Один из вариантов создания будущей Российской орбитальной служебной станции (РОСС) предусматривает ее вывод на высокоширотную орбиту с наклонением 96,8 градусов. В изучении геофизических условий на этой орбите по запросу ракетно-космической корпорации «Энергия», ведущей эскизное проектирование РОСС, участвовали специалисты ИКИ РАН, НИИЯФ МГУ, ИМБП РАН, ПГИ и ИЗМИРАН. О результатах этой работы рассказал директор Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) член-корреспондент РАН Анатолий Петрукович.

Долговременные тренды

Орбитальная станция «Мир» эксплуатировалась 15 лет. Международная космическая станция находится в космосе почти 25 лет, и ее использование продолжается. РОСС также рассчитана на долговременную работу, поэтому важным является вопрос, как изменятся геофизические условия на ее орбите в масштабах десятилетий.

«Прежде всего это касается солнечной активности, подчиняющейся 11-летним циклам, – говорит Анатолий Петрукович. – Максимум предыдущего, 24-го цикла пришелся на 2014 год. В декабре 2019 года начался текущий, 25-й цикл, и сейчас мы выходим из солнечного минимума и приближаемся к очередному максимуму, который наступит примерно в 2025 году. Ввод новой станции в эксплуатацию в настоящее время планируется на 2028–30 годы. Это будет период еще достаточно высокой солнечной активности, но сам солнечный максимум ожидается достаточно слабым».

Однако кроме 11-летних циклов существует еще и так называемый вековой тренд солнечной активности.

«Так получается, что в начале календарного века у нас идут циклы с достаточно низкой солнечной активностью, а в середине и второй половине активность возрастает, – поясняет ученый. – Поэтому максимум следующего, 26-го цикла в 2037–40 годах ожидается достаточно высоким, хотя сейчас предсказать какие-то экстремальные его значения совершенно невозможно. Мы это увидим где-то на горизонте 2030 года».

Другое долговременное геофизическое изменение связано с продолжающимся уменьшением интенсивности геомагнитного поля Земли. Однако характерные периоды этого изменения составляют тысячелетия, и за ближайшие 40 лет магнитное поле уменьшится лишь на 2,5 %. Тем не менее это приведет к уменьшению защитных свойств магнитосферы и к небольшому увеличению радиационной нагрузки.

«Еще один интересный эффект – это выхолаживание верхних слоев атмосферы в связи, как ни странно, с глобальным потеплением, – говорит директор ИКИ РАН. – Один и тот же агент – углекислый газ – способствует нагреву нижних слоев атмосферы и охлаждению верхних, в результате чего значительно снизится их плотность. В масштабах ближайших десятков лет это изменение на высотах орбиты достигнет десятков процентов относительно текущего состояния».

Следствием этого станет некоторое снижение тормозящего влияния атмосферы на космические аппараты. Для орбитальной станции это, с одной стороны, хорошо, поскольку уменьшатся затраты топлива на поддержание высоты орбиты. Но, с другой стороны, в околоземном пространстве станет больше космического мусора, поскольку уменьшение трения атмосферы позволит ему дольше оставаться на орбите.

Электростатический заряд

На полярной орбите станция будет пересекать так называемые авроральные зоны – пояса полярных сияний в районе 60–80 градусов северных и южных широт. Пролет через них будет происходить четыре раза за виток, но наиболее активны эти зоны ночью. Пересечение ночной авроральной зоны в период, близкий к солнцестоянию зимой и летом, будет происходить один раз за виток, а весной и осенью – два раза за виток, что необходимо учитывать при планировании работы станции.

«Автоматические спутники через эту зону летают постоянно, и ничего страшного с ними не происходит, – говорит Анатолий Петрукович. – Не ожидается и какого-то фатального воздействия на станцию, но как себя будет чувствовать при пересечении этих зон космонавт во время выхода в открытый космос, который длится более 6 часов, это вопрос, требующий отдельного изучения».

Авроральная зона – это область наиболее активного взаимодействия магнитосферы и ионосферы Земли, и полярные сияния – лишь видимое проявление этой активности. Космическая погода оказывает здесь наибольшее воздействие в виде таких факторов, как высыпание горячих, обладающих повышенной энергией, электронов магнитосферы и свечения в широком диапазоне спектра: от видимого до рентгеновского.

«Прежде всего была оценена опасность рентгеновской авроры, – рассказывает директор ИКИ РАН. – Ее наблюдения сделаны астрофизическими рентгеновскими телескопами, когда они изредка перенацеливаются на Землю. Дозы радиации от нее невелики. Условно говоря, космонавту надо год висеть в скафандре за пределами станции, чтобы набрать какую-то значимую дозу. Опасения этот фактор не вызывает».

Более опасно в авроральной зоне электростатическое заряжение. Причина этого явления в том, что объекты в космосе не имеют заземления и их электрический потенциал зависит от баланса потоков отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Даже небольшой примеси электронов полярных сияний достаточно, чтобы на космическом аппарате возник электростатический потенциал порядка 1000 В.

Причем важно не само абсолютное значение потенциала, а то, что разные материалы на поверхности космического аппарата заряжаются по разному, порождая дифференциальное заряжение. Если не принимать меры по выравниванию их потенциалов, то между разными частями станции может произойти электрический разряд с соответствующими последствиями как для оборудования, так и для людей, оказавшихся в открытом космосе рядом.

