Программа возможных мероприятий

Техническая часть программы, по-видимому, должна состоять из трех разделов. В «первый раздел целесообразно включить работы по уточнению современного состояния и прогнозу дальнейшего засорения космоса с оценкой опасности столкновения пилотируемых и автоматических КА с «космическим мусором». Для расширения каталогов регистрируемых фрагментов «космического мусора» в разделе должны быть предусмотрены исследования по совершенствованию средств обнаружения, слежения и контроля за космическими объектами, а также методов измерений, обработки результатов и управления данными с использованием новейших ЭВМ. Однако следует отметить, что постоянное измерение орбит осколков, вызванное их непрерывным изменением, с выдачей «предупреждений» всем заинтересованным сторонам представляется малореальным даже при известном в настоящее время количестве крупных фрагментов. Что касается мелких, не поддающихся прямому обнаружению осколков, то прогнозирование их траекторий на практике вообще нереально.

Второе направление по программе должно быть посвящено предотвращению засорения космоса фрагментами ракетно-космической техники.

В этом плане весьма перспективным представляется создание универсальных космических платформ (УКП), каждая из которых сможет заменить несколько специализированных спутников. Другим важным направлением, способствующим сокращению числа запусков КА, является увеличение ресурса или срока их активного существования. Широкие возможности для перехода к такого рода объектам открывает ракета-носитель «Энергия». Разработка на базе УКП тяжелых спутников массой 16 – 18 т, решающих задачи телефонной и сервисной связи, непосредственного теле- и радиовещания, позволит создать на геостационарной орбите систему из 3 спутников, полностью удовлетворяющую потребности страны в связи и вещании до 2005 – 2010 гг. Для решения этих же задач обычными спутниками потребовалось бы в составе системы иметь до 24 – 30 объектов.

И наконец, третье направление работ по программе должно быть посвящено исследованию возможных способов и средств по очистке околоземного пространства от «космического мусора». Здесь речь идет в основном об устранении последствий эксплуатации ракетно-космической техники за предыдущие годы, приведшей к такому уровню засорения околоземных орбит. А как известно, избавиться от загрязнения окружающей среды значительно труднее, чем предотвратить его.

Из 7200 отслеживаемых орбитальных фрагментов 35% составляют отработавшие КА, последние ступени РН и разгонные блоки. Это означает, что на околоземных орбитах находится около 2500 пассивных объектов больших размеров и массы, являющихся потенциальными источниками образования по меньшей мере десятков и сотен тысяч новых осколков. В связи с этим вполне обоснованным представляется желание удалить их из космоса. В качестве средств поиска и захвата пассивных космических объектов могли бы рассматриваться многоразовые орбитальные корабли типа «Буран» и «Шаттл» и межорбитальные буксиры, оснащенные роботами-манипуляторами. В этих случаях возвращение объектов на Землю возможно в грузовом отсеке орбитального корабля или же посредством торможения с помощью буксира и последующего автономного спуска в заданный район. Однако это чрезвычайно дорогая операция. Она может быть оправдана, если проводится с целью предотвращения неуправляемого падения крупногабаритного объекта о населенные районы Земли или же когда стоимость возвращаемого аппарата очень высока (например, КА типа космического телескопа Хаббла).

В перспективе с целью уменьшения транспортных нагрузок на ближний космос и упорядочения работ по его очистке может быть предусмотрено развертывание орбитальных космопортов как своеобразных перевалочных баз для полезных грузов, выводимых с Земли и возвращаемых из космоса. Связь такого космопорта с Землей будет обеспечиваться регулярными рейсами многоразовой транспортной космической системы, а межорбитальные перевозки – специальными буксирами, базирующимися в доке космопорта.

Влияние пусков транспортных космических систем на атмосферу Земли

Обсуждая перспективы развития космонавтики, в том числе решение таких крупномасштабных задач, как развертывание многоцелевых орбитальных комплексов, спутниковых солнечных электростанций, создание лунной базы-станции, нельзя забывать об экологии окружающей среды. Интенсивное освоение космоса может привести к весьма ощутимым воздействиям на околоземную среду.

