Приземление МКС: проблема планетарного масштаба

Международная космическая станция работает с 1998 года, и по многим факторам давно физически устарела. Эксплуатация этой орбитальной платформы изначально планировалась по 2024 год. Поэтому перед человечеством вовсю стоит вопрос: как можно успешно её «приземлить». Проект, предположительно, будет стоить минимум 1 миллиард долларов. Уже сейчас свои идеи предлагают лучшие ученые умы. Но проблем здесь пока больше, чем решений.

Помните, летом 1999 года Францию на время охватила паника? Виной всему было одно из предсказаний Нострадамуса. Вот оно:

На заре седьмого месяца 1999 года на планету обрушится великий князь тьмы, который разрушит плавное течение ее жизни... И начнется это в том месте, где находится теперь Париж.

Всемирно известный модельер Пако Рабанн был так уверен в верности пророчества, что написал по этому поводу книгу Le feu du ciel («Огонь с неба»), а в конце июня устроил в Париже прощальную вечеринку. Сотни тысяч парижан уезжали из города перед 11 августа — днем солнечного затмения, на которое, по мнению Рабанна, и намекал Нострадамус (у пророка был свой счет дней, так что вряд ли можно было понять точно, но модельер всё рассчитал!).

Пако Рабанн готовится встретить конец мира

Причиной паники в тот раз стала российская орбитальная станция «Мир». Рабанн утверждал, что 11 августа ровно в 11 часов и 22 минуты она упадет на Землю недалеко от Парижа. Это событие уничтожит не только столицу Франции, но и несколько близлежащих городов. Настолько мощной разрушительной силой, как писал Рабанн, станция обладает потому, что она буквально начинена плутонием. Сам Рабанн, свято веривший в собственные предсказания, уже 17 июля закрылся на своей вилле в городе Анси на дальнем востоке Франции и много пил в ожидании катастрофы.

Станция «Мир»

Как мы знаем, тогда ничего не случилось. А «Мир» через два года, в 2001-м, контролировано разрушилась при входе в атмосферу Земли, и её обломки были спокойно затоплены в акватории Тихого океана. Это был сложнейший процесс и технологическое чудо, потому что Россия уложилась в минимальный бюджет — 750 млн рублей. Ни один человек тогда не пострадал.

Падение станции в буквальном смысле потрясло мир. Не только Рабанна и других парижан, бежавших из своего города в день солнечного затмения. Правительства многих стран, в том числе Японии, Австралии и Новой Зеландии, призвали своих граждан не выходить в море и по возможности не покидать свои дома во время падения станции. А островитяне с Фиджи даже проводили религиозные ритуалы — правда, с другой целью,, чтобы «Мир» разбилась у них на острове, и они смогли затребовать себе обещанную страховку («Росавиакосмос» пообещал выплатить  $200 млн тем, кто получит ущерб от падения станции).

Пророчество Нострадамуса в 1999 году не свершилось, а Пако Рабанна подняли на смех. Ему пришлось публично извиняться, раскаиваясь в своей «наивности, фанатизме и безумии». Продажи его модельного дома сильно упали, но потом восстановились, потому что компания одной из первых перешла в Интернет. Сейчас бренд Rabanne известен в первую очередь своими духами.

Но эта история не означает, что катастрофы, описанной в книге Le feu du ciel, не может произойти в принципе. Возможно, Рабанн с Нострадамусом просто ошиблись на 25 лет. Потому что в следующем году нам предстоит окончательно решать, что делать с МКС.

Огонь с неба

На протяжении четверти века Международная космическая станция (МКС) регулярно принимала астронавтов и предоставляла пространство для проведения научных экспериментов на низкой околоземной орбите. Однако, несмотря на многочисленные успехи, дни этой космической станции сочтены. Изначально в ней закладывался срок службы до 2024 года. Дальше нужно её аккуратно приземлить и обезвредить.

Сложностей много. «Мир» была на орбите всего 15 лет, и весила 124 тонны. МКС — летает уже 25, и весит почти 450 тонн. Она в разы больше по всем параметрам, это огромная и плохо управляемая конструкция, которая в итоге должна быть спущена  на Землю. Проделать это безопасно  в разы (а скорее, в десятки раз) сложнее, чем с «Миром».

