Как SpaceX затопит МКС

НАСА отмерило срок жизни Международной космической станции. Самый дорогой рукотворный объект в истории человечества просуществует не более 32 лет и будет сведён с орбиты в 2031 году. Выбран подрядчик этой операции, а недавно прояснился и облик корабля, который затопит МКС.

На данный момент Международная космическая станция — спутник-рекордсмен по длительности постоянного обитания человеком. Предыдущий рекорд принадлежит станции «Мир», у которой между заселением первого экипажа и отбытием последнего прошло чуть больше 12,5 лет. МКС началась как международное слияние ещё советского задела по «Миру-2» и американского плана рейгановской эпохи «Фридом», но в дальнейшем к проекту присоединились космические агенства Японии, Европы и Канады. На текущий момент станция провела больше 25 лет на орбите, из которых более 23 на ней находились и работали люди.

В сценарии киноленты «Валериан и город тысячи планет» предполагается, что Международная космическая станция эксплуатируется столетиями и лишь растёт в размерах. Реальная МКС подвержена износу и оставлять её на орбите даже в виде памятника никто не планирует. Многие модули уже вышли за проектный срок службы и начали демонстрировать возраст чередой неполадок.

К примеру, ключевой модуль МКС «Звезда» уже несколько лет имеет утечки. Неладное в скорости утери воздуха заметили ещё в 2019 году, а в 2020 место утечки локализовали и в конце года попытались устранить её. Тем не менее падение давления не прекратилось. В следующие несколько лет космонавты продолжали попытки решить проблему, но и по сей день утечки идут и лишь усиливаются в интенсивности.

Толщина стенок «Звезды» варьируется, но исчисляется миллиметрами: к примеру, в переходном отсеке это значение составляет всего 4 мм. При этом модуль находится на орбите с 2000 года, а сварку корпуса из сплава алюминия и магния закончили ещё в 1985 году. Впрочем, в Роскосмосе считают, что дело не в усталости металла, а в ошибке сварщика.

Даже если забыть про стареющее оборудование, механический износ станции — неизбежность. Связано это с резкими перепадами температур в 240 ° и динамическими нагрузками при любой стыковке/отстыковке.

Варианты

Срок эксплуатации МКС неоднократно продлевали. На данный момент ожидается, что станция в состоянии прослужить до конца 2030 года, за чем последует утилизация. Любые иные варианты попросту нереалистичны:

Если просто оставить настолько крупный объект в космосе, он будет годами тормозиться о верхние слои атмосферы, пока наконец не войдёт в её более плотные слои. Этот процесс будет неконтролируемым. Как показал недавний случай со старой батареей МКС, опасность падения космического мусора вполне реалистична и угрожает жизням людей и их собственности.

Поскольку угол наклонения орбиты МКС составляет 51,6 °, под угрозой находятся 90 % населённой людьми территории Земли.

Бессмысленны и невозможны любые попытки удержать всю МКС на орбите или хотя бы её части. Модули станции — чаще всего несамостоятельные детали большой структуры, для которых нужны интерфейсы и вспомогательные системы, созданные 30 лет назад. Дешевле и проще создать новую станцию с нуля, чем брать для этого отработавшие уже как минимум 15 лет модули существующей.

Высота орбиты МКС составляет около 400 км. Уводить объект массой порядка 420 тонн на орбиту захоронения (36 тыс. км высоты) потребует поистине астрономически огромного объёма топлива.

Дорого обойдётся даже отсрочить падение на пару веков. Для любопытствующих НАСА приводит таблицу, насколько большим должен быть запас топлива буксира.

Для сравнения: «Прогресс» современных модификаций, основной грузовой корабль снабжения МКС и коррекции её орбиты, несёт около двух тонн топлива на борту, часть из которых он тратит по дороге. Все из рассмотренных вариантов требуют разработать и построить принципиально новый космический аппарат огромных размеров.

Если же задействовать перспективные корабли по типу «Старшипа» компании SpaceX, придётся решать множество инженерных задач по стыковке настолько крупных объектов и последующей работы двигателей без разрушения МКС.

НАСА также составило прикидку, имеет ли смысл задействовать электрический ракетный двигатель. Для выхода на орбиту, которая продержится 1000 лет, потребовалось бы 3 года непрерывной работы дорогостоящей двигательной установки и 15 тонн газа рабочего тела. Во время этих трёх лет невозможны манёвры по уклонению от космического мусора, зато остаются требования по снабжению станции топливом для систем ориентации. При этом станция во время перехода на нужную орбиту проведёт значительное время во внутреннем радиационном поясе Земли. Из-за всего этого и отсутствия на борту экипажа МКС рискует полностью выйти из строя.

