Александр Березин. Облако обломков против МКС: в чем смысл орбитального ракетного удара Москвы?

Пятнадцатого ноября с Плесецка была запущена ракета — предположительно, «Нудоль», часть системы, работающей в противоракетной обороне Москвы, — попавшая в старый советский военный спутник «Космос-1408». Тот превратился в тысячи обломков. Поскольку его орбита была всего на 40 километров выше, чем у МКС, эти обломки рано или поздно, но обязательно создадут угрозу столкновения для обитаемой станции. Это неизбежно по физическим причинам: на высотах ниже 500 километров есть существенное экзоатмосферное торможение всех объектов, отчего они постоянно снижают свою орбиту. В течение пяти лет большинство обломков из этой зоны дойдут аж до земной атмосферы — где и сгорят. И по пути, разумеется, обломки рано или поздно пересекут орбиту Международной космической станции. Где, напомним, пока есть и российские космонавты. Сами собой возникают вопрос. И первый из них:

Зачем вообще надо было запускать ракету?

Чтобы понять, зачем испытывают оружие, надо понимать, как оно работает. Оружие — причем любое, даже автомат Калашникова — иногда может работать неидеально. И чем оно сложнее — тем чаще. Поэтому его и испытывают в самых разных условиях. Почему в самых разных? Потому что отлично работающее в одних условиях оружие может быть абсолютно бесполезным в других — казалось бы, несильно отличающихся.

Скажем, немецкие подводные лодки Второй мировой были довольно эффективными убийцами: полторы сотни боевых кораблей союзников и более трех тысяч их торговых судов отправили на дно именно немецкие «акулы из стали». Но был нюанс: разработчики не испытали их на торпедные стрельбы после длительного пребывания в подводном положении. В открытом океане это не имело значения, так как немцы там всплывали каждую ночь (ведь эсминцы противника далеко). А вот во время Норвежской кампании немцы были вынуждены подолгу бывать в подводном положении. Как оказалось, их торпеды после этого не могли нормально работать. Из 108 выпущенных кригсмарине торпед у цели тогда взорвалась лишь одна.

То есть в силу одной недоиспытанности в разных условиях высокоэффективное оружие временно превратилось в металлолом, способный только на то, чтобы доводить до истерики командиров подлодок. Насчет истерики мы не шутим. Гюнтер Прин, лучший немецкий ас-подводник той эпохи, отреагировал на небоеспособность своей лодки так:

«Возвратившись в порт, он сказал мне [адмиралу Деницу], что «вряд ли сможет и дальше воевать с игрушечным ружьем».

Красным схематично показана орбита сбитого «Космоса-1408», белыми рамками показаны участки над Арктикой, которые Россия перед уничтожением спутника объявила закрытыми для полетов на трое суток / @planet4589

Его реакцию нетрудно понять. Рискуя в атаках неработающими торпедами, немцы в Норвежской кампании потеряли четыре подлодки — вместе с экипажами.

Вышло так потому, что установка глубины хода на их торпедах зависела от герметичности одного из торпедных отсеков. При кратковременном изменении давления (оно происходило при погружении лодки) герметичность там была. А при долговременном погружении давление в теоретически герметичном отсеке менялось. От этого установка глубины хода заставляла торпеду почти сразу после залпа быстро уходить на глубину — где она никак не могла навредить противнику. Других примеров вреда от катастрофически плохо испытанного оружия так много, что даже не будем пытаться перечислить их здесь.

А противоракета «Нудоль» образца 2020 года намного сложнее, чем торпеда из 1940 года. В ее применении больше нюансов. Если не испытать на предельную высотность, вероятно, получится так, что она сможет достигать цели на орбите в 200 километров и не сможет — на орбитах в 450-500 километров. А для «Нудоли» именно такая высота критически важная. В составе этого комплекса ПРО есть ракеты различной дальности и с разной досягаемостью по высоте. Если доверять западной интерпретации случившихся испытаний, конкретно 15 ноября выполнили пуск ракеты 14А042.

