Лазерный мир

Виктор В. Аполлонов// журнал Космонавтика, 2019, №6 (59) 

Рукотворный смертоносный мусор может через десятилетия оказаться на пути космических кораблей. Это будет уничтожающий дождь метеоритов, занимающий тысячи миль окружающего пространства.
Джеймс Уайт

Что понимают под термином «космический мусор»?

Космический мусор бывает двух сортов – искусственный (рукотворный) и естественный. Искусственный – это верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, отработавшие свой срок, исчерпавшие ресурс и вышедшие из строя спутники, а также обломки, образовавшиеся в результате столкновения двух спутников либо после проведения испытаний средств противоспутниковой обороны. Естественный мусор – это, естественно, метеориты и астероиды.

Взрывы и непреднамеренные столкновения в космосе – самые опасные источники мусора. Наибольший вклад в загрязнение космоса внесли проведенные рядом стран испытания противоспутниковых ракет, которые уничтожали свои отработавшие срок спутники. Это привело к образованию новых обломков размером от сантиметра до метров; большая часть – куски менее 10 см.

Проблема засорения околоземного космического пространств, возникшая с момента запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году, получила официальный международный статус в конце 80-х годов прошлого века. Тогда Генеральная ассамблея ООН одобрила руководящие принципы предупреждения образования космического мусора: разработку безотходных технологических процессов в космосе, увод исчерпавших ресурс космических аппаратов с орбиты, отказ от испытаний противоспутниковых средств обороны. Подобные меры необходимы, чтобы избежать эффекта (синдрома) Кесслера – достижения критической плотности мусора, когда начинается цепная реакция фрагментации. Такой процесс способен разрушить в течение нескольких лет или месяцев все объекты на орбите, остановить на десятилетия освоение космоса человеком. По многим прогнозам, для самых загрязненных околоземных орбит, гелиосинхронных и геостационарных, критическая плотность может быть достигнута уже к середине текущего века.

Космический мусор, окружающий Землю

Количество космического мусора ежегодно увеличивается в геометрической прогрессии не только потому, что на орбитах становится все больше неработающих аппаратов, но и потому, что любое столкновение двух обломков приводит к появлению десятков, сотен и тысяч обломков меньшего диаметра, т.е. к их катастрофически быстрому размножению. В 1996 году французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской ракеты Arian. В 2009 году американский спутник связи Iridium столкнулся с военным российским спутником связи «Космос-2251», запущенным в 1993 году и выведенным из эксплуатации в 1995 году (следствие – образование нескольких сотен осколков).

В 1970–1980-х годах США запустили в космос ракету, и в качестве полезной нагрузки она несла и позже выбросила несколько килограммов отрезков медной проволоки. Это была попытка создать вокруг Земли кольцо, отражающее радиосигнал, для осуществления дальней радиосвязи (радиосвязь была установлена, но кольцо сравнительно быстро рассеялось, и все куски проволоки сгорели в атмосфере).

В 2007 году успешное испытание Китаем противоспутникового оружия – разрушение своего вышедшего из строя спутника связи – привело к появлению нескольких тысяч его фрагментов.

Одним из первых пострадавших от столкновений с космическим мусором стал шаттл Challenger в 1983 году: произошло соударение с микропесчинкой менее 1 мм в диаметре, появилась трещина на иллюминаторе. Позже эксперты пришли к выводу, что это была всего лишь микрочастичка краски, отслоившаяся от какого-то аппарата. Сталкивалась с мусором советская орбитальная станция «Салют-7». Не стала исключением и станция «Мир», солнечная батарея которой в 1990-е годы была пробита куском космического мусора, после чего в ней образовалась рваная «рана» диаметром более 10 см. Сейчас МКС приходится маневрировать в среднем несколько раз в год, чтобы избежать возможных столкновений, однако специалистам приходилось не раз поволноваться за сохранность станции. Так, в 1999 году чуть не произошло столкновение с обломком разгонного блока от ракеты, давно блуждающего в космосе, а в 2001 году станция имела шанс столкнуться с семикилограммовым прибором, потерянным американскими астронавтами.

Последствия столкновений с космическим мусором

Космический мусор небезопасен для жителей планеты Земля, потому что он может свалиться на голову в буквальном смысле этого слова. Достаточно вспомнить падение с орбиты в 1979 году станции Skylab на территорию Австралии – тогда обошлось без человеческих жертв, в результате инцидента погибла только корова. В 1991 году станция «Салют-7» распалась на фрагменты над Аргентиной.