Наконец, неэтична даже сама идея оставить «подарочек» будущим поколениям в виде падения 420 тонн мусора из неба.

Станцию собирали по модулям, основная часть из которых отправлялась в космос на протяжении 13 лет на американских космических челноках и ракетах «Протон» тяжёлого класса. Для монтажа МКС потребовалось 27 полётов шаттлов и 161 выход в открытый космос. При этом демонтаж в оборудовании конструктивно не предусматривали, а флот шаттлов с 2011 года стоит на вечном приколе. Нет никакой технической возможности вернуть модули обратно.

Несколько лет монтажа МКС за две минуты

Как и планировалось изначально, станция подлежит безвозвратному уничтожению. Сделать это невозможно даже по частям: разборка логистически сложна (станция должна продолжать работу в различные этапы разборки), дорога, трудозатратна и потребует огромного числа выходов в открытый космос.

Единственный допустимый вариант — контролируемый сход станции с орбиты.

Обычно траекторию полёта МКС корректирует (поднимает высоту, уводит от космического мусора или меняет орбиту на более удобную для прибытия нового корабля) корабль-грузовик, пристыкованный к кормовому стыковочному узлу «Звезды». Для сведения с орбиты похожим образом нужен корабль, который придаст станции тормозной импульс и понизит перигей орбиты ниже так называемой точки невозврата.

Ранние планы

Похожим образом закончилась служба «Мира»: за счёт тормозного импульса «Прогресса М1-5» станция вошла в плотные слои атмосферы, и несгоревшие обломки выпали в специальном несудохнодном районе Тихого океана — так называемом кладбище космических кораблей. А вот США пока что имеют лишь неудачный опыт сведения долговременной орбитальной станции с орбиты.

Когда орбита первой и единственной полностью американской станции «Скайлэб» начала опускаться до плотных слоёв атмосферы, операторы попытались увести её для падения над Индийским океаном. Манёвр сработал не до конца, часть обломков упала на сушу. Известен даже исторический анекдот: австралийское графство Эсперанс в шутку выписало штраф в 400 долларов американскому космическому агенству за то, что в 1979 году в малонаселённых районах запада Австралии из космоса упали несгоревшие обломки «Скайлэба».

Самый ранний проект затопления МКС датируется ещё 2010 годом. В его рамках предложено положиться на российскую сторону: «Роскосмос» предоставил бы некий модифицированный вариант корабля «Прогресс», который задействовал бы топливо из собственных баков, а также модулей «Звезда» и «Заря». На регулярной основе (каждые два года) планы отказа от МКС НАСА публикует с декабря 2017 — это так называемые планы перехода (transition report).

Иногда российские политические заявления заставляют американскую сторону понервничать. К примеру, в апреле 2021 года вице-премьер Юрий Борисов сообщил о планах выйти из проекта МКС уже в 2025 году. В начале августа того года НАСА задумалось, что делать дальше. Вероятно, сигнал из СМИ был получен: во второй половине того же месяца глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин успокоил, что от обязательств по затоплению станции Россия не отказывается.

Поэтому когда очередной Transition Report от января 2022 года продлил работу МКС до 2030 года, сведение МКС в январе 2031 отчёт запланировал исключительно российскими усилиями. В документе написано: расчёты показали, что потребуется три «Прогресса». Потенциал привлечь уже зарекомендовавший себя для снабжения МКС космический грузовик Cygnus американской компании «Нортроп Грумман» упоминается лишь мельком и всерьёз не рассматривается.

Также в январе американская сторона обратилась к России с просьбой разработать сценарий затопления МКС. Как утверждал руководитель полёта российского сегмента Владимир Соловьёв, американцы бросились в ноги и захотели работать под руководством России.

Выбранный проект

В следующие месяцы политическая обстановка накалилась. Возможно, что НАСА решило перестраховаться, хотя в СМИ приводят иную причину: российский сегмент просто не может поддерживать сразу три «Прогресса».

Уже 19 августа 2022 НАСА направило запрос промышленности США с просьбой оценить возможность изготовления корабля-убийцы МКС. Требования к аппарату намекнули: американская сторона всерьёз готовится, что Россия в затоплении участвовать не будет вовсе.

Цикл жизни запрошенного спутника: пристыковаться к модулю «Гармония» и иметь ресурс просуществовать так год. При этом тормозной импульс нужно выдать не сразу, а лишь тогда, когда станция опустится на финальную орбиту высотой 270 км. Опускаться до 270 км требования августа 2022 года предложили либо с участием российской стороны, либо за счёт естественного торможения (для чего и нужно продержаться работоспособным на орбите хотя бы год).

