Космический мусор может создать новые риски для полётов к Луне

Рост числа экспедиций к Луне может привести к появлению новой зоны накопления космического мусора — в пространстве между Землёй и её спутником. Исследователи Китайской академии наук смоделировали распространение обломков после возможного разрушения космического аппарата на дальней ретроградной орбите вокруг Луны и оценили угрозу для будущих миссий.

Работа Юяня Ву, Пэна Шу и Юцяна Ли опубликована на сервере препринтов arXiv и рассматривает модельные аварийные сценарии, а не последствия уже произошедшего столкновения.

Интерес к окололунному пространству растёт на фоне расширения государственных и коммерческих программ. NASA продолжает программу Artemis после пилотируемого облёта Луны в рамках Artemis II. Китай и Россия развивают проект Международной лунной исследовательской станции, а Европейское космическое агентство готовит грузовые посадочные аппараты Argonaut, первые полёты которых намечены на начало 2030-х годов.

Увеличение числа орбитальных аппаратов, посадочных модулей, разгонных ступеней и транспортных кораблей означает, что вероятность аварий, взрывов и столкновений в системе Земля — Луна также будет расти. В отличие от околоземного пространства, для этой области пока нет отработанной системы наблюдения за мусором и единых международных требований по его удалению.

Авторы исследования изучили разрушение космических аппаратов на трёх дальних ретроградных орбитах. Такие траектории проходят на значительном расстоянии от Луны, а аппарат движется в направлении, противоположном её обращению вокруг Земли. Из-за взаимодействия земной и лунной гравитации эти орбиты считаются относительно устойчивыми; одну из них использовал корабль Orion в беспилотной миссии Artemis I.

Для расчётов учёные применили стандартную модель разрушения NASA. Затем они проследили движение образовавшихся фрагментов на протяжении 30 суток с учётом гравитации Земли, Луны и Солнца. Моделирование проводилось для разных точек возможной аварии, поскольку положение аппарата в момент разрушения существенно влияет на дальнейшие траектории обломков.

Расчёты показали, что за месяц на поверхность Луны падало либо покидало рассматриваемую область не более 3,5% фрагментов. Подавляющее большинство продолжало двигаться в окололунном пространстве.

Для оценки риска исследователи сформировали условную защищаемую область шириной около 200 км вдоль орбиты исходного аппарата. В среднем её пересекали около 3% обломков. Наибольшая концентрация возникала в первые сутки после разрушения, но отдельные фрагменты оставались в опасной зоне несколько недель.

В зависимости от орбиты и места аварии через защищаемую область за 30 дней могли пройти от нескольких единиц до более чем ста фрагментов. Основную угрозу представляло не постоянное скопление мусора, а кратковременные пролёты на высокой относительной скорости. Даже небольшой обломок при таком столкновении способен повредить корпус, солнечные батареи, антенны или системы жизнеобеспечения космического аппарата.

Наиболее опасными в отдельных сценариях оказались разрушения, происходящие в районе обратной стороны Луны. Там формировались облака обломков, быстрее пересекавшие орбиту возможных аппаратов. При этом характер распространения существенно различался даже для близких исходных условий, что затрудняет прогнозирование последствий конкретной аварии.

Риск осложняется тем, что новые столкновения способны порождать дополнительные фрагменты. В околоземном пространстве подобный самоподдерживающийся процесс известен как эффект Кесслера: рост количества мусора увеличивает вероятность новых столкновений и дальнейшего загрязнения орбит. Авторы не утверждают, что такой сценарий уже формируется у Луны, но считают необходимым учитывать его при развитии постоянной инфраструктуры.

Исследователи предлагают заранее оценивать возможные последствия разрушения аппаратов, выбирать менее опасные районы их вывода из эксплуатации и включать риски образования мусора в проектирование лунных миссий. Отдельные правила могут потребоваться для отработанных ракетных ступеней, неисправных спутников и других объектов, которые после завершения полёта остаются в системе Земля — Луна.

Пока исследование охватывает только первые 30 дней после условной аварии и три варианта орбит. Оно не показывает долгосрочную судьбу всех фрагментов и не учитывает полный набор возможных траекторий будущих лунных аппаратов. Тем не менее работа демонстрирует, что проблема космического мусора может выйти далеко за пределы околоземной орбиты ещё до создания постоянных баз на Луне.