Ризики уламків між Землею та Місяцем для майбутніх досліджень

Космічний простір між Землею та Місяцем набуває дедалі більшої уваги та стратегічного планування, оскільки в найближчі десять років заплановано безліч місій, що включають відправку екіпажів на Місяць. Серед них — Програма Artemis NASA, Міжнародна місячна дослідницька станція (ILRS) Китаю та Росії, програма Argonaut Європейського космічного агентства та інші. Довгостроковою метою цих програм є створення інфраструктури між Землею та Місяцем, що сприятиме подальшим дослідженням та навіть розвитку.

Важливо дослідити орбіти уламків, щоб визначити, чи становлять вони ризик зіткнення. У недавній статті команда дослідників з Китайської академії наук (CAS) вивчила розподіл хмар уламків об'єктів у віддалених ретроградних орбітах (DROs), які можуть зіткнутися. Їхні результати дають уявлення про еволюцію уламків у системі Земля-Місяць, що може призвести до розробки рекомендацій з безпеки та стратегій пом'якшення для майбутніх місій на Місяць.

Artist's impression of Artemis astronauts performing extra-vehicular activity (EVA) on the lunar surface. Credit: NASA

Останніми роками міжнародні місії на Місяць зросли, що відображає зростаючу присутність національних і комерційних структур у космосі. Серед них — орбітальний апарат Китаю Longjiang-2 та нещодавні місії програми Chang’e. Також варто згадати орбітальні апарати Індійської організації космічних досліджень (ISRO) Chandrayaan-2 та Chandrayaan-3, орбітальний апарат Данурі з Південної Кореї, посадковий апарат Берешіт з Ізраїлю та місію Хакуту-R з Японії.

NASA вже успішно провела безпілотний тестовий політ Artemis I та екіпажний політ Artemis II навколо Місяця. Місія CAPSTONE NASA, яка була запущена в червні 2022 року, стала першим космічним апаратом, що успішно потрапив у близько-прямокутну гало-орбіту навколо Місяця. До 2030 року NASA та Китай планують відправити астронавтів та тайконавтів на поверхню Місяця, після чого відбудуться наступні місії та створення постійних об'єктів.

Для Китаю це включатиме ILRS, що складатиметься з елементів на поверхні та (можливо) орбітального елемента. Хоча NASA планувала запустити Lunar Gateway на гало-орбіту ще з 2012 року, тепер вони змістили акцент на створення наземної інфраструктури та постійної бази на Місяці. Обсяг руху, необхідного для цього, з використанням посадкових апаратів та транспортних засобів для підйому з Місяця (LAVs) для перевезення вантажів і екіпажу до та з поверхні, буде значним.

Присутність уламків у космосі між Землею та Місяцем, а також на орбіті навколо Місяця становитиме значний ризик зіткнення для місій, що подорожують туди і назад. Крім впливу на операційні місії, зіткнення між уламками призведуть до подій розпаду, створюючи каскадний ефект, при якому більше уламків підвищують ймовірність зіткнень. Це подібно до побоювань щодо космічного сміття та ефекту Кесслера в низькій земній орбіті (LEO), що становить загрозу для супутникових угруповань, космічних апаратів і космічних станцій.

Команда оцінювала розподіл хмар уламків після можливих подій розпаду. Для цього вони застосували модель обмеженої кругової трьохтілесної проблеми (CR3BP) для побудови орбіт-референсів. Паралельно використовувався стандартний модель розпаду NASA для моделювання фрагментації уламків у кількох місцях уздовж трьох DROs. Останній етап, що моделював поширення уламків протягом 30 днів, був виконаний за допомогою моделі обмеженої чотирьохтілесної проблеми (BCR4BP).

Buzz Aldrin's footprint on the Moon's surface during the Apollo 11 mission. Credit: NASA

Дослідники також вивчили потенційний вплив поширення уламків на поверхню Місяця та об'єкти на орбіті. Їхні симуляції показали, що кумулятивний відсоток фрагментів залишиться низьким (менше 3,5%) протягом 30-денного періоду поширення. Вони також виявили, що розпади, що відбуваються поблизу зворотного боку Місяця, мали вищий початковий ризик впливу в деяких їхніх орбітальних симуляціях. Для ризиків зіткнень на орбіті команда визначила "захищену зону" навколо Місяця, яка має форму пончика діаметром 200 км (~125 миль), що слідує за усім шляхом траєкторії космічного польоту.

Ці результати показали, що уламки потрапляють у захищену зону зі середньою швидкістю близько 3%, зазвичай досягаючи піку менш ніж через день після події розпаду. Однак дослідники також виявили, що деякі уламки залишаться в цій зоні і можуть залишатися там протягом декількох тижнів. За тридцяти днів загальна кількість уламкових об'єктів у регіоні значно варіювала в залежності від змодельованої орбіти, від 10 або менше до понад 100. Загалом, потенційні зіткнення зазвичай характеризувалися подіями високошвидкісного пролітного проходу, а не постійними загрозами співорбітальних об'єктів.

Висновки дослідників свідчать, що місячні місії повинні проходити всебічні оцінки ризиків для дотримання умов планетарного захисту та екологічних норм. У найближчому майбутньому це, ймовірно, включатиме угоди щодо запобігання забрудненню космосу між Землею та Місяцем витраченими ракетними ступенями, непрацюючими супутниками та іншими елементами місій, які неминуче стають уламками. Це, ймовірно, доповнить існуючі та майбутні протоколи пом'якшення уламків у LEO, поширюючи їх до Місяця.

Якщо людство має намір розширити свою присутність на Місяці, необхідно дотримуватись належного управління та екологічних норм.