Почему космический мусор так устойчив на НОО?

Как я это вижу, проблема двоякая:

Во-первых, правила направлены на ограничение времени пребывания на орбите мусора/спутников после окончания их полезного срока службы:

e) орбитальный срок службы объектов, проходящих через НОО (менее 2000 км), должен составлять менее 25 лет после окончания эксплуатации.

(Источник: требования и соответствие ISO 24113 по уменьшению засорения)

Почему именно Межведомственный координационный комитет по космическому мусору (IADC) хочет оставить спутники на орбите после окончания миссии (ведь можно подумать, что разумнее выносить мусор, когда мусорное ведро наполнится, а не через 25 лет?) обрисован немного лучше ESA :

Все большее число стран вводят правила, ограничивающие образование свежего мусора на защищенных низких орбитах, обычно подразумевая, что спутники должны быть сбиты или подняты отсюда в течение 25 лет после окончания их срока службы, при этом снижая риск для людей на земли до менее чем 1 на 10 000.

Их также необходимо «пассивировать», удаляя остатки топлива и отключая батареи, чтобы избежать взрывов.

Таким образом, обломки целенаправленно удерживаются (на данный момент; все еще сведены с орбиты в течение запланированных 25 лет) на орбите, чтобы попытаться вывести спутник из эксплуатации, чтобы уменьшить вероятность ущерба для людей. Также, если читать между строк, это делается для того, чтобы на Земле не было града взрывающегося металла, который бы сильно ударил как по репутации, так и по финансированию космических агентств. (Примером этого может быть рассмотрение того, насколько сильно население относится к ядерной энергетике, при этом заявляя, что они недостаточно хорошо о ней знают; некоторые могут описать ядерную энергетику как «дар богов, растоптанный из-за страха». .)

Вторая проблема при длительном нахождении завалов – это почти полное отсутствие противоборствующих сил. В системе отсчета обломков практически единственной постоянной противодействующей силой является сопротивление земной атмосферы. Атмосферное сопротивление влияет на все в пределах примерно 500 километров (около 310 миль или около 1,6 миллиона футов) от поверхности Земли. Документ Корнельского университета дает математическое сопротивление:

Для многих спутников на низкой околоземной орбите (НОО) наибольшая неопределенность динамической модели связана с атмосферным сопротивлением. Ускорение из-за атмосферного сопротивления$\boldsymbol{a}_D$связано с плотностью атмосферы$\rho$по уравнению:

$$\boldsymbol{a}_D = −\frac{1}{2} \left( C_D \frac{A_v \left( t \right) }{m_s} \right) \rho v_r^2 \boldsymbol{e}_v$$ куда $C_D$коэффициент лобового сопротивления, $A_v \left( t \right)$площадь поперечного сечения спутника в направлении движения, $m_s$- полная масса космического корабля, $v_r$- величина скорости относительно окружающей атмосферы, и $\boldsymbol{e}_v$является единичным вектором в направлении относительной скорости.

Из приведенной выше формулы мы видим, что объект с меньшей массой действительно будет иметь большее атмосферное сопротивление, как вы предположили. Здесь также важную роль играет площадь поперечного сечения.$A_v \left( t \right)$обломков. Если вы думаете о том, чтобы попытаться бросить пляжный мяч и небольшой камень примерно одинаковой массы, вы знаете, что вы можете бросить маленький камень намного быстрее, чем пляжный мяч, и это из-за разной площади поперечного сечения.$A_v \left( t \right)$из двух объектов.

Теперь давайте рассмотрим целые спутники в сравнении с более мелкими фрагментами мусора: меньший фрагмент, вероятно, не полый, а просто кусок металла или какого-либо композита, тогда как спутник будет относительно пустым и полым изнутри. В этом случае отношение площади поперечного сечения$A_v \left( t \right)$и полная масса космического корабля$m_s$будет больше для спутника, чем для меньшего фрагмента мусора, т . е . спутник будет иметь большее сопротивление и сходить с орбиты раньше, чем меньший фрагмент мусора (при условии, что константы и коэффициенты останутся одинаковыми для обоих).

Это ставит вопрос о том, почему США и Китай пытались взорвать старые спутники, создав десятки тысяч новых, более мелких и долговечных обломков, когда это не имеет физического смысла?

Короче говоря, скорость, к сожалению, не так высока. Предпринимаются усилия по борьбе с ним (см. ссылку ESA выше), но пока в краткосрочной перспективе это выглядит довольно ужасно. И вдобавок ко всему, все, что превышает порог в 500 км, практически не ощущает сопротивления из-за атмосферы. Например, спутники на геостационарной орбите (ГСО, около 36 000 км / 22 000 миль) должны быть переведены на орбиту кладбища в конце их срока службы. Из Википедии:

Орбита кладбища, также называемая мусорной орбитой или орбитой захоронения, представляет собой сверхсинхронную орбиту, которая находится значительно выше синхронной орбиты, на которую намеренно помещаются космические аппараты в конце их срока службы. Это мера, направленная на снижение вероятности столкновений с действующими космическими аппаратами и образования дополнительного космического мусора.

Чтобы ответить на некоторые из ваших коротких вопросов:

• Эта картинка из Википедии дает некоторое представление о том, насколько мы грязные:
• Отделение конечной ступени обычно предназначено для того, чтобы не сдувать в космос много мусора, и агентства / компании, занимающиеся запуском, все чаще пытаются вернуть более ранние ступени на Землю (целыми или нет). В противном случае у вас может быть кусок или два обломка, которые уже имеют нисходящую траекторию при отделении ступени (третий закон движения Ньютона: «дополнительный толчок» при отделении ступени одинаково влияет на более раннюю ступень, поэтому, пока полезная нагрузка отталкивается дальше от Земли , более ранняя стадия отталкивается к Земле.)
• В наши дни происходит около 70-90 запусков в год, так что нет, мы не запускаем орбитальные полезные нагрузки со скоростью 1 раз в 3 дня... Просто со скоростью примерно 1 раз в 4 дня. ;) Однако это не равно количеству развернутых спутников: например, недавние разработки CubeSats (крошечные (10 см на 10 см на 10 см), дешевые спутники) привели к одновременному запуску множества более мелких спутников вместе с более крупными. полезная нагрузка. В конце 2013 года ВВС США запустили ракету Minotaur I с основной полезной нагрузкой, программой космических испытаний ВВС Satellite-3, а вместе с ней и 28 CubeSat, так что за один запуск было запущено впечатляющее количество спутников — 29.

Итак, после всего этого бормотания основной источник космического мусора — это мы сами. И не совсем то, что мы запускаем в космос все больше и больше вещей, а отсутствие прогресса в эффективном удалении наших прошлых, настоящих и будущих орбитальных аппаратов из космоса после того, как их миссии закончились. Надеюсь, это помогло.

(Препятствие, о котором я не упомянул, носит политический характер: правительства на самом деле не хотят финансировать миссии по удалению космического мусора. как раз наоборот (никто никогда не высоко ценит мусорщиков, несмотря на их инфраструктурно важную работу).)