Про МКС

---

Международная космическая станция завершит работу в 2030 году. Как спустить ее с орбиты на Землю правильно, без угрозы и ущерба для землян? Это непростая задача, решения которой готовятся уже сегодня.

Полет МКС начался в конце прошлого тысячелетия запуском на орбиту 20 ноября 1998 года функционально-грузового блока «Заря». В конце грядущей осени длительность ее полета составит четверть века, а в 2030 году она дойдет до 32 лет. За этот срок металл в различных местах станции начнет терять свои конструкционные свойства из-за усталости. Хотя на станции невесомость, ее конструкция нагружена: надута давлением воздуха, растягивающим модули станции по всем направлениям. А где-то — например, в стыковочных узлах — есть и линейное сжатие, и кольцевое обжатие. Помимо статических нагрузок по материалам станции пробегают вибрации от работы различных устройств.

Со временем становится необходима замена оборудования, которое вырабатывает ресурс или устаревает. Снижаются характеристики уплотняющих, изоляционных и полупроводниковых материалов, электроники, оптических и других элементов. Нарастает микробиологическое загрязнение станции. Логично и неизбежно завершение работы станции, предварительно намеченное на 2030 год. Что делать дальше?

Варианты подъема станции на высокие орбиты захоронения мало реальны, они требуют огромного количества топлива. К тому же при своих рекордных размерах у МКС и самое большое «сечение захвата», как сказали бы ядерщики. Поэтому вероятность столкновения с другим объектом у станции больше, чем у малоразмерных спутников. А поток фрагментов от удара может быть огромным, массы для разлета на МКС много. Поэтому управляемое сведение с орбиты — единственный реальный вариант завершения работы МКС. Он задает ряд задач, и их набор определит выбор сценария спуска. В них можно выделить две большие части: космический и атмосферный этапы.

Снижение МКС и других спутников

Средняя высота почти круговой орбиты МКС составляет 418 км. Атмосфера, называемая здесь экзосферой, крайне разреженная. Тем не менее она тормозит движение станции. Это приводит к постепенному снижению высоты: МКС теряет за сутки в среднем около 10 м. В среднем, потому что состояние атмосферы на этой высоте зависит от солнечной активности. С ее усилением атмосфера раздувается и плотность среды на орбите МКС может сильно возрастать, увеличивая снижение на порядок, до 100 м в сутки (ноябрь—декабрь 2014 года) или 400 м в сутки (январь—февраль 2002 года).

Для поддержания высоты полета орбиту МКС поднимают в среднем каждые один-два месяца. Для этого используют двигатели российских грузовых «Прогрессов» или модуля «Звезда». Подъем орбиты выходит разным, от 18 до 1–2 км, и зависит от остатков топлива, расходуемых на подъем.

...

Постепенное снижение спутников атмосферным торможением без поддержания орбиты приводит их к высоте 160 км, примерной границе стабильности низких орбит. Здесь потеря высоты составляет уже 20–25 км за один виток. На высотах 150–140 км начинается последний оборот, завершающийся баллистическим спуском с неконтролируемым районом входа в атмосферу. Это подходит для небольших спутников, практически полностью сгорающих в атмосфере.

...

Как затопили «Мир»

...

По разным оценкам, в воду упало от 12 до 25 т (оценка «Роскосмоса») остатков станции, или 9–18% ее орбитальной массы. Основная часть сгорела и развеялась над Тихим океаном. Опыт торможения тяжелой станции тремя импульсами показал верность этого выбора. А ошибка точки падения не вывела обломки за рамки заданного географического района.

...

Логика сведения МКС с орбиты

При сведении с орбиты МКС все будет масштабнее. Ее масса — 440 т, втрое с лишним больше «Мира». Массу фрагментов, которые дойдут до земной поверхности, можно оценивать и в сотню тонн. Сценарий сведения МКС, вероятно, будет похож на затопление «Мира». Район падения тот же самый — южная часть Тихого океана, «кладбище космических кораблей». И разбиение процесса сведения с орбиты на ряд этапов, которые могут иметь свои отличия от этапов завершения полета «Мира». Можно предположить, какими они окажутся.