Ближайшие месяцы НАСА будет оценивать коммерческие предложения на предмет использования космических кораблей, способных «вывести МКС из эксплуатации», то есть безопасно вывести ее в атмосферу и сжечь. Агентство надеется, что заплатит за эту услугу около 1 миллиарда долларов. Если достойных предложений не найдется, НАСА придется полагаться на несколько российских носителей. Падение МКС, скорее всего, удастся осуществить только в начале следующего десятилетия, но то, как его провести, уже является деликатным вопросом для аэрокосмической индустрии и международной дипломатии.

МКС сегодня — «главный символ международного сотрудничества». И, возможно, крупнейший проект, когда-либо осуществлявшийся в истории человечества (второй претендент — БАК). В 90-х годах на неё потратили больше $160 млрд, а в настоящее время, даже с сильно сниженной ценой доставки грузов в космос, её постройка и вывод на орбиту стоили бы минимум $12,78 млрд.

Станция отчасти поддерживается Канадой, Европой и Японией, но в основном её работа — это  результат усилий США и России. И сейчас проект остается одним из очень немногих областей устойчивого сотрудничества между двумя странами. Первые модули станции — «Юнити» из США и «Заря» из России — достигли орбиты в конце 1998 года. А первый экипаж космической станции, который поселился на ней в ноябре 2000 года, состоял из одного американского астронавта и двух российских космонавтов. С тех пор МКС постоянно поддерживается силами этих двух государств.

Но ничто не вечно. Станция уже значительно превысила целевой срок службы в 15 лет. Держать её на орбите непрактично — стоимость обновления старой станции в космосе сравнима с ценой постройки новой, а затраты на её содержание постоянно растут, составляя по $3-$4 млрд в год. Поэтому НАСА сейчас созвала консультативную группу и пытается разработать стратегию контролируемого падения МКС, не привлекая Россию, у которой единственной есть опыт операций похожего уровня. Если отношения между странами не получится наладить, США, по всей видимости, попытается посадить станцию в одиночку.

Проблема планетарного масштаба

Корабль «Прогресс»

Необходимость контролируемой гибели МКС связана с ее расположением на низкой околоземной орбите, в верхних разреженных слоях атмосферы Земли. Всё, что там находится, со временем притягивается назад на нашу планету — за счет постоянных столкновений с частицами атмосферы, снижающими скорость объекта ниже орбитальной. Если не обеспечивать кораблю периодических ускорений (а для этого нужно его поддерживать и доставлять на него грузы), он в итоге опустится, развалится на части и сгорит. А самые большие обломки упадут на Землю по непредсказуемым траекториям, рискуя осуществить пророчество Рабанна.

Сейчас нахождение МКС на орбите по большей части обеспечивается за счет регулярных поставок с российских грузовых кораблей «Прогресс», созданных ещё в 1970-х годах. После стыковки со станцией они периодически запускают свои двигатели, чтобы противодействовать её снижению. Они же иногда проводят манёвры уклонения МКС — для предотвращения её столкновений с космическим мусором. Корабли «Прогресс» пристыковываются к станции в среднем каждые 3-5 месяцев, последняя стыковка произошла 3 декабря. Пока что частоте их полетов ничего не мешало, но при стыковке всё чаще возникают проблемы, и что будет в дальнейшем — не знает никто.

Теоретически НАСА могло бы поднять МКС на орбиту, на которой она полностью покинет атмосферу Земли и перестанет снижаться. Это помешает поставке новых грузов и сделает станцию просто летающим куском металла — космическим мусором огромного масштаба. На своей «кладбищенской орбите» из-за своей старости МКС всё равно со временем развалилась бы, и мы получили бы большое облако космического мусора, способное повредить другие станции и спутники.