Прежде всего это касается транспортных космических систем (ракет носителей и космических буксиров) объем операций которых продолжает расти и расширяться. Реализуемый в настоящее время мировой грузопоток в космос требует ежегодно около 100 – 120 пусков ракет носителей различной грузоподъемности. В перспективе при решении новых задач возможно его увеличение в несколько раз. Массовые пуски ракет-носителей, сопровождаемые выбросом большого количества продуктов сгорания, будут влиять на атмосферу Земли. Необходима оценка уровня такого воздействия, чтобы избежать в будущем нежелательных последствий.

В таблице приведены состав и количество выбросов продуктов сгорания в атмосферу при пускал различных РН.

Для рассмотрения экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на атмосферу Земли в зависимости от высоты выбросов целесообразно разделить ее на три слоя (сферы) тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера – нижняя, основная часть атмосферы простирается от поверхности Земли до высоты 16 – 18 км в тропиках, до 10 – 12 км в умеренных и до 8 – 10 км в полярных широтах. Характеризуется понижением температуры с высотой со средним вертикальным градиентом 6,5 град/км и развитой турбулентностью, которая обеспечивает быстрое перемешивание загрязнений как по горизонтали, так и по вертикали.

Стратосфера – слой атмосферы, находящийся над тропосферой и простирающийся до высоты 50 км. Со стратосферой практически совпадает озоносфера – слой с повышенной концентрацией озона, который надежно экранирует поверхность Земли и все живое от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации. Максимальная плотность озона (число молекул в единице объема) наблюдается в средних широтах на высоте 24 – 26 км. Характерной особенностью стратосферы являются аэрозольные слои, оказывающие влияние на тепловой и динамический режимы атмосферы.

Ионосфера простирается от высот 60 – 80 км до высоты около 400 км. В ней наблюдаются заряженные частицы (ионы и электроны), относительное содержание которых возрастает с высотой. Особенностью ионосферы является ее способность влиять на распространение радиоволн различных частотных диапазонов. С этой точки зрения важными характеристиками ионосферы следует считать концентрацию и эффективную частоту соударений свободных электронов.

Основными вредными факторами, влияющими на состояние окружающей среды при пусках РН, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы), уменьшение концентрации озона в стратосфере и свободных электронов в ионосфере. Рассмотрим это влияние на примере эксплуатации наиболее мощных ракет-носителей типа «Энергия» и «Шаттл». О степени воздействия выбросов продуктов сгорания ракетных топлив на тропосферу можно судить в сравнении с другими источниками загрязнения.

Двуокись углерода (СО₂₎, находящаяся в атмосфере, влияет на радиационный баланс Земли, увеличение ее содержания может привести к парниковому эффекту – повышению температуры воздуха и поверхности Земли. Ежегодно с продуктами сгорания в тропосферу поступает около 20 000 млн. т СО₂ (от сжигания нефти – 8200, угля – 2300, газа – 2700 и древесины – 1800 млн. т/год). Вклад двуокиси углерода, содержащейся в продуктах сгорания ракетных топлив, в общий тропосферный баланс СО₂ (около 1011 т/год) пренебрежимо мал даже при реализации перспективных грузопотоков в космос (порядка 3 ∙ 10⁴ т/год для 50 пусков РН «Энергия») и не может оказывать влияния на процессы, протекающие в тропосфере.

Природные источники окиси углерода (СО) – лесные пожары (11 млн. т/год) и выделения океанов (10 млн. т/год) – составляют лишь 5 – 10% от общего потока СО в тропосферу. Основным источником СО (300 млн. т/год) является неполное сгорание топлива в промышленных печах, котельных и автомобильных двигателях. Так, по усредненным подсчетам одна автомашина потребляет в год 2 т бензина и выбрасывает в тропосферу 0,7 т СО. Следовательно, пуск одного носителя «Энергия» по объему выделяемой окиси углерода можно приравнять к годовой эксплуатации лишь нескольких сотен автомашин, т. е. СО, содержащаяся в продуктах сгорания ракетных топлив, даже при массовых пусках РН «Энергия» не дает заметного вклада в общее антропогенное загрязнение тропосферы.