Красным схематично показана орбита сбитого «Космоса-1408», белыми рамками показаны участки над Арктикой, которые Россия перед уничтожением спутника объявила закрытыми для полетов на трое суток / @planet4589

В открытых источниках ее досягаемость по высоте оценивают до 800 километров. Тогда вполне ясно, почему испытания «Нудоли» в этот раз провели на орбитах, близких к МКС, — между 450 и 500 километрами. Если у вас есть двухступенчатая противоракета с перехватчиком и досягаемостью до 500 километров, нет смысла испытывать ее на 250 километрах, как это делали США в 2008 году. Ведь при этом полноценно можно испытать только работу первой ступени ракеты, и лишь отчасти — второй. А что если в самом высотном варианте применения, «на излете» возможностей второй ступени (или после ее отделения) что-то все-таки пойдет не так?

Важно отметить: система противоракетной обороны Москвы должна сбивать не только ядерные боеголовки, но и другие типы угроз. Конкретно речь об американском многоразовом аппарате Boeing X-37B Космических сил США. Официально заявляется, что это просто маневренный низковысотный спутник-шпион. Однако российские военные подозревают, что его смогу использовать и как носитель ядерного оружия. На сегодня там такого оружия, конечно, нет, но убедить отечественных генералов в том, что его не будет и завтра — объективно сложно (проверить-то это им нечем).

Подобный космический носитель в теории довольно опасен: расстояние от него до российской столицы при пуске ядерного боеприпаса с минимальной дистанции — считаные сотни километров, намного меньше, чем при ядерном ударе с американских подлодок и тем более стационарных ракетных шахт. Времени для реакции будет исключительно мало — буквально десятки секунд. Как массовый носитель ядерных зарядов X-37B дорог и неэффективен, но для «обезглавливающего» удара по Москве теоретически вполне применим.

В результате китайских испытаний антиспутникового оружия в 2007 году возникло ~3500 отслеживаемых обломков. После испытаний российской «Нудоли» в 2021 году — всего ~1500. Вероятные причины в том, что советский военный спутник был сделан более прочным, чем китайский, отчего куда менее охотно дробился на обломки. Важнее другое: несмотря на большее число китайских обломков, они так и не сбили ни один известный работающий спутник, и так не смогли ни разу ударить МКС. Это лишний раз иллюстрирует, насколько сомнительно опасны последствия от новых российских испытаний / ©Space Safety Magazine

Итого: Россия превратила в обломки спутник близ МКС ровно по той же причине, по которой сбивали свои старые спутники китайцы в 2007 году, американцы в 2008-м, индийцы в 2019-м. Ведь без полноценных испытаний от таких систем толку мало.

Пониже прицел нельзя было взять?

Действительно, США и Индия сбивали свои спутники на заметно более низких орбитах, чем у МКС, — между 200 и 300 километрами. Кажется, это говорит нам: те страны просто заботятся о безопасности международной станции, а мы — нет. Ведь обломки объектов, сбитых ниже орбиты МКС, не могут ей угрожать, правда?

Увы, совсем не так. Обломки таких низковысотных целей тоже опасны для МКС или других космических объектов. Все дело в том, что обломки от космических столкновений летают не только вниз (чтобы сгореть в атмосфере), но и вверх, где могут кружиться очень долго.

Истребитель F-15А запускает противоспутниковую ракету ASM-135, сентябрь 1985 года / ©Wikimedia Commons

К чему этот экскурс в динамику околоземных объектов? К тому, чтобы показать: физику нельзя обмануть. Индийцы действительно сбили свой старый спутник Microsat-R примерно на 270 километрах. Но часть его осколков получила дополнительную энергию при ударе перехватчика и за счет этого увеличила скорость. Объект на околоземной орбите с ростом скорости переходит на более высокую орбиту. И действительно, научная работа показывает: апогей орбиты десяти крупных обломков индийской мишени — выше тысячи километров. Само собой, со временем и они могут пересечь орбиту МКС, создав угрозу столкновения.

