.

Aeolus предназначен для дистанционного зондирования Земли с круговой орбиты высотой 320 километров. На нем установлен только один научный инструмент — это доплеровский лидар Aladin, который измеряет направление и скорость ветра в нижнем тридцатикилометровом слое атмосферы.

Космический аппарат связи Starlink, от которого увернулся Aeolus, принадлежит к спутниковой сети нового поколения компании SpaceX. Этот проект предназначен для обеспечения широкополосного доступа в интернет для пользователей почти на всей поверхности Земли. Практическая реализация проекта началась в феврале 2018 года с выводом на орбиту двух тестовых спутников — Tintin-A и Tintin-B. 24 мая этого года с мыса ­Канаверал компания SpaceX на ракете-носителе Falcon 9 запустила первую партию из шестидесяти спутников Starlink.

Рабочая круговая орбита Starlink расположена существенно выше орбиты Aeolus, на высоте 550 километров. Однако три аппарата из 60 сломались уже после выведения и теперь они будут неуправляемо снижаться, пока не сгорят в атмосфере. Еще два спутника компания SpaceX специально тормозит двигателями и сводит с орбиты, чтобы протестировать будущие операции по уводу отработавших свой ресурс аппаратов. Именно с одним из них и пересеклась траектория европейского научного спутника.

Нет. После выполнения маневра уклонения европейский Aeolus вернулся к штатной работе. Его орбита была поднята примерно на 350 метров, этого оказалось достаточно для того, чтобы вероятность столкновения вышла из «красной зоны». Вообще, для низкоорбитальных спутников ситуация с маневрами вполне обычная — почти всем им время от времени приходится поднимать двигателями свою орбиту из-за естественного торможения в верхних слоях атмосферы Земли.

Возможность столкновения предсказали инженеры из команды Aeolus на основе расчетов по открытым данным. Следить за возникновением подобных ситуаций — ответственность каждого конкретного космического проекта, никакой общей международной «ГИБДД» в космосе не существует и каждый с этой задачей справляется самостоятельно.

Чтобы рассчитать вероятность столкновения, инженеры моделируют поведение спутников на орбите, основываясь на данных двух известных каталогов: это каталог NSSDCA, который ведет NASA, и данные, за которые отвечает Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD). Первый каталог в основном используют астрономы, — для того, чтобы учесть треки спутников при наблюдении космоса, — второй предпочитают спутниковые операторы.

Получая данные о движении по всем объектам на околоземной орбите, специалисты могут рассчитать положение своего спутника и всех потенциально опасных для него космических тел. В базе есть все объекты размером больше 10 сантиметров — за важным исключением военных спутников США.

Непосредственно перед маневром, европейские специалисты на основе данных NORAD пришли к выводу, что вероятность столкновения Aeolus и Starlink достигла 1 к 10 000 и продолжала расти. Подготовив маневр уклонения, они по электронной почте связались с коллегами из SpaceX, чтобы понять их действия, поскольку, если бы оба спутника без предупреждения начали одновременно выполнять маневры, это, напротив, могло бы привести к столкновению.

Ее предусмотрели — в наше время это уже штатная ситуация. Все спутниковые операторы и космические агентства имеют подразделения по контролю за космическим мусором, возможность реагировать на потенциальные угрозы закладывается в программу полета, предусматривается топливо для дополнительных маневров.

Показательный пример: Международная космическая станция, которая находится на почти круговой орбите на высоте чуть выше 400 км. В двух основных Центрах управления полетом есть специалисты, оценивающие вероятность столкновения МКС с космическим мусором. Решающую роль играет ЦУП в Хьюстоне, но ЦУП в Королеве также проводит расчеты, получая данные от американских коллег. Маневры по уклонению МКС выполняются двигателями служебного модуля «Звезда» российского сегмента станции, или с помощью пристыкованных российских грузовых кораблей «Прогресс».

В российском ЦУПе используется Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, которая наряду с данными NORAD использует информацию российских средств контроля космического пространства. К примеру, 3 сентября ЦУП в Королеве получил предварительные расчеты от NASA о потенциальной угрозе МКС и необходимости провести маневр уклонения, но, проведя расчеты самостоятельно, пришел к выводу, что опасности нет.

Фактически, никто. Космос является свободным пространством. Поэтому участники космической деятельности руководствуются только собственными национальными законами, которые, впрочем, должны соответствовать соглашениям, принятым в рамках работы Комитета по использованию космического пространства в мирных целях ООН (COPUOS).

После принятия в 1974 году конвенции о регистрации космических объектов, запускаемых в космическое пространство, управление по вопросам космического пространства ООН ведет реестр объектов, запускаемых в космическое пространство. Однако регистрация в нем является заявительной, и у ООН нет технической возможности контролировать реальные орбиты и цели космических аппаратов.

Главное препятствие, стоящее на пути создания всеобъемлющей базы данных спутников и возможности автоматизированного контроля околоземного пространства, — это военные спутники. Американская система NORAD не публикует данные о спутниках разведки США, при этом публикует данные об орбитах российских и китайских военных аппаратов. Воздушно-космические силы России вообще ничего не публикуют, хотя следят за американскими военными спутниками радиолокационными и оптическими средствами.

