Конец МКС. Как это будет

Вячеслав Ермолин 17.10.2020 20:23 | Наука и техника 33

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.
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 проработать:

  • — 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.

Подробнее на habr.com

Сейчас на главной
Статьи по теме

Лента новостей

Популярное за неделю