Конечно, число опасных для МКС обломков после индийских испытаний ниже, чем после российских. Ведь при столкновении на орбите скорость растет у меньшинства итоговых обломков, а у большинства падает. Поэтому лишь меньшинство из них переходит на более высокие орбиты, а большинство уходит вниз. Однако эта разница количественная, но никак не качественная.

Более того, она даже не результат злой воли индийцев или американцев. Это результат того, что выше они ничего испытать не могли. Да, США сбили свой спутник на ~250 километров, а не на две сотни километров выше, как Россия. Но сделать это на высотах «Нудоли» Пентагону и не нужно было: ведь он сбивал свой спутник противоракетой SM-3. Чтобы надежно перехватить его на высоте только в четверть тысячи километров, SM-3 пришлось подвергнуть модификациям.

Если верить утверждениям американских военных (а разве у нас после их вторжения в Ирак, чтобы лишить Хусейна оружия массового поражения, могут быть основания не доверять этим достойным людям?), целью удара было избавить мир от угрозы падения этого секретного американского спутника, на борту которого находился опасный для здоровья гидразин. Вот и причина выбора орбиты: Соединенным Штатам было просто незачем целить выше. Выше они ничего не хотели сбить.

В момент этого пуска 1985 года советская орбитальная станция «Салют-7» занимала орбиту заметно ниже той, на которой США подорвали свой спутник. В 1986 году на орбиту вывели и станцию «Мир», и ей тоже угрожало пересечение с американскими обломками. Отчего же СССР никогда не обвинял Штаты в угрозе от их антиспутниковых испытаний? Может быть, потому что в Москве понимали, что реальный уровень подобной угрозы крайне низок?  / ©Wikimedia Commons

А вот в прошлом такая необходимость у них возникала. И тогда, во времена холодной войны, они сбили свой старый спутник Solwind P78-1 на высоте более 500 километров. Сделали это ракетой ASM-135, которую в итоге так и не поставили на вооружение. Обломки Solwind P78-1 теряли высоту еще многие годы — и успели создать угрозу столкновения для советской и российской станции «Мир».

А за космонавтов нам не страшно?

Хорошо, причины, по которым военным испытали «Нудоль» на орбите, близкой к МКС, понятны. Но отчего при этом проигнорировали угрозу, которую обломки от «Космоса-1408» несли нашим космонавтам? Ведь они там, на МКС, были вынуждены на некоторое время укрыться на «Союзе», надеть скафандры и задраить люки, чтобы выжить в случае разгерметизации от удара обломков?

Приглядимся к ситуации. Вечером 16 ноября Минобороны выпустило видео, иллюстрирующее, где находился «Космос-1408» перед ударом и где при этом была МКС. Это раз. Два: по доступным на сегодня данным, экипажу дали команду укрыться из Центра управления в Хьюстоне, а не из российского ЦУПа. Три: никаких корректировок орбиты МКС так никто не провел. А это значит, что реальной угрозы столкновения для станции не было, только предположительная.

Если взглянуть на видео Минобороны внимательно — а пока никто из западных источников не заявил о его некорректности, — получается, что в момент испытаний «Космос-1408» двигался по орбите с другим наклонением к экватору Земли и на 40 километров выше МКС.

Из-за иного наклонения к экватору само место, где ракета попала в спутник, было чуть ли не с другой стороны земного шара от орбитальной станции. То есть непосредственно в момент уничтожения мишени МКС ничего не угрожало. Может быть, ей что-то угрожало в те же сутки?

В теории — да, на практике — не очень. Уже в первые часы после столкновения обломки начинают отслеживать, после чего станция вполне может уклониться от сближений с ними.

Арифметика космического мусора

Допустим, непосредственной угрозы нашим космонавтам на орбитальной станции от испытаний не было. Но разве такая угроза не возникнет потом, когда обломки сбитой станции начнут терять высоту и каждые полтора часа облаком будут пересекать орбиту МКС?