Разборка МКС по частям также невозможна — она не была для этого предназначена, и попытка провести такую операцию с большой вероятностью приведет к её распаду. Поэтому единственным рассматриваемым всерьез вариантом остается полное уничтожение станции — в результате её разрушительного спуска в атмосферу. Проблема в том, что под орбитой МКС живет около 90% населения планеты. Она пролетает над всеми самыми густонаселенными регионами, включая Китай и Европу. День её падения станет очень волнительным для многих стран.

Долгий путь вниз

По словам представителей НАСА, самый безопасный способ спустить МКС на Землю — это попытаться сбросить ее в малонаселенные просторы южной части Тихого океана. Но точно попасть туда — непростая задача, потому что станция вращается с огромной скоростью: её орбитальный цикл составляет всего 1,5 часа. Каждую минуту она проносится над более чем 400 километрами поверхности Земли. Причем этот маршрут постоянно меняется по мере вращения планеты.

С одной стороны, хочется уничтожить станцию быстро. Чем больше времени падающая МКС пробудет в атмосфере, тем шире будет распространяться поле её обломков. Увеличивая вероятность того, что какой-то заблудший фрагмент нанесет ущерб кому-то на поверхности.

С другой стороны, падение станции должно быть спокойным и постепенным. Если МКС «нырнет» в атмосферу со слишком большой силой, повышенное сопротивление воздуха может оторвать от нее слишком большие куски, такие как солнечные батареи или отдельные модули. Что потом сделает саму станцию неконтролируемой и непредсказуемой.

Атмосфера Земли — удивительно непостоянна. Она то разрежается, то уплотняется в зависимости от 11-летнего цикла активности Солнца, и меняется при переходе от дня к ночи и обратно. Предсказать поведение атмосферных вихрей в точной точке вхождения МКС в атмосферу — тоже непростая задача для нашего текущего уровня технологий. Проблему дополнительно усугубляет неправильная геометрия станции. В итоге уверенно просчитать её траекторию после входа в атмосферу почти невозможно. Отклонение станции от курса при падении может составить сотни километров.

Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что идеальный процесс спуска станции, вероятно, будет длиться месяцы и происходить примерно так:

1. 10-15 недель естественного спада скорости, что будет медленно снижать высоту МКС с её текущих 408 км.

2. Когда МКС достигнет высоты примерно 350 км над Землей, специальный корабль, пристыкованный к станции, начнет своими двигателями толкать её дальше с орбиты.

3. Так станция опустится примерно до 200 км, прежде чем столкнется с дестабилизирующими эффектами в более плотных верхних слоях атмосферы.

4. На высоте около 200 км диспетчеры миссии начнут корректировать траекторию МКС, настраивая движение корабля так, чтобы превратить круглую орбиту станции в эллипс с ближайшей к Земле точкой (перигеем) на высоте примерно 150 км над планетой. Это поможет минимизировать время, которое станция проведет в более плотных слоях атмосферы.

5. Когда станция подойдет к перигею, центр управления полетами прикажет двигателям корабля-толкателя запуститься в последний раз, на полную мощность, быстро спуская станцию вниз с высоты 150 км и вызывая её падение над южной частью Тихого океана.

Само падение займет не более двух часов, учитывая все обломки. Часть из них неизбежно окажется на островах — благо, необитаемых.

За последним полетом гиганта будет наблюдать весь мир. Потому что ставки тут действительно космические.

И это мы описали идеальный вариант. На любом из этапов что-то может пойти не так, и план придется срочно корректировать.

Событие столетия

Что потребуется для проведения такой филигранной операции? До недавнего времени представители НАСА заявляли, что в роли «толкателей» будут выступать несколько — вероятно, три — российских корабля «Прогресс». Они будут работать вместе, чтобы вывести МКС с орбиты. Но этот план всегда был под вопросом, в том числе из-за сложности координации одновременно нескольких кораблей на орбите.

Даже в лучшем случае процесс выглядит непросто: нужно будет построить, вывести на орбиту и удачно присоединить к станции несколько кораблей за очень короткий период времени. При этом случай сейчас не очень хороший: партнерство США и России по МКС сейчас стоит под вопросом. Недавно «Роскосмос» сообщил, что хочет выйти из партнерства по МКС до того, как НАСА будет готово самостоятельно продолжать операции. Поставка кораблей «Прогресс» тоже может внезапно остановиться.