Вода и водород вообще не оказывают вредного влияния на тропосферу. Молекулярный азот является естественной составляющей атмосферного воздуха, а выделяемый при пусках РН аммиак разбавляется окружающим воздухом, и его концентрация быстро уменьшается до предельно допустимой.

К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности «Шаттла». Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсичное загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях. Однако отмеченные эффекты кратковременны, поскольку турбулентные течения в приземной атмосфере приводят к быстрому перемешиванию выброшенных химических компонентов и снижению их концентрации до безопасного уровня. Следует отметить, что эти составляющие выбросов образуются при сгорании твердых ракетных топлив и не содержатся в продуктах сгорания отечественных ракет-носителей.

В отличие от низких слоев атмосферы, подвергающихся сильным турбулентным процессам, в стратосфере на высотах 15 – 50 км состояние газового состава практически неизменно, поэтому любое загрязнение этих слоев будет носить долговременный характер. На этих высотах, как уже отмечалось, важную экологическую роль играет озонный слой, который образуется путем фото-диссоциации кислорода и последующего взаимодействия его атомов с молекулами. Источником разрушения озона служат каталитические реакции. Содержание озона в атмосфере весьма неоднородно вследствие различных скоростей озонообразующих и озоноразрушающих реакций на равных высотах. Из общей массы атмосферы Земли 5 ∙ 10¹⁵ т на долю озона приходится 3 ∙ 10⁹ т. Если его привести к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0°С), то вокруг Земли в среднем получится слой толщиной всего около 3 мм. Поэтому не следует удивляться, что озоносфера оказалась «болевой точкой» планеты. Установлено, что увеличение уровня ультрафиолетового излучения, обусловленное уменьшением содержания озона в атмосфере на 1%. ведет к увеличению заболеваемости населения раком кожи более чем на 2%. Отсюда видно, как важно сохранение постоянства озона в атмосфере.

В настоящее время считается доказанным, что в течение последних 20 лет происходит уменьшение общего содержания озона в атмосфере Земли, и наиболее вероятной причиной этого является антропогенное загрязнение стратосферы. Один из источников такого загрязнения – фреоны, используемые в аэрозольных установках и в качестве хладагента в холодильниках и кондиционерах. Будучи химически стойкими, они в конце концов попадают вместе с воздушными потоками в стратосферу, где способствуют разрушению озона. Следует отметить, что попадающие в атмосферу примеси перераспределяются воздушными потоками и могут воздействовать на озон в районах, далеко отстоящих от мест локальных загрязнений. Так, /предполагается, что причиной возникновения озонной «дыры» над Антарктидой являются фреоны, выбрасываемые в средних широтах Северного полушария. Монреальским протоколом, подписанным многими странами, в том числе СССР, определен порядок сокращения производства и выбросов фреонов в атмосферу. Но эта мера не является исчерпывающей. Существует большое количество других веществ, выброс которых в атмосферу приводит к разрушению озонного слоя.

В частности, на озонный слой влияют продукты сгорания РН. Они не соизмеримы по своей массе с промышленными загрязнениями, но в отличие от них выбрасываются ракетами-носителями в широком диапазоне высот атмосферы. И практически при 'полете любой РН в озонном слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Эволюция следа РН происходит под влиянием атмосферной циркуляции и химических реакций между продуктами сгорания и воздухом. Количественно оценить изменения в озонном слое под воздействием ракетных выбросов можно с помощью разработанных фотохимических моделей, достаточно подробно описывающих весь сложный комплекс фотохимических превращений в тропосфере и стратосфере. При этом необходимо знать состав и количество продуктов сгорания, выбрасываемых ракетой по высоте траектории ее полета.