Коммерческим спутниковым операторам сейчас приходится фактически действовать вслепую, надеясь на то, что военные сами не допустят столкновения. При этом именно военные аппараты чаще всего маневрируют на орбите, меняя высоту. Существует даже условный класс «спутников-инспекторов», которые целенаправленно приближаются к чужим аппаратам, чтобы их сфотографировать.

Кое-что про секретные спутники все-таки известно — благодаря частным энтузиастам. Существует международное сообщество наблюдателей, возглавляемое Тедом Молчаном, которое с помощью любительских оптических телескопов определяет параметры секретных спутников и выкладывает их в открытый доступ. Там, например, можно увидеть секретный американский орбитальный самолет X-37B, который энтузиасты неоднократно замечали на орбите, а недавно сняли с неплохим разрешением.

Смотря как считать. Со времени запуска «Спутника» 4 октября 1957 года в космос были выведены более 9000 аппаратов, но только около 2000 из них функционируют в настоящее время. Остальные сгорели в атмосфере или сломались и стали «космическим мусором» на орбите. Поэтому, кстати, бо́льшая часть маневров проводится для уклонения от неуправляемых объектов, а не работающих спутников.

Самая густонаселенная орбита — геостационарная (ГСО). Сейчас на ней находится около 400 спутников, то есть примерно каждый пятый действующий космический аппарат.

Вообще орбиты спутников делятся на низкие (до 2000 километров от Земли), средние и высокие, и геостационарная относится к последней группе. На низкой орбите летают спутники дистанционного зондирования Земли, спутники связи, например, такие как Iridium, Globalstar, Orbcomm, российская система «Гонец». На средних располагаются навигационные системы — ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Европа) и «Бэйдоу» (Китай).

Популярность геостационарной орбиты — следствие того, что только на ней спутник не меняет своего положения на небе, как бы зависая над выбранной точкой экватора на высоте 35 786 километров. Это позволяет связываться с ним при помощи стационарных наземных антенн, раз и навсегда направленных в одну точку.

Однако из-за того, что ГСО находится очень далеко от Земли, в сигнал вносится довольно большая задержка: электромагнитной волне, чтобы долететь с Земли до спутника на ГСО и вернуться обратно на станцию сопряжения, требуется примерно четверть секунды. Для голосовой связи это слишком много, поэтому, например, новые спутниковые группировки связи Starlink (SpaceX), OneWeb, Telesat и Amazon планируется располагать на низких орбитах, где задержка значительно меньше.

Основным ограничением для коммерческих космических аппаратов являются даже не места на орбитах (так называемые точки стояния — для геостационарной орбиты), а рабочие частоты для радиосвязи. Их распределением занимаются радиочастотные комиссии тех стран, которые запускают спутники. При этом для работы с клиентским оборудованием в каждой стране необходимо получать отдельное разрешение на использование радиочастот. Компания OneWeb, которая, подобно Starlink, планирует создать глобальную спутниковую сеть для раздачи интернета, пока, например, так и не получила разрешение на использование нужных частот в России.

Да. Как решить эту проблему пока никто не знает, и чем больше будет аппаратов в космосе, тем больше будет расти ее важность.

Еще в 70-х годах теоретически описан так называемый синдром Кесслера, который подобен эффекту домино на орбите: в случае превышения некоторого критического количества космического мусора вероятность столкновений может начать неконтролируемо расти, в результате столкновений будет появляться новый мусор, что в конце концов сделает низкие орбиты вообще непригодными для использования. Красочно, но с фактическими ошибками, эта проблема показана в художественном фильме «Гравитация».

В настоящее время нет реальных возможностей для «активного» удаления «космического мусора» с орбиты. Человечеству остается только профилактика: к новым спутникам должны предъявляться определенные требования, которые закладываются в национальные законы о космической деятельности и в международные соглашения.

Например, геостационарные спутники, которые образуют практически вечное кольцо вокруг Земли, должны отводиться после завершения эксплуатации на «орбиту захоронения», расположенную на 200–300 километров выше ГСО. К низкоорбитальным спутникам выдвигается требование по быстрому сходу с орбиты. Сложнее всего ситуация со спутниками на орбитах выше 700 км, поскольку срок естественного самоочищения орбиты за счет торможения в атмосфере очень долог для тех высот.

Мы не знаем. Но очевидно, что потенциальная частота столкновений и необходимость в маневрах существенно возрастет.

Если при первом массовом запуске спутников Starlink три из них сразу вышли из строя и еще несколько находятся сейчас вне рабочей плоскости орбиты, то сложно ожидать, что в дальнейшем будет все проходить гладко. Стратегия делать компактные и дешевые спутники для глобальных систем связи может сыграть злую шутку, ведь чем миниатюрнее космический аппарат, тем меньше на нём «дублирования систем» и топлива для маневров.

Чтобы избежать неконтролируемого роста частоты столкновений, нужно повысить требования к точности выведения и надёжности техники, оборудовать аппараты активными и пассивными системами схода с орбиты и наладить оперативное взаимодействие между ЦУПами всей планеты. Очевидно, что потребуются строгие международные правила «движения на орбите» и полное открытие каталогов с космическими объектами. Выполнение всех этих требований и создание в будущем службы по утилизации космического мусора позволит человечеству не закрыть себе выход в космическое пространство.