Первый этап — разгрузка МКС на рабочей орбите. Речь идет о модулях, еще не выработавших свой плановый срок эксплуатации; их можно использовать дальше. Это российские «Наука» и «Причал», запущенные к МКС в 2021 году, или будущие модули, которыми может дополняться МКС. Отстыковав от станции, их можно использовать в составе новых орбитальных конструкций. Возможно сохранение отдельного ценного оборудования либо на орбите в остающихся модулях или при спуске на Землю возвращаемыми кораблями. Но нужно предусмотреть и сведение с орбиты МКС в полном составе, и даже с увеличением массы комплекса за счет буксира.

Второй этап — постепенное снижение высоты от рабочей до предспусковой орбиты действием тормозных импульсов и аэродинамического торможения. Можно увеличить его ориентацией МКС (и ее панелей на ночной стороне). Но одной аэродинамики не хватит. При темпе снижения 100 м в сутки МКС опустится за год лишь на 36,5 км. Чтобы снизиться с 419 км рабочей орбиты до 240–220 км предспусковой орбиты (снижение на 200 км) за год-полтора, понадобятся импульсы: те, что раньше шли на поддержание высоты, нужно использовать для снижения. На этапе постепенного снижения при достаточной для пилотируемых кораблей высоте орбиты в 400–300 км стоит планировать покидание МКС экипажем.

С высоты 240–220 км снижение до падения на Землю продлится около четырех-пяти суток.


Аэродинамическое торможение на этих высотах достаточно слабое и легко позволяет сделать не только один полный оборот корабля вокруг Земли, но и более полусотни оборотов. Одновременно торможение атмосферы здесь достаточно сильное, чтобы свести аппарат с орбиты за четверо суток полета».

Поэтому с этой высоты рационально начинать управляемый спуск, чтобы не перейти вскоре к неуправляемому падению. Серия тормозных импульсов, как в схеме сведения с орбиты «Мира», позволит оптимально построить процесс. Первые импульсы формируют перигей над будущим районом падения в Тихом океане. Они же покажут реакцию перигея на величину тормозного импульса: на сколько километров он опустится при данной, конкретной, текущей массе МКС. Откалибровав движение перигея в зависимости от величины тормозного импульса, можно точнее снижать перигей следующим тормозном импульсом. А последним включением двигателей опустить перигей так глубоко в атмосферу, чтобы путь после него закончился в заданном районе падения. В этом и заключается задача наведения.

Но масса МКС очень велика. Для уменьшения скорости на те же 44 м/с, как при сведении «Мира», нужно в три с лишним раза больший импульс (ведь импульс — это умножение изменения скорости на массу). Отсюда возникают две задачи: нужно иметь достаточное количество топлива и достаточную мощность двигателя. Если для затопления «Мира» требовалось 2,7 т топлива в тормозном «Прогрессе М1-5», то для МКС такого топлива потребуется втрое с лишним больше — около 8,5 т.

Так сценарий сведения МКС с орбиты подводит к задаче выбора средства торможения с достаточно большой мощностью двигателя и запасом топлива и со стыковочным узлом для надежного силового крепления к МКС. Решение задачи возможно в нескольких вариантах. Например, использование корабля «Прогресс» одновременно с российским модулем «Заря», с которого началась МКС. Он оснащен 12 малыми и 24 средними реактивными двигателями корректировки и причаливания и еще двумя более мощными двигателями орбитального маневрирования. Кроме того, топливные баки на «Заре» вмещают 6 т топлива, большую часть общего необходимого запаса.

Сценарий NASA

Как главный оператор МКС, ранее NASA планировало сведение российскими транспортными «Прогрессами». Однако в силу возникших аспектов, от технических до политических, включая заявления главы «Роскосмоса» Юрия Борисова о возможном досрочном выходе из проекта МКС для строительства собственной орбитальной станции РОСС, NASA выбрало путь создания своего космического буксира специально для сведения станции с орбиты. 19 августа 2022 года NASA опубликовало «запрос на информацию» (request for information, RFI) в адрес представителей американской аэрокосмической промышленности. В нем NASA попросило проинформировать о возможности разработки, постройки и запуска задуманного буксира. И для этого обрисовало свою схему сведения МКС с орбиты, которую можно рассматривать как контурное техническое задание для разработчиков.