Озон разрушается в результате воздействия водяных паров, содержащихся в значительных количествах в продуктах сгорания всех жидкостных ракетных двигателей, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. Размеры таких «окон» возрастают, если в составе РН используются ракетные двигатели на твердом топливе. Кроме аналогичного образования окислов азота (из воздуха), в их реактивных струях содержится большое количество хлористого водорода, который отнесен Венской конвенцией об охране озонного слоя (март 1985 г.) к особо активным озоноразрушающим веществам. Каждый атом хлора разлагает в тысячи раз больше молекул озона, чем одна молекула окисла азота. Поэтому с экологической точки зрения для реализации больших грузопотоков в «осмос целесообразно использовать ракеты-носители на базе жидкостных ракетных двигателей типа РН «Энергия», «Зенит», «Атлас-Центавр».

Оценка влияния пусков ракет-носителей на озонный слой проводилась для одиночных пусков и для программы ежемесячных пусков РН «Энергия» в течение неограниченного времени*.

Динамика разрушения озонного слоя при одиночном пуске РН «Энергия» протекает следующим образом. В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16 – 24 км уменьшается на 15 – 20% через 2 ч, а затем происходит постепенное затягивание образовавшегося «туннеля». Облако ракетных выбросов в стратосфере через неделю достигает размера нескольких сотен километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24 – 30 км примерно через 24 дня после старта. Одновременно в тропосфере и верхней стратосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 км) снизится через 24 дня на 1,7% или в массовом отношении уменьшится на 27 тыс. т. Для сравнения при пуске носителя «Шаттл» – на 2% или 32 тыс. т. Таким образом, одиночные пуски РН «Энергия» не оказывают заметного влияния на озонный слой в масштабе полушария.

При ежемесячных пусках РН «Энергия» в течение неограниченного времени состав атмосферы под действием циркуляции воздушных масс переходит в новое равновесное состояние через 11 лет. Наибольший дефицит озона в атмосфере (0,4 – 0,6%) отмечается к северу от 40° с. ш. При еженедельных пусках РН «Энергия», что может потребоваться в перспективе при решении, например, такой крупномасштабной задачи, как развертывание на орбите солнечной электростанции, общие потери озона еще более возрастут. Необходимы специальные исследования по уточнению этих оценок и определению предельно допустимой интенсивности пусков РН различной грузоподъемности с точки зрения сохранения равновесного состояния озонного слоя Земли.

А какие процессы сопровождают запуски ракет-носителей в ионосфере?

Еще в 60-е годы внимание специалистов привлекли необычные явления на этих высотах, происходившие при пусках мощных РН. В ионосфере вблизи следа ракеты как бы образовывалась «дыра», которая затягивалась только через несколько часов. Тогда предположили, что разреженная ионосферная плазма «выталкивается» газами, выбрасываемыми при полете ракеты.

Впечатляющий эффект воздействия ракеты на ионосферу был зарегистрирован в мае 1973 г. при выведении на околоземную орбиту американской станции «Скайлэб». Запуск осуществлялся тяжелой ракетой-носителем «Сатурн-5», двигатели которой работали до высот 300 – 400 км, а на эти высоты приходился максимум ионизации ионосферы. Было замечено, что при запуске станции концентрация электронов в ионосфере уменьшилась вдвое, причем площадь возмущения достигла 1 млн. км². Так называемый скайлэб-эффект в ионосфере повторился при запуске астрофизической обсерватории ракетой-носителем «Атлас-Центавр» в сентябре 1979 г. Тогда образовалась ионосферная «дыра» площадью 1 – 3 млн. км². Измерения показали, что 80% ионов и электронов исчезли в течение двух минут после прохождения ракеты.

При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракет-носителей, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, является вода. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, это необычное явление можно также расценивать как фактор загрязнения природной среды, таящий в себе потенциальную возможность нарушения естественного равновесия. Действительно, на высотах 70 – 90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются в кристаллики льда. В результате могут возникнуть искусственные облака, подобные серебристым, образующим самый верхний облачный покров в атмосфере Земли. На еще больших вы сотах в ионосфере, как уже говорилось, наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой, в результате чего и образуются зоны с пониженной плотностью электронов, которые сопровождаются различного рода аномалиями в области свечения ионосферы, распространения радиоволн и пр.

