Риски космического мусора между Землёй и Луной для будущих исследований

Космос между Землёй и Луной стал объектом значительного интереса и стратегического планирования, благодаря множеству запланированных миссий по отправке экипажей на Луну в ближайшее десятилетие. Среди них — программа NASA Artemis, Международная лунная исследовательская станция (ILRS), инициируемая Китаем и Россией, а также программа Argonaut Европейского космического агентства и другие. Долгосрочная цель этих программ заключается в создании инфраструктуры между Землёй и Луной, что будет способствовать дальнейшим исследованиям и даже развитию.

В связи с этим важно исследовать орбиты объектов космического мусора, чтобы определить, представляют ли они риск столкновения. В недавней статье команда исследователей из Китайской академии наук (CAS) изучила дисперсию облаков мусора объектов на дальних ретроградных орбитах (DROs), ожидающих столкновения. Их выводы дают представление о развитии мусора в системе Земля-Луна, что может привести к созданию рекомендаций по безопасности и стратегиям снижения рисков для будущих миссий на Луну.

Artist's impression of Artemis astronauts performing extra-vehicular activity (EVA) on the lunar surface. Credit: NASA.

В последние годы наблюдается рост международных миссий на Луну, что отражает увеличение присутствия как государственных, так и коммерческих организаций в космосе. К числу таких миссий относятся орбитеры Longjiang-2 из Китая и более поздние миссии программы Chang’e. Также стоит упомянуть орбитеры Индийской организации космических исследований (ISRO) Chandrayaan-2 и , южнокорейский орбитер Danuri, лунный посадочный аппарат Израиля Beresheet и японскую миссию Hakuto-R Mission 1.

Помимо успешного беспилотного испытательного полета Artemis I и пилотируемого полета Artemis II вокруг Луны, миссия NASA CAPSTONE, запущенная в июне 2022 года, стала первым космическим аппаратом, успешно введенным в близко-прямолинейную гало-орбиту вокруг Луны. К 2030 году как NASA, так и Китай планируют отправить астронавтов и тайконавтов на лунную поверхность, за чем последуют последующие миссии и создание постоянных объектов.

Для Китая это будет включать ILRS, которая будет состоять из наземных элементов и (возможно) орбитального элемента. В то время как NASA планировала развернуть Лунные ворота на гало-орбите с 2012 года, они изменили курс на создание наземной инфраструктуры и постоянной базы на Луне. Объем трафика, который потребуется для этого, с использованием посадочных аппаратов и лунных подъемных средств (LAVs) для транспортировки грузов и экипажа на поверхность и обратно, будет значительным.

Наличие мусора в космосе между Землёй и Луной и на орбите Луны создаст значительный риск столкновения для миссий, направляющихся к Луне и обратно. Кроме того, столкновения между объектами мусора приведут к разрушительным событиям, создавая каскадный эффект, при котором увеличение мусора повышает вероятность новых столкновений. Это напоминает опасения по поводу космического мусора и эффекта Кесслера на низкой околоземной орбите (LEO), который угрожает спутниковым группировкам, космическим аппаратам и космическим станциям.

Для оценки риска столкновений команда проанализировала дисперсию облаков мусора после потенциальных разрушительных событий. Это включало применение модели Круговой Ограниченной Задачи Трёх Тел (CR3BP) для построения эталонных орбит. В то же время использовалась Стандартная Модель Разрушения NASA для моделирования фрагментации мусора в нескольких точках вдоль трёх DROs. Последний этап, который моделировал распространение мусора в течение 30 дней, был выполнен с использованием модели Бикруговой Ограниченной Задачи Четырёх Тел (BCR4BP).

Buzz Aldrin's footprint on the Moon's surface during the Apollo 11 mission. Credit: NASA.

Команда также исследовала потенциальное влияние распространения мусора на лунную поверхность и объекты на орбите. Их симуляции показали, что совокупный процент фрагментов останется низким (ниже 3.5%) в течение 30-дневного периода распространения. Они также обнаружили, что разрушения, происходящие на обратной стороне Луны, создают более высокий начальный риск воздействия в некоторых их орбитальных симуляциях. Для оценки рисков столкновения на орбите команда определила "защищённую зону" вокруг Луны — область в форме пончика диаметром 200 км (~125 миль), которая следует за всей траекторией космического полета.

Эти результаты показали, что мусор входит в защищённую зону со средней скоростью около 3%, обычно достигая пика менее чем через день после разрушительного события. Однако также было показано, что часть мусора может оставаться в этой зоне и очищаться в течение нескольких недель. За тридцать дней общее количество объектов мусора в этой зоне значительно варьировалось в зависимости от смоделированной орбиты, от 10 и менее до более чем 100. В целом, потенциальные столкновения, как правило, характеризовались событиями высокоскоростного пролета, а не постоянными сопутствующими угрозами.

Как отмечают авторы в своих выводах, лунные миссии должны проходить комплексные оценки рисков, чтобы соответствовать требованиям по защите планет и экологическим нормам. В ближайшем будущем это, вероятно, будет включать соглашения о предотвращении загрязнения космоса между Землёй и Луной от использованных ракетных ступеней, вышедших из строя спутников и других элементов миссий, которые неизбежно становятся мусором. Это, вероятно, дополнит существующие и будущие протоколы по снижению мусора в LEO, распространяя их до Луны.

Если человечество намерено расширить своё присутствие на Луне, необходимо обеспечить надлежащую заботу и защиту окружающей среды.