Вячеслав Ермолин, 16 октября 2020 г.

Сход с орбиты орбитальной станции. Фильм «Гравитация».

Поломки оборудования на МКС в последнее время напомнили, что МКС, в основном, «старушка». 20 лет успешной непрерывной работы на орбите обеспечило постоянное присутствие людей в космосе — это достижение и успех международного проекта. Но любая техника имеет свой «срок жизни» и для МКС он давно перевалил за половину. МКС представляет собой детально проработанный и управляемый проект. Есть разработанные сценарии «конца МКС» — управляемый или аварийный сход с орбиты.

Информация из отчета NASA Office of Inspector General IG-18-021 33 по сценариям сведения МКС с орбиты.

Вывод из эксплуатации и сход с орбиты

В конце работы МКС НАСА будет необходимо свести станцию с орбиты по истечении срока ее полезного использования (штатный сход с орбиты) или раньше в случае чрезвычайной ситуации (непредвиденный сход с орбиты). В идеале сход с орбиты будет происходить путем контролируемого разрушительного входа в атмосферу Земли. До начала процедуры спуска с орбиты весь экипаж на борту МКС должен вернуться на Землю, а спуск с орбиты выполняться компьютерными системами, управляемыми Центром управления полетами в Москве (59). Во время спуска через атмосферу Земли МКС сгорает, разрушается на фрагменты и испаряется. По оценкам НАСА, 16 процентов МКС, вероятно, переживут тепловые нагрузки при входе в атмосферу и упадут на Землю. Общий вес обломков составит от 53 500 до 173 250 фунтов (от 17 до 57 тонн).

Штатный сход с орбиты

По оценкам НАСА, управляемый сход или штатный спуск МКС с орбиты займет до 2 лет и будет стоить около 950 миллионов долларов. Контролируемый сход будет обеспечен за счет использования большего количества топлива, чем используется при обычных операциях, для позиционирования космического комплекса перед входом в атмосферу по крутой траектории схода, чтобы ограничить поле разброса обломков. В случае успеха станция войдет в атмосферу в точке с точной широтой и долготой, чтобы след обломков прошел над необитаемым регионом, предпочтительно в океане. Все планы НАСА контролируемого схода с орбиты МКС требуют, чтобы станция могла контролировать свое положение с помощью двигателей. Как только начнется последовательность включений двигателей, маневр схода с орбиты будет полагаться на программное обеспечение, которое автоматически управляет работой двигательной установки и процедурами перекачки топлива. Цель агентства ограничить область падения обломков при спуске с орбиты всего мусора от МКС — зона падения обломков до 6 000 км или меньше в необитаемом районе южной части Тихого океана (см. рисунок 12). Предполагается, что негативное воздействие на окружающую среду будет небольшим, так как любые токсичные жидкости или материалы сгорят во время разрушения в атмосфере. Однако некоторые фрагменты могут обладать достаточной кинетической энергией, чтобы нанести ущерб людям и строениям, включая корабли.

Рисунок 12: Номинальное поле обломков при спуске с орбиты МКС.Source: NASA.

Иллюстрация в высоком разрешении.

Учитывая технические и эксплуатационные сложности, связанные со спуском с орбиты крупнейшего искусственного сооружения, когда-либо построенного в космосе, НАСА не выполнило необходимых всех задач для выполнения штатного схода станции с орбиты. После завершения работы над МКС в 2011 году Консультативная группа по аэрокосмической безопасности указывает, что требуется «предрешенный сход» — безопасный спуск МКС с орбиты в какой-то момент в будущем и, что ни у НАСА, ни у его международных партнеров нет всеобъемлющего плана как это сделать (60). В январе 2017 года НАСА завершило разработку проекта плана для проработке различных сценариев штатного и непредвиденного спуска с орбиты; однако этот план еще не доработан и ожидает рассмотрения Роскосмосом. Тем временем инженеры НАСА продолжают работать над техническими деталями различных сценариев спуска с орбиты, включая:

• Анализ управления ориентацией Станции, чтобы определить, сколько топлива следует зарезервировать для операций по спуску с орбиты.

• Исследование для проверки того, смогут ли датчики МКС точно определять высоту МКС во время схода с орбиты.

• Окончательная оценка, чтобы определить, сколько топлива потребуется МКС для последней серии маневров спуска с орбиты.

• Оценка живучести МКС при разгерметизации для определения того, какие системы должны оставаться работоспособными для выполнения безопасного спуска с орбиты.

• Процедуры управления полетом, которые определяют, как НАСА будет взаимодействовать с Россией во время схода с орбиты.

• Анализ ударов MMOD (микрометеороиды и орбитальный мусор), которые могут сбить станцию с запланированной высоты, чтобы определить, сколько топлива необходимо сохранить, чтобы восстановить контроль над ориентацией.

Мы также отмечаем, что Конгресс поручил Агентству в Законе о разрешении перехода НАСА от 2017 года определить необходимые действия и оценить затраты на сход МКС с орбиты после того, как истечет срок ее службы. Однако в отчете о ISS, опубликованном в марте 2018 года, эти проблемы не рассматривались.

Непредвиденный сход с орбиты

В случае аварийной ситуации НАСА не имеет возможности обеспечить штатный сход МКС с орбиты из-за сильного удара MMOD или других экстремальных событий. Представители НАСА проинформировали нас, что экстренный спуск МКС с орбиты займет около шести месяцев и будет использовать все топливо, находящееся на борту МКС и с любых транспортных средств посещения. Если это будет возможно, запланированный профиль входа в атмосферу будет аналогичен профилю управляемого маневра схода с орбиты. В то время как во многих чрезвычайных ситуациях размер и форма пятна обломков станции останется такой же, как при контролируемом спуске с орбиты, катастрофические взрывы на борту МКС или столкновения могут привести к значительному рассеянию компонентов МКС перед входом в атмосферу, что приведет к распространению падающих обломков на большую площадь, возможно, включая населенную территорию. В целях планирования НАСА работает со своими международными партнерами над изучением областей полей обломков от 6 000 до 12 000 км, что примерно равно расстоянию от Анкориджа, Аляска, до Орландо, Флорида; или из Лос-Анджелеса, Калифорния, до Сиднея, Австралия.

В рамках своего аварийного планирования НАСА оценило основные аномалии МКС, которые могут привести к эвакуации экипажа МКС, и оценило среднюю вероятность трех основных непредвиденных обстоятельств в течение 6-месячного периода: удар MMOD, вызывающий разгерметизацию (1 к 120), пожар ( 1 к 46 000) или токсичный выброс аммиака (1 к 5,6 миллиона). В случае значительного удара MMOD инженеры НАСА предполагают высокую вероятность необратимой разгерметизации станции. В этом сценарии МКС необходимо будет безопасно свести с орбиты в кратчайшие сроки, поскольку многие из систем авионики, необходимых для схода с орбиты Станции, расположены в находящемся герметичном российском сегменте и, по оценкам, будут оставаться в рабочем состоянии только примерно 180 дней после внезапной разгерметизации. По этим и другим причинам ожидается, что весь экипаж эвакуируется с МКС сразу после любого удара MMOD.

В течение нескольких лет НАСА разрабатывало изменения программного и аппаратного обеспечения, необходимые для обеспечения возможности управляемого спуска станции с орбиты; однако в настоящее время Агентство не имеет возможности обеспечить целевой спуск МКС с орбиты в конкретное безопасное место в случае возникновения аварийной ситуации. Кроме того, для снятия с орбиты МКС в течение 180 дней в аварийном сценарии, вероятно, потребуется больше топлива, чем МКС в настоящее время способна вместить. Это потребует внести изменения в возможность стыковки нескольких российских кораблей «Прогресс» с МКС в условиях вакуума (разгерметизации) (61). МКС была построена с расчетом на низкую вероятность падения орбитального мусора на населенные пункты для защиты тех, кто находится на Земле. С тех пор международные нормы и договоры сделали такой подход неприемлемым. В настоящее время работа НАСА по спуску с орбиты состоит из серии анализов, обновлений программного обеспечения и операционных процедур. Однако до тех пор, пока не будут завершены необходимые адаптации оборудования станции, МКС остается уязвимой к преждевременному сходу с орбиты в случае неисправимой аварийной ситуации, требующей экстренной эвакуации экипажа. Пока эти действия не будут завершены, возможность безопасного схода с орбиты МКС в случае аварийной ситуации остается под вопросом. Среди оставшихся факторов, которые необходимо разработать:

• Модификации оборудования станции для соответствия требованиям стыковки нескольких кораблей «Прогресс» в вакууме.

• Обновление программного обеспечения, позволяющие одновременно запускать несколько двигателей на «Прогресс» и Service Module для окончательного спуска с орбиты.

• Завершение анализа и разработки обновлений программного обеспечения и процедур реконфигурации Functional Cargo Block, принадлежащего США и эксплуатируемого в России.

• Завершение текущей работы по разработке плана спуска с орбиты МКС, включая определение затрат на топливо для управления ориентацией на малых высотах, поскольку для спуска МКС в течение 180 дней в аварийном сценарии, вероятно, потребуется больше топлива, чем МКС в настоящее время способна вместить до внесения изменений которые дают возможность стыковки нескольких кораблей «Прогресс».

• Завершение текущих работ по обеспечению автоматического выполнения перекачки топлива.

Кроме того, НАСА указывает на то, что потребности в доставке топлива для МКС могут превысить запланированный в настоящее время график доставки российских кораблей «Прогресс», начиная с конца 2021 года. Без альтернативы НАСА рискует получить недостаточное количество топлива для обеспечения контролируемого схода с орбиты станции в случае сбоя при крайней необходимости.

57. В результате атмосферного сопротивления Станция постоянно замедляется, и необходимо периодически повышать ее орбиту для поддержания номинальной высоты.

58. По оценкам НАСА, начиная с конца 2021 года, потребности в доставке топлива для МКС могут превысить возможности доставки российских кораблей «Прогресс». В результате НАСА изучает возможность использования аппарата Cygnus Orbital ATK для обеспечения возможности коррекции орбиты с демонстрацией на МКС уже в июле 2018 года.

59. Центр управления полетами в Москве управляет российским сегментом МКС, на котором размещены многие двигательные и управляющие системы станции, необходимые для схода с орбиты.

60. Консультативная группа по аэрокосмической безопасности была учреждена в соответствии с разделом 6 Закона о разрешении Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства 1968 года с поправками (51 U.S.C. § 31101). Группа дает советы и рекомендации администратору НАСА по вопросам, связанным с безопасностью.

61. Определение «в вакууме» относится к любому модулю МКС, давление которого настолько низкое, что экипаж вынужден эвакуироваться с МКС или больше не может выполнять процедуры, необходимые для управления или стыковки корабля «Прогресс».

Из этого документа становится ясно:

— Управляемый сход МКС с орбиты неизбежен. Дата не определена.
— Проведение процедуры управляемого схода обойдется в миллиард долларов США.
— Процедура схода с орбиты будет длительным процессом. 2 года при штатном сходе или до шести месяцев по аварийному сценарию.
— Основные операции по сходу с орбиты должны сделать корабли «Прогресс» и двигательная установка российского сегмента.
— Вероятность аварии МКС от удара «мусора» оказалась неожиданно высокой (1 к 120).
— Стали понятны операции грузового корабля Cygnus по коррекции орбиты МКС. Отработка возможной «помощи» «Прогрессам» при сходе МКС.