Помимо РН, на ионосферу Земли могут оказывать влияние полеты космических буксиров на базе жидкостных и электрических ракетных двигателей, которые сопровождаются выбросом в окружающую среду молекул воды и водорода (при работе ЖРД) или ионов аргона и электронов (при работе ЭРД), что также может привести к образованию ионосферных «дыр», а в магнитосфере – к возникновению так называемых триггерных явлений – нарушению динамического равновесия волн и частиц этой неустойчивой среды.

Для оценки масштаба возможного воздействия на ионосферу космических буксиров приведем несколько цифр, полученных специалистами применительно к полетам перспективных межорбитальных транспортных аппаратов*. Так, по расчетам запуски тяжелых космических буксиров на кислородно-водородном топливе могут сопровождаться инжектированием в ионосферу 10³¹ молекул Н₂ и Н₂О, что вызовет образование ионосферной «дыры» площадью до 20 млн. км². В зависимости от геофизических условий длительность существования такой «дыры» может достигать 1 – 16 ч. А при регулярных запусках космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном полушарии может образоваться в ионосфере глобальный пояс шириной несколько тысяч километров, где степень уменьшения электронной концентрации составит не менее 10%. Таким образам, переход к массовым пускам РН и космических буксиров может привести к глобальному воздействию на ионосферу, последствия которого остаются еще до конца не изученными.

Для исследования и прогноза антропогенных явлений в околоземном пространстве, в том числе,и в атмосфере, возникающих при полетах транспортных космических систем (ТКС), проводятся активные эксперименты. В отличие от традиционных пассивных методов наблюдения, когда измеряются только параметры среды, с помощью этих экспериментов изучается реакция околоземной среды на контролируемые возмущения, производимые посредством инжекции плазмы, нейтрального газа, пучков частиц и т. п.

Различают две группы активных экспериментов. К первой относятся эксперименты типа меченых атомов, которые в основном «трассируют» происходящие в околоземной среде процессы, для чего с борта ракет проводится инжекция паров щелочных металлов, наблюдаемых в виде светящихся облаков.

Вторая группа экспериментов предполагает проведение локальных «дозированных» возмущений среды. Например, для изучения газодинамических, плазменных и аэродинамических процессов образования ионосферных «дыр» были выполнены активные модельные эксперименты с выпуском в ионосферу специальных компонентов (Н₂, Н₂О, СО₂ и др.), снижающих концентрацию электронов в ионосфере. Результаты этих экспериментов позволили глубже разобраться в механизме образования ионосферных «дыр» и проверить существующие модели искусственных возмущений ионосферы. Одновременно проведение активных экспериментов дает информацию для оценки масштабов антропогенных воздействий и их последствий и позволяет установить «экологические границы» для производственной деятельности в космосе, включая использование транспортных космических систем.

С целью контроля прогноза состояния верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли у нас в стране создана специальная гелиофизическая служба, которая опирается на развитую наблюдательную сеть, включающую спутники «Прогноз», «Метеор» и различные наземные станции, в том числе станции ракетного зондирования атмосферы.

Таким образом, подводя итоги вышесказанному, следует отметить, что загрязнение атмосферы со стороны транспортных космических систем пока носит локальный характер, контролируется и сейчас не представляет опасности. В глобальном масштабе выбросы в атмосферу продуктов сгорания при полетах ТКС малы по сравнению с промышленными выбросами, однако в отличие от последних они воздействуют на атмосферу в широком диапазоне высот, особенно проявляя себя в верхних слоях – стратосфере и ионосфере. Эта особенность воздействия ракетных выбросов на атмосферу требует дальнейшего глубокого изучения с целью своевременного предотвращения нежелательных последствий, которые могут проявить себя при росте масштабов использования ракетно-космической техники. Поэтому перспективные ТКС должны проходить экологическую паспортизацию, а проектные исследования по решению крупномасштабных задач в космосе должны проводиться с оценкой экологического воздействия привлекаемых средств на окружающую среду.

Поиск по сайту: