Kā raķešu otrie pakāpi tiek „satīrīti“ orbītā: jaunas metodes kosmiskā lūžņu samazināšanai

Katru palaišanas reizi raķetes debesīs paceļ ne tikai satelītus, bet arī atstāj aiz sevis izmantotus pakāpju fragmentus un degvielas atlikumus. Lielākā daļa šo objektu kļūst par kosmiskajiem lūžņiem, kas ilgtermiņā apdraud gan satelītus, gan pilotējamās misijas.

Pēdējos gados inženieri strādā pie tā, lai raķešu otrie pakāpi vairs nepaliktu „karājamies“ orbītā. Tiek testēti risinājumi, kas ļauj tos kontrolēti nogādāt atmosfērā vai pat izmantot atkārtoti, tā samazinot lūžņu daudzumu un izmaksas.

Kāpēc tieši otrie pakāpi ir tik problemātiski

Raķešu otrie pakāpi parasti nonāk salīdzinoši augstās orbītās, kur atmosfēras bremzējošā ietekme ir vāja. Tas nozīmē, ka tie var saglabāties gadu desmitiem un ar laiku kļūt par nekontrolējamiem šķēršļiem citiem objektiem.

Atšķirībā no pirmajiem pakāpjiem, kas bieži vien nokrīt atpakaļ uz Zemi jau minūtes pēc starta, otrie pakāpi paliek tur, kur tie pabeidz dzinēju darbu. Ja misija paredz augstu orbītu, šis pakāpe var kļūt par ilgtermiņa „iemītnieku“ kosmiskajā apkārtnē.

Kosmiskais lūžņu risks un sadursmju ķēdes reakcija

Jo vairāk nevadāmu objektu atrodas Zemes tuvumā, jo lielāka ir sadursmju iespējamība. Pat neliela saskare var sadalīt pakāpi tūkstošiem fragmentu, kas paši kļūst par bīstamiem lidojošiem „šķembām“.

Šo scenāriju teorētiski apraksta tā sauktā ķēdes sadursmju ideja, kad viens incidents izraisa nākamos. Lai gan pilnīga ķēdes reakcija pagaidām nav novērota, zinātnieki to uzskata par nopietnu risku, ja lūžņu daudzums turpinās augt.

Klasiskais risinājums: kontrolēta atkārtota ieiešana atmosfērā

Viens no izplatītākajiem paņēmieniem otrā pakāpes „satīrīšanai“ ir kontrolēta atkārtota ieiešana atmosfērā. Misijas plānošanas laikā tiek ieviests papildu manevrs, kas pagriež pakāpi un ieslēdz dzinējus pretēji kustības virzienam.

Rezultātā pakāpe zaudē ātrumu un orbīta kļūst pietiekami zema, lai atmosfēras berze to strauji palēninātu. Lielākā daļa konstrukcijas sadeg gaisā, bet iespējamie atlikušie fragmenti tiek plānoti tā, lai tie nokristu neapdzīvotās okeāna zonās.

Papildu degviela un programmatūra drošai „pašnāvībai“

Lai šāds manevrs būtu iespējams, raķetes konstrukcijā jāparedz papildu degvielas rezerve tieši otrajam pakāpei. Tas nozīmē nedaudz zemāku kravas masu, taču ievērojami lielāku drošību orbītā.

Ne mazāk svarīga ir programmatūra, kas ļauj pakāpei uzturēt sakarus pēc primārās misijas izpildes. Kontroles komandas tiek sūtītas ar nelielu laika nobīdi, tāpēc sistēmām jābūt spējīgām autonomi izpildīt iepriekš definētus drošības scenārijus.

Dabiskā sabrukšana: orbītu izvēle kā ilgtspējas instruments

Daļu misiju iespējams plānot tā, lai otrā pakāpe pati par sevi lēnām zaudētu augstumu un dažu gadu laikā ieietu atmosfērā. Tad nav nepieciešami lieli dzinēju manevri, pietiek ar pareizi izvēlētu sākotnējo orbītu.

Šo pieeju bieži apvieno ar noteikumu, ka objektiem jābūt izņemtiem no zemajām orbītām saprātīgā laika posmā. Projektējot misiju, inženieri aprēķina, cik ilgi pakāpe saglabāsies augstumā un kā atmosfēras blīvums nākotnē ietekmēs bremzēšanos.

Pasīvās bremzes: plēves, „bremžu“ buras un aerodinamiskie vairogi

Vēl viena pieeja ir pasīvās bremzes, kas palielina objekta laukumu un līdz ar to arī atmosfēras berzi. Tiek testētas vieglas plēves un „buras“, kas izplešas pēc misijas beigām.

Šādi risinājumi ļauj paātrināt dabisko orbītas sabrukšanu, nepatērējot papildu degvielu. Tie ir īpaši noderīgi mazāku raķešu posmiem un satelītiem, kuriem nav spēcīgu dzinēju atkārtotiem manevriem.

Aktīvā savākšana: no harpunām līdz robotizētām rokām

Vairākās demonstrācijas misijās tiek izmēģināta aktīvā orbītas „uzkopšana“. Specializēti aparāti tuvojas pamestiem pakāpjiem, tos satver un pēc tam kopā ar tiem veic kontrolētu ieiešanu atmosfērā.

Savienošanai tiek testēti dažādi mehānismi: tīkli, harpunas, magnētiskie savienotāji vai robotizētas rokas. Šādi eksperimenti vēl ir agrīnā stadijā un prasa rūpīgu risku izvērtēšanu, jo kļūda manevrā var radīt vēl vairāk lūžņu.

Atkārtoti izmantojami pakāpi un ekonomiskā motivācija

Dažas kompānijas strādā pie otrā pakāpes konstrukcijām, kuras varētu atgriezt vai nu ar atmosfēras bremzēšanu un nosēšanos, vai arī ar speciāliem siltuma vairogiem un vadāmu nolaišanos. Ja šie risinājumi būs veiksmīgi, tie samazinās gan lūžņu apjomu, gan startu izmaksas.

Ekonomiskā motivācija šeit ir būtiska: ja otrā pakāpe nav jāražo no jauna katram startam, bet to var daļēji vai pilnībā izmantot atkārtoti, investīcijas sarežģītākās sistēmās var attaisnoties ilgtermiņā.

Noteikumi un brīvprātīgie standarti

Starptautiskā līmenī jau vairākus gadus tiek apspriesti principi, kas ierobežo jaunu lūžņu radīšanu. Daļa no tiem attiecas tieši uz raķešu pakāpju rīcību pēc misijas beigām, piemēram, ieteikums veikt degvielas iztukšošanu, lai novērstu eksplozijas.

Nozare pamazām virzās uz praksi, kur otrā pakāpe tiek uzskatīta par tikpat svarīgu misijas elementu kā pats satelīts. Tas nozīmē, ka ilgtspējīgas orbītu stratēģijas jau projektēšanas brīdī kļūst par normu, nevis tikai par pievienoto „labās gribas“ soli.