Завертелись шестерёнки бюрократической машины государственных подрядов. За первым запросом последовали второй и третий, был сформирован контракт. Если судить по документам, то не позднее встречи с представителями компаний в декабре 2022 года за кораблём закрепилось название USDV (U.S. Deorbit Vehicle или, в других написаниях, United States Deorbit Vehicle). Приём заявок для конкурса технических предложений открылся в сентябре 2023 года и продлился до 4 марта 2024 года.

На одном из этих этапов исчезло упоминание российской стороны. Теперь ожидалось, что до финальной орбиты МКС за год додрейфует самостоятельно.

В финале этапа технических предложений участников конкурса осталось всего два: «Нортроп Грумман» и Space Exploration Technologies Corporation, также известная как SpaceX.

• У «Нортроп Грумман» в проекте МКС умеренно удачный послужной список: это производитель грузового корабля Cygnus и запускающей его ракеты «Антарес».

  Тем не менее стоимость представленного проекта NG вышла за $680 млн. Также первый подрядчик набрал меньше баллов в специально разработанной системе оценки требованиям. В описании результатов конкурса описаны некоторые вопросы к докладу компании.

• SpaceX известна своей высокой успешностью. В рамках программы коммерческих космоперевозок Commercial Resupply Services компания Илона Маска наладила снабжение МКС грузовиками Dragon, а позднее, в контракте частной доставки экипажа Commercial Crew Program, начала запускать и людей на Dragon 2.

  SpaceX набрала заметно больше баллов в системе оценки и пообещала сдержаться в требуемой сумме. Однако документация упоминает вопросы и к SpaceX.

26 июня 2024 года НАСА назвало победителя технического конкурса — компанию SpaceX.

В рамках контракта предполагается, что SpaceX создаст аппарат U.S. Deorbit Vehicle для сведения МКС с орбиты Земли после 2030 года. Как указывает НАСА, российская сторона выйдет из проекта МКС уже в 2028 году.

В июньском пресс-релизе НАСА не демонстрируется, что конкретно будет построено. 28 июня представитель агентства лишь добавил, что SpaceX задействует значительно модифицированный дизайн капсулы кораблей Dragon. Больше деталей было выдано вчера на телеканале NASA TV и твитах SpaceX.

Планируемый USDV выглядит как «Дракон»-переросток. В твите указано, что в корабле будет в 6 раз больше топлива (16 тонн) и в 4 раза более мощная двигательная установка (46 двигателей вместо 16).

Контракт на $843 млн для SpaceX не включает стоимость собственно запуска аппарата. Тяжёлая ракета-носитель для запуска корабля в космос пока не выбрана. Известно лишь, что на всю операцию по сведению с орбиты НАСА запрашивает суммарно $1,5 млрд бюджетных средств. Управлять запуском и полётом будет не SpaceX (как это обычно бывает в пусках кораблей Dragon), а НАСА.

Финальный план незначительно отличается от изначальных требований. USDV запустят за 1–1,5 года до планируемого схода МКС с орбиты. USDV достигнет МКС и состыкуется с передним стыковочным узлом «Гармонии». При этом экипаж станции продолжит работу на борту.

В это время станция будет постепенно дрейфовать и терять высоту орбиты. Участие российской стороны в этом процессе не предусмотрено.

За примерно полгода до даты разрушения люди навсегда покинут МКС. С собой они захватят лишь небольшие предметы на музейные экспонаты. В возвращаемые капсулы «Союзов» и Dragon 2 много груза не войдёт.

Для максимальной экономии топлива естественный эффект торможения верхних слоёв атмосферы будет задействован по полной. По достижении финальной орбиты с высотой 220 км модифицированный Dragon в течение около 4 суток затормозит станцию так, чтобы она управляемо упала в нужном месте Земли. Процесс непростой: придётся учесть все силы и крутящие моменты, которые возникнут в различных частях станции из-за усилившегося влияния атмосферы.

В результате станция разрушится. Сначала отломятся хрупкие солнечные панели и антенны МКС, затем от неё отделятся ферменные конструкции и некоторые модули. Наиболее мелкие осколки сгорят полностью, некоторые размером с легковой автомобиль или меньше упадут в заданном коридоре и осядут на дне Тихого океана.

Международная космическая станция начиналась отчасти как политический проект двух бывших соперников в космической гонке. К сожалению, в дальнейшем пути стран расходятся: НАСА планирует создать станцию на орбите Луны Lunar Gateway, а Россия продолжит присутствие на орбите Земли на РОС. В НАСА уже не будет обязательных курсов русского языка, а космонавтам не придётся учить английский.