Тем временем станция начинает разваливаться. В 2018 году в космическом корабле «Союз», пристыкованном к станции, была найдена утечка воздуха через небольшую дыру. Позже в том же году российский полет с двумя космонавтами на станцию пришлось прервать после неудачного запуска. В 2021 году научный модуль, который первоначально планировалось запустить в 2007-м, наконец прибыл и пристыковался, но с тех пор у него возник ряд проблем, в том числе отказ двигателя, из-за которого станция совершила очень опасное сальто. А в 2022 году системы охлаждения на борту МКС вызвали три разные утечки токсичного аммиака — к счастью, в космос, а не внутрь станции.

В идеале НАСА хотела бы создать один новый большой аппарат для спуска станции с орбиты. Пусть даже он будет стоить намного дороже, чем несколько «Прогрессов», им будет проще управлять, и он будет гарантированно «своим». Главной проблемой для них становятся не деньги, а время. Постройка аппарата не должна занять много лет, иначе станция до этого не доживет.

В таком случае конструкция корабля должна быть основана на чем-то из нынешнего космического флота. И здесь остается не так уж много вариантов. Ближайшей более-менее подходящей системой является европейский сервисный модуль «Артемида», который приводил в действие беспилотную капсулу НАСА «Орион» во время путешествия вокруг Луны прошлой осенью. Как планируется, этот же модуль будет отвечать за высадку людей на поверхности Луны под конец этого десятилетия. Видимо, он же и будет отвечать за окончательную посадку МКС. Все остальное — либо слишком слабое для выполнения такой операции, либо слишком мощное (SpaceX Starship), либо просто неспособно нести с собой достаточно топлива для выполнения этой задачи.

Из-за необходимости постройки нового модуля или существенной перестройки «Артемиды» одним из наиболее вероятных вариантов является заключение договора о продлении срока работы МКС до 2028 или 2030 года. Это также дает нам больше времени всё рассчитать и продумать. Часть стран уже заявили о своей готовности продолжать эксплуатацию станции еще несколько лет. Но в 2030 году качество её работы будет под еще большим вопросом, и есть шанс, что во время снижения она не будет двигаться так, как показывают расчёты НАСА. Всё-таки многие детали на станции не менялись уже 25 лет.

Независимо от того, выберет ли НАСА постройку чего-то нового или адаптирует существующий корабль под эту функцию, это повлияет на международные отношения, лежащие в основе МКС. Закрытие космической станции является такой же общей ответственностью государств, как и её строительство и обслуживание, но по публичным документам НАСА неясно, подписались ли под предварительным планом падения станции канадские, японские, европейские и российские космические агентства. На данный момент разработку плана ведет только НАСА.

Надвигающееся завершение мегапроекта также открывает путь к разговорам о будущем международного партнерства в космосе. НАСА уже налаживает двусторонние партнерские отношения со странами, заинтересованными в освоении Луны, в рамках Соглашений Артемиды. Туда входит довольно много стран, но пока без России. С Китаем вопрос еще более сложный. Им запретили участвовать в МКС в 2011 году — специальным законом, выданным конгрессом США, отчасти из-за опасения утечки передовых технологий. Но учитывая последние успехи китайских космических миссий, такой закон могут пересмотреть. У Китая уже есть собственная орбитальная станция, Тяньгун, плюс роботизированные миссии на Марс и Луну. Технологии в этом плане уже примерно достигли паритета, а китайские вливания в следующую международную станцию могут оказаться не лишними.

Станция «Тяньгун»

Очень вероятно, что следующая международная станция, если она состоится, будет включать в том числе миссии Индии и Китая. Но что можно сказать наверняка, так это то, что никакие будущие международные партнерства не будут копировать МКС. Ландшафт стран, участвующих в космосе, выглядит совсем иначе, чем это было в 1998-м. МКС, вероятно, останется исключительным и уникальным достижением человечества. А когда бы станция ни вернулась на Землю, ее падение станет одним из самых горько-сладких моментов в долгой и славной истории космических полетов.

Источник