«Интересно, что в США предпринималась попытка запустить на полярную орбиту Space Shuttle, – рассказывает Анатолий Петрукович. – В 1986 году планировался полет Discovery STS-62-A с авиабазы «Ванденберг». Была даже сделана официальная фотография экипажа, но после катастрофы Challenger полет был отменен».

При подготовке к этому полету в США были проведены обширные исследования, связанные с электростатикой, которые были рассекречены и опубликованы. Моделирование показало, что негативный эффект действительно есть, но тем не менее полет был одобрен, то есть риск был признан приемлемым.

Специалисты ИКИ РАН провели собственные исследования этого вопроса по имеющимся спутниковым данным. Было подтверждено возникновение потенциалов в сотни и тысячи вольт на полярных орбитах в авроральных зонах для высот 450 и 800 км, но события эти оказались кратковременные и длились считанные минуты.

Кроме авроральной зоны, опасной с точки зрения электростатики является геостационарная орбита. Причем, в отличие от полярной орбиты, где это воздействие носит кратковременный характер, на геостационаре электростатическое заряжение происходит постоянно. Тем не менее на этой орбите успешно работает множество спутников.

«Дифференциальное заряжение с возникновением разности потенциалов величиной порядка 1000 В на полярной орбите действительно возможно, что может представлять угрозу как для материалов, так и для электронных схем, – делает вывод ученый. – При создании аппаратуры новой станции необходимо учитывать электрические свойства приповерхностных структур, их сопротивления и емкости, и проводить испытания на устойчивость к разрядам. Необходимо проверять на устойчивость к разрядам и скафандры. То есть опасность существует, но как с ней бороться, понятно».

Радиация

Главный негативный фактор полярной орбиты – это повышенная радиация. В отличие от низкоширотной орбиты, где магнитное поле Земли постоянно выполняет функцию защиты от космического излучения, на высокоширотной орбите в приполярных областях наблюдается прямое проникновение галактических и солнечных космических лучей в виде потока заряженных частиц.

«Усредненный по орбите коэффициент проникновения космических лучей при наклонении 51,6 градусов близок к нулю, но с увеличением наклонения орбиты от 60 до 70 градусов довольно быстро растет до 0,2–0,3, после чего наступает насыщение, – рассказывает Анатолий Петрукович. – Таким образом, все орбиты с наклонением выше 70 градусов примерно эквивалентны по радиационной угрозе. Для сравнения: на поверхности Луны коэффициент проникновения космических лучей составляет 0,5 (снизу защищает поверхность Луны), то есть на высокоширотной орбите мы имеем половину лунной радиации».

Еще одна важная особенность – это вариативность солнечных космических лучей. Уровень радиации от галактического излучения, прилетающего из-за пределов Солнечной системы, на полярной орбите мало зависит от активности Солнца, зато вклад от солнечных космических лучей может значительно возрастать в период максимума солнечной активности. А самое худшее, что этот рост труднопредсказуем, поскольку зависит от случайного набора солнечных вспышек. Их воздействие на орбите МКС практически подавлено магнитосферой, но на полярной орбите мы периодически получаем почти полный поток радиации.

Директор ИКИ РАН предупреждает, что в период экстремально повышенной солнечной активности получаемые дозы могут возрасти многократно.

«Я могу привести пример, когда во время экстремального солнечного события в 1989 году, длившегося несколько недель, дополнительная доза радиации фактически оказалась равной среднегодовой», – вспоминает Анатолий Петрукович.

«Стандартный подход состоит в том, что мы за основу в расчетах радиационной безопасности принимаем наихудший, хотя и маловероятный случай, – говорит директор ИКИ РАН. – К сожалению, такой подход в случае полярной орбиты приведет к запретительному результату».

Во избежание этого необходимы более точные методики расчета радиационной обстановки на борту полярной орбитальной станции с более детальным научным сопровождением, включая расчет дозы в реальной геометрии станции и реальном размещении на ней человека, чтобы избавиться от неопределенностей, которые требуют принятия наихудшего случая для гарантированной безопасности. Нужно вести детальный мониторинг набираемой космонавтами в ходе полета дозы и спланировать комплекс парирующих мероприятий и дополнительных защит.

«По нашим расчетам, нужно выйти на эквивалентную защиту порядка 15 грамм материала на квадратный сантиметр поверхности обитаемых модулей станции, – утверждает ученый. – Напомню, что если я просто возьму массу Многофункционального лабораторного модуля «Наука» и поделю на площадь его поверхности, то получу где-то 11 г/см². Так что в принципе уровень защиты в 15 г/см² выглядит достижимым. Тем не менее в периоды максимума солнечной активности возможно сокращение срока пребывания космонавтов на станции».

Ученый особо отметил, что в условиях повышенной чувствительности орбиты к внешним факторам – прежде всего солнечным – необходимо увеличить требования к гелиогеофизическому сопровождению работы орбитальной станции, включая непрерывный мониторинг космической погоды.

«К настоящему моменту данные по солнечной активности и по солнечному ветру, которые необходимы для мониторинга и прогноза состояния авроральной зоны, мы на 90 % получаем с американских спутников, – говорит Анатолий Петрукович. – У нас фактически есть лишь несколько приборов на космических аппаратах „Электро-Л” и „Метеор-М”».

По словам ученого, сейчас формируется программа создания системы поиска опасных астероидов, мониторинга космического мусора и других космических угроз «Млечный путь», в которой есть раздел космической погоды, и в случае выбора для РОСС высокоширотной орбиты очень важно организовать соответствующие наблюдения в рамках этой программы, включая размещение космического аппарата мониторинга солнечного ветра в дальнем космосе.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН

Фото NASA