Согласно этому сценарию, тормозной буксир будет прикреплен к переднему стыковочному узлу американского модуля Node 2 за год до сведения с орбиты. Номинальная высота полета станции оценивается в 416 км, возможная стыковка буксира с МКС прогнозируется в диапазоне высот от 460 до 370 км с минимальной высотой стыковки в 330 км. Эта же высота определена нижним рубежом покидания МКС ее последним экипажем. После стыковки с буксиром МКС будет снижаться за счет атмосферы и тормозных импульсов российского сегмента станции.

...

Появление буксира в бюджете

Из этого сценария понятны некоторые числа как по баллистике сведения с орбиты, так и по требованиям к буксиру. Он должен обеспечить суммарное торможение не менее 47 м/с для МКС массой 450 т. Минимальная общая тяга двигательной установки должна быть 3236 ньютонов, или 0,33 т силы; для обеспечения конструктивной целостности МКС максимально допустимая тяга задается 6178 Н, или 0,63 тс.

По этим контурным значениям можно начинать предварительную оценку и для этого предусмотреть средства в космическом бюджете. 13 марта текущего года NASA опубликовало свой бюджет на 2024 финансовый год (он начнется в октябре текущего года). В бюджете появилась строка, прописанная отдельным параграфом: «Includes $180M to partner with industry to develop a U.S. deorbit capability for ISS» («Включает 180 миллионов долларов США для партнерства с промышленностью для разработки возможностей США по своду с орбиты для МКС»).

Как сказала 13 марта на посвященной этому бюджету телеконференции для СМИ Кэти Людерс (Kathy Lueders), заместитель администратора (директора) NASA по космическим операциям, «это дает нам хороший старт в 2024 году» для проекта создания буксира. Всего же, по ее словам, NASA предполагает общий бюджет для космического буксира немного менее миллиарда долларов. Следующий шаг — отправка запроса предложений (request for proposals, RFP) в адрес предприятий-разработчиков. На основе их предложений NASA надеется снизить стоимость создания и запуска тормозного буксира.

До предварительной даты прекращения полета МКС, 2030 года, остается семь лет. За это время могут возникнуть новые решения, а сценарий затопления МКС — измениться или обрасти новыми деталями. Но старение и износ МКС не остановить, и ее сведение с орбиты будет столь же насущным.

---

Четверть века полету Международной космической станции 403 Forbidden

Грузовой корабль «Прогресс МС-23» готовят к расстыковке от МКС 403 Forbidden
На Байконуре собрали ракету для отправки к МКС четвертого в 2023 году корабля «Прогресс» 403 Forbidden

К МКС полетел грузовой корабль «Прогресс МС-25» 403 Forbidden
Грузовой корабль «Прогресс МС-25» прибыл на МКС 403 Forbidden

Практическое космическое право получило существенное развитие при реализации проекта создания Международной космической станции (МКС). Основная идея, на которой был основан проект – концепция баланса вкладов и обязательств.

Вклады и обязательства участников программы МКС распределились следующим образом:

 США
 Руководящая роль в управлении проектом
 Создание и эксплуатация американского сегмента МКС
 Обеспечение ротации и тренировок экипажей
 Транспортные операции с использованием МТКС «Спейс Шаттл»
 Россия
 Создание и эксплуатация российского сегмента МКС
 Интеграция российского сегмента
 Обеспечение ротации и тренировок экипажей
 Транспортные операции с использованием КК «Союз-ТМА» и «Прогресс»
 EКА
 Создание и эксплуатация модуля «Колумбус» и транспортного корабля ATV
 Запуски корабля ATV с помощью РН «Ариан-5»
 Япония
 Создание и эксплуатация модуля JEM и транспортного корабля HTV
 Запуски корабля HTV с помощью РН H-2
 Канада
 Создание и эксплуатация манипулятора «Канадарм»