Особую опасность представляет та разновидность космических аппаратов, которые содержат в себе радиоактивные материалы. Именно таким был советский спутник «Космос-594», упавший в 1978 году на севере Канады. В 1997 году обломок второй ступени ракеты-носителя Delta (США) повредил женщине плечо.

Есть ли выход из сложившейся ситуации?

Очевидно, что в уже сегодня проблему столкновения с космическим мусором необходимо учитывать при баллистическом проектировании любой миссии (пока это делают только для орбитальных станций и крупных спутников). Миниатюризация космических аппаратов и использование групп малых аппаратов вместо одного большого лишь усугубляют проблему. К настоящему времени проблема защиты аппаратов от попадания в них мусора стала критически важной, поэтому стоит присмотреться к этому подробнее.

Принято делить частицы космического мусора на четыре группы – в основном в зависимости от размера. От номера группы зависят степень опасности, возможность постоянного наблюдения и меры защиты.

Первая группа – размер более 10 см для низких орбит и более 1 м для геостационарных орбит. Все они (будем надеяться) наблюдаются, их около 14 тысяч, последствия при столкновении – гибель корабля. Эти фрагменты можно было бы удалять механически или лазером (об этом ниже), а пока что от них приходится уклоняться.

Вторая – от 1 до 10 см, их сотни тысяч, последствия при столкновении – серьезные разрушения, удалять их можно лазером мощностью порядка 0,5 МВт.

Третья – от 1 мм до 1 см, их, по оценкам, десятки миллионов, и защищаться от них можно только конструктивными мерами, например, экранами.

Четвертая – менее 1 мм, этих, скорее всего, десятки триллионов, вызывают они эрозию поверхности. От них (если это не сенсоры или зеркала телескопов) можно и не защищаться.

Задачи защиты можно разделить на три: упреждающая защита конкретного аппарата, защита при подлете – на «витке столкновения» и, наконец, радикальный метод – очистка космического пространства.

Лазер – идеальный инструмент для «космической хирургии»

Лазерное излучение с высокой пиковой мощностью, обрушившись на фрагмент мусора, мгновенно нагревает его поверхность до температуры испарения материала и создает импульс отдачи, достаточный для придания нужной траектории. В результате воздействия может также произойти и распад фрагмента на более мелкие и менее опасные куски.

Наиболее мощные и энергетически соответствующие задаче на данный момент – химические лазеры HF/DF . При размещении лазера на земле его излучение должно мало поглощаться в атмосфере, поэтому предпочтительнее использовать DF-лазер с длиной волны в диапазоне 4 мкм. При размещении в космосе заметно преимущество высокоэнергетического твердотельного дискового лазера с полупроводниковой накачкой и длиной волны близкой к 1 мкм. Лазер должен работать в высокочастотном импульсно-периодическом режиме – в этом случае пиковые значения интенсивности излучения возрастают на порядки по сравнению с непрерывным режимом. Время между импульсами определяется сменой активной среды в лазерной зоне химического лазера или восстановлением инверсной населенности среды в случае твердотельного лазера. В экспериментах, выполненных в ИОФ РАН, было показано, что для наибольшего энергосъема частота модуляции DF-лазера должна составлять не менее 150 кГц, для твердотельного лазера – 50–100 кГц, при длительности импульса 10–100 нc.

При размещении на Земле можно установить лазер на высоте 2,5–3,5 км для уменьшения влияния атмосферы, но лучше использовать, как говорят профи, «воздушное базирование» на высоте 20 км. Плюсы при этом – уменьшение влияния атмосферы и увеличение радиуса воздействия на объект за счет большей дальности горизонта. Также следует учитывать и возможность доставки лазера в любой район с целью повторить облучение через небольшой промежуток времени (менее суток), переместившись в ближайшую точку повторного прохождения цели.

Стационарный лазер применим для поражения мусора при пролете его над лазером. Воздействие луча эффективно в секторе с полным углом раскрытия 30° относительно вертикали (меньшая дальность горизонта), область воздействия на высоте 300 км – круг диаметром 160 км. Стало быть, зона поражения – это спиральный след шириной 160 км, и совершая 16 витков в сутки, она окажется в той же области поверхности Земли примерно через неделю. Поэтому использование стационарного лазера с малой частотой повторения импульсов требует ведения каталога объектов уничтожения и многократного воздействия на один и тот же объект. При высокочастотном импульсно-периодическом режиме следования импульсов лазера можно добиться ситуации, когда необходимое и достаточное для уничтожения опасного объекта воздействие будет произведено за один пролет.

Проделанный нами и опубликованный в специальных изданиях расчет показывает, что борьба с космическим мусором возможна с помощью как автономного твердотельного лазерного комплекса космического базирования, так и стационарного высокочастотного импульсно-периодического комплекса на основе молекулы DF с системами фокусировки и наведения луча. Для ускорения падения фрагмента мусора в атмосферу необходимо произвести его торможение и перевод на более низкую орбиту с меньшим временем «жизни».

Известно, что время нахождения объектов на орбите сильно зависит от ее высоты. Время «жизни» объекта на высоте 1000 км составляет ~2000 лет, на высоте 600 км ~25–30 лет, на высоте примерно 200 км – около недели. В диапазоне высот 100–1000 км зависимость времени «жизни» фрагмента мусора Т от высоты над Землей H можно аппроксимировать как T ~ H7. При такой сильной зависимости от высоты даже небольшое торможение и снижение орбиты приводит к заметному снижению времени «жизни». Так, снизив высоту орбиты с 300 до 200 км, мы уменьшаем время «жизни» со 120 до шести дней.

Основываясь на имеющихся литературных данных, можно утверждать, что для комплекса космического базирования мощность порядка нескольких десятков киловатт достаточна для существенного снижения времени «жизни» небольшого фрагмента космического мусора. Естественно, дальнейшее увеличение мощности лазерного комплекса еще более снижает время «жизни», то есть увеличивает эффективность падения уничтожаемого фрагмента в атмосферу, поэтому для быстрой очистки космического пространства необходим автономный комплекс со средней мощностью порядка нескольких сотен киловатт. Частота лазерных серий выстрелов будет определяться частотой попадания космического мусора в область действия лазера и временем энергетической дозаправки в космосе.

При использовании наземной установки с размещенным в космосе приемным зеркалом энергетические потери при прохождении излучения в атмосфере и потери на приемном зеркале потребуют существенно более мощной установки (уровня нескольких МВт). Частота пусков определяется частотой прохождения зеркала над стационарным лазерным комплексом (в среднем не чаще, чем раз в неделю) и вероятностью попадания космического мусора в эти периоды в область действия лазера. В этом случае частота пусков будет гораздо меньше, чем при использовании автономного лазерного комплекса космического базирования. Существует вариант и одновременного обслуживания многих объектов космического мусора, что потребует постоянного ведения каталога таких объектов.

Лазерный комплекс на твердом теле с дисковой геометрией рабочего тела и полупроводниковой накачкой видится более компактным и легким для транспортировки в космическом пространстве. Опытный образец лазера на «слэбах» (плитах) мощностью чуть более 100 кВт недавно был создан в США и продемонстрировал непригодность для дальнейшего масштабирования выходной мощности. Уже очевидно, что только дисковая геометрия рабочего тела лазера позволяет его масштабирование до уровня 500 кВт и более. Высокочастотный импульсно-периодический режим работы в случае такого технологического решения возможен. Комплекс на основе твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой мощностью 300 кВт с минимальной расходимостью излучения, работающий в высокочастотном импульсно-периодическом режиме с длительностью импульсов τ ~ 10–100 нс, обеспечит необходимое воздействие на космический мусор с прицельного расстояния 100 км. Размер светового пятна на объекте на таком расстоянии будет в пределах нескольких сантиметров.

Вообще говоря, создание высокоэнергетических твердотельных лазеров дискового типа с большим сечением выходного пучка представляет собой сложную научно-техническую проблему современной лазерной физики. Моно-модульная геометрия дискового лазера большого диаметра видится важнейшим решением задачи создания высокоэнергетических лазерных систем, обладающих компактностью, низкими весовыми характеристиками и высокой эффективностью.

Еще одно возможное решение состоит в многоканальном принципе построения лазера. В соответствии с этим принципом лазер «набирается» в виде решетки идентичных каналов, в каждом из которых происходит лазерная генерация. Такая решетка лазеров образует оптический источник с составной апертурой, у которого выходное излучение представляет собой совокупность пучков отдельных лазеров. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществлять оптическую накачку активной среды и отвод тепла из ее объема. Однако многоканальный принцип построения лазера требует дополнительных усилий по обеспечению высокой направленности генерируемого им излучения.

Как уже отмечалось, из-за существенного поглощения излучения в атмосфере при размещении лазера мощностью в несколько мегаватт на поверхности Земли лучше всего использовать лазерный комплекс на основе молекулы DF в импульсно-периодическом режиме с частотами повторения ~10–100 кГц и длительностями импульсов излучения ~10–100 нс. Cтационарная установка должна располагаться на достаточно большой высоте над уровнем моря (~ 2,5 – 3,5 км). При этом высокоэнергетический лазер должен демонстрировать оптическое качество выходного излучения не хуже полутора-двух дифракционных пределов. Последнее можно обеспечить, например, методами адаптивной оптики. С помощью формирующего телескопа с диаметром главного зеркала D = 10 м излучение передается на фрагмент мусора непосредственно или на приемное зеркало, размещаемое на космическом аппарате. Системы обнаружения, слежения и наведения силового излучения на объекты космического мусора вместе с фокусирующим телескопом в этом случае должны находиться на космическом аппарате.

Рассмотренные в этой работе варианты лазерных комплексов могут найти применение не только в задачах, связанных с космическим мусором, но и в других больших проектах, в частности, для разработки и создания лазерного ракетного двигателя, для беспроводной передачи энергии на большие расстояния, очистки водной поверхности от нефтесодержащих продуктов, очистки протяженных и сложных поверхностей от загрязнений, защиты особо ценных и экологически опасных и других объектов, равно как могут использоваться для специального применения и многого другого.

Необходимо международное сотрудничество

Широкоапертурные импульсно-периодические лазерные системы с большой частотой повторения импульсов могут стать решением проблемы уничтожения космического мусора и объектов естественного происхождения или увода их на безопасные орбиты.

Для решения задачи заблаговременной защиты от космического мусора наиболее пригодны высокочастотные импульсно-периодические лазерные комплексы наземного базирования на основе DF-лазера для воздействия на космический мусор непосредственно с Земли. При длительности импульсов 10 нс и частоте 10 кГц требуется лазерный комплекс мощностью до 2,5 МВт. Такие уровни средней мощности уже близки к реализации на практике, и дело совсем за малым.

Для защиты космического аппарата от столкновения с космическим мусором или метеоритными частицами при их подлете к нему наиболее эффективен автономный высокочастотный импульсно-периодический лазерный комплекс космического базирования на основе твердотельного дискового лазера (размещенного на самом космическом аппарате). При средней мощности лазера 300 кВт и длительности импульсов 10 нс обеспечивается защита от типичного космического мусора размерами до 10 см. Проведенные оценки показывают, что при уже достигнутом уровне развития твердотельных лазерных систем с параметром эффективности лазерной технологии 5 кг/кВт возможно построение легких и компактных бортовых лазерных комплексов для эффективной защиты космических аппаратов различного назначения.

Совершенно очевидна необходимость в налаживании международного сотрудничества в этом вопросе. Космические просторы Вселенной велики, но здесь, как и у себя дома, нужно наводить порядок и иногда выбрасывать старые вещи. На сегодняшний день проблема мусора в космосе – одна из самых острых, которую не может решить ни одна отдельно взятая страна. Однако как политики, так и ученые космической отрасли и лазерной физики едины в одном: контроль над космическим мусором необходим для обеспечения безопасной деятельности в космическом пространстве сегодня и в будущем. Это действительно представляется важнейшей задачей современности для мировой научно-технической общины.

Подобный шаг чрезвычайно значим также и с точки зрения перехода к следующему этапу международного сотрудничества в этой сфере деятельности – борьбе с угрозами жизни на планете со стороны астероидов и комет, время от времени «проверяющих» уровень научно-технического развития и степень разумности обитателей планеты Земля.

©»Новый оборонный заказ. Стратегии» № 6 (59) 2019 г. , Санкт-Петербург Источник: https://dfnc.ru/arhiv-zhurnalov/2019-6-59/vazhnejshaya-zadacha-sovremennosti-dlya-vysokoenergeticheskih-lazerov/