Плазменные туннели показали риски сгорания спутников в атмосфере

Группа Института космических систем Штутгартского университета воспроизводит заключительную фазу схода спутников с орбиты в плазменных аэродинамических трубах. Наблюдать разрушение аппаратов на высоте 60, 80 километров почти невозможно: для самолётов и аэростатов это слишком высоко, для спутников, слишком низко. Поэтому исследователи совмещают моделирование, дистанционные наблюдения и лабораторные опыты с отдельными деталями и материалами спутников. Целиком спутник существующие установки расплавить не могут.

Повод для работы, рост числа объектов на низкой околоземной орбите. По данным Европейского космического агентства, ежедневно в атмосфере сгорают как минимум три крупных спутника или отработавшие ступени ракет, а за год в неё возвращаются и испаряются сотни тонн искусственных объектов. На июнь агентство насчитывало около 18 000 действующих и неработающих спутников. Большинство современных аппаратов рассчитывают заменять примерно каждые пять лет, поэтому в будущем в атмосфере могут испаряться десятки тысяч тонн старых космических аппаратов.

Главная неопределённость связана с составом продуктов сгорания. Метеорного вещества в атмосферу попадает больше, примерно 44 тонны в сутки, но оно в основном состоит из кремния с небольшими примесями никеля и железа, тогда как космическая техника преимущественно содержит алюминий и титан. Учёные опасаются, что алюминий от сгоревших спутников образует оксид алюминия: он может способствовать разрушению озона и отражать солнечный свет, меняя тепловой баланс верхней атмосферы. На такой высоте загрязнения выводятся труднее, чем выбросы в нижних слоях атмосферы. Модели пока расходятся: они указывают либо на большое количество оксида алюминия, либо на потенциально менее вредный гидроксид алюминия.

В одном из опытов команда расплавила 100-граммовый цилиндр из алюминиевого сплава 7075, который часто используют для корпусов спутников и который содержит следы цинка, хрома и магния. При температуре 600 °C образец начал таять крупными каплями примерно через 6,5 минуты. Реальный аппарат входит в плотнеющую атмосферу примерно на скорости 8 км/с, а нагрев от трения может превышать 1 600 °C. В туннеле поток достигает лишь 3 км/с, поэтому исследователи добавляют нагрев электрической дугой: установка потребляет до 6 МВт, сила тока достигает 2 000 А, а температура плазмы, 5 000, 8 000 °C.

Вторая проблема, не все детали обязательно сгорают. В Европе при запуске спутника требуется показать, что вероятность сохранения его фрагмента при сходе не превышает один шанс на 10 000; при массовых возвращениях суммарный риск растёт. Некоторые компоненты, включая баки и маховики системы ориентации из титана, могут быть особенно стойкими. После случая марта 2024 года, когда сброшенный с МКС фрагмент поддона аккумуляторов пробил крышу дома во Флориде, группа проверила в туннеле цилиндр из никелевого сплава Inconel, похожий по материалу: он не расплавился даже при очень большом тепловом потоке. Исследователи разрабатывают опыты с порошками алюминиевых сплавов, чтобы проследить испарение металла, его реакцию с кислородом и состав образующихся частиц.

Ключевые факты

• Штутгартская группа моделирует вход спутников в атмосферу в плазменных аэродинамических трубах, поскольку область разрушения на высоте 60, 80 км почти недоступна для прямых измерений.
• ЕКА сообщало, что ежедневно сгорают не менее трёх крупных спутников или отработавших ступеней, а на июнь вокруг Земли было около 18 000 действующих и неработающих спутников.
• Алюминиевый сплав 7075 массой 100 г в опыте расплавился крупными каплями примерно за 6,5 минуты после нагрева до 600 °C.
• Учёные проверяют, образуются ли при сгорании спутников оксид алюминия или гидроксид алюминия: первый связывают с разрушением озона и изменением теплового баланса верхней атмосферы.
• Испытание цилиндра из Inconel, похожего на фрагмент поддона аккумуляторов МКС, показало, что он не расплавился; это ставит под вопрос полное сгорание некоторых прочных деталей.

Почему это важно

Число спутников и будущих возвращений в атмосферу растёт, а химия их сгорания изучена недостаточно. Алюминий и титан существенно отличаются от состава метеорного вещества, поэтому нельзя переносить на космический мусор выводы о естественном притоке космической пыли.

Кому это важно

Результаты важны операторам спутников и ракет, разработчикам космических аппаратов, регуляторам запусков и исследователям атмосферы. Для жителей на земле актуален и небольшой, но увеличивающийся с числом сходов риск падения уцелевших фрагментов.

Как это применить

Плазменные туннели позволяют по частям проверять, какие материалы плавятся, испаряются или сохраняются при сходе. Эти данные можно использовать вместе с моделированием и наблюдениями для оценки выбросов и для выбора конструкций, которые надёжнее разрушаются при возвращении в атмосферу.

Можно ли доверять

Это лабораторные опыты исследовательской группы Штутгартского университета, дополненные моделированием и дистанционными наблюдениями. Авторы прямо отмечают ограничение: в туннеле нельзя воспроизвести полный путь расплавленного алюминия до образования газа и металлической пыли, а итоговый состав частиц ещё устанавливается.

Риски и подводные камни

Неясно, какой именно продукт алюминия преобладает в верхней атмосфере и каков будет его эффект. Кроме того, испытание Inconel показывает, что отдельные прочные элементы могут не расплавиться; массовое увеличение сходов повышает совокупный риск их падения.

«Когда спутник прекращает существование, он не исчезает. Он всё ещё остаётся в атмосфере в виде маленьких частиц алюминия, и мы не знаем, что эти частицы на самом деле делают в атмосфере.»

— Фабиан Хуфгард, Институт космических систем Штутгартского университета