Обломки «Космоса-1408» летят вокруг Земли с запада на восток, как и МКС. Скорость у них, просто в силу законов небесной механики, не может отличаться других спутников и станций более чем на 300 метров в секунду (а для большинства тел это различие еще меньше). Если различие больше, такие тела-«выскочки» либо быстро падают на Землю, либо улетают высоко в космос. 300 метров в секунду — примерно скорость пистолетной пули. Попробуем оценить, какова вероятность попадания таких «пуль» в космические аппараты на околоземной орбите.

Результат удара пластиковой 15-граммовой «пули» в алюминиевый сплав, из которых обычно делают спутники и космические корабли. Именно так часто иллюстрируют угрозу космического мусора, забывая, правда, упомянуть, что на фото результат попадания круглого объекта на скорости в 6 километров в секунду+. Реальный космической мусор обычно имеет неправильную форму и скорость столкновения с действующими космическими аппаратами на уровне нескольких сотен метров в секунду. Кинетическая энергия зависит от квадрата скорости, то есть для типичного столкновения с мелким обломком она в сотню раз меньше, чем на фото / ©Reddit

Обломки сбитого спутника в основном летают в «бублике», облаке в форме тора, в центре сечения которого — былая орбита «Космоса-1408». Если учесть реальный разлет обломков спутника, бублик получится очень большим. Ведь отдельные обломки расстрелянного объекта, по данным астрономов, уже достигли высот более тысячи километров, а другие ушли вниз, на орбиту в 300 километров. Тор с сечением в 700 километров и длиной более 40 тысяч километров будет настолько громадным, что вероятность столкновения его обломков с любым рукотворным объектом станет крайне низкой.

Чтобы намеренно сгустить краски и представить последствия испытаний «Нудоли» максимально опасными, произвольно уменьшим радиус сечения бублика до 40 километров. Ведь именно такое расстояние было между орбитами МКС и «Космоса-1408» в двух самых близких точках. Чтобы загнать вероятность столкновения до небес, предположим, что МКС и уничтоженный спутник вращались с одним наклонением — то есть что их орбиты параллельны, а расстояние между ними везде равно 40 километрам, а не сближаются до 40 километров всего в паре мест.

Черным показана плотность всех космических объектов (а не только мусора) на околоземной орбите в штуках на сто миллионов кубических километров. Легко видеть, что испытания российской противоракеты не смогли поднять их плотность даже на один объект на 50 миллионов кубических километров. А это, на минуточку, три объема Северного Ледовитого океана / ©LeoLabs

Каким будет объем такого «опасного бублика»? При радиусе сечения 40 километров и длине 40 450 километров (при этом радиус бублика будет 6850 километров) объем тора составит примерно 216 миллионов кубических километров. Крупных обломков от «Космоса-1408» было полторы тысячи. Поднимем их число до десяти тысяч, чтобы учесть те, что помельче, но тоже могут нанести серьезный ущерб станции. Получается, насыщенность такого «опасного бублика» кусками расстрелянного «Космоса» — один обломок на 22 тысячи кубических километров.

Много это или мало? Поставим мысленный эксперимент: загоним МКС в помещение высотой в 20 метров, пронизанное летящими в разные стороны пулями. В силу размеров станции ее поперечное сечение —примерно 1000 квадратных метров (высота — около 20, ширина — 50 метров). Представим, что у этих пуль — та же встречаемость на единицу объема помещения, что у обломков «Космоса» в рассчитанном выше «опасном бублике». Какой же будет вероятность поражения?

Любой, кто окончил начальную школу, легко расcчитает: помещение высотой в 20 метров и объемом в 22 тысячи кубокилометров должно иметь площадь в 1,1 миллиона квадратных километров. Попросту говоря, это площадь Боливии. Если помещение квадратное, размеры его будут тысячу на тысячу километров.

Насколько высока вероятность, что, поставив МКС — шириной всего в 50 метров — посреди Боливии и выстрелив пулей в случайной точке этой самой Боливии, мы попадем в цель? Даже если исключить из расчетов трение, гравитацию и повышение траектории пули в полете, риск такого события близок к нулю.

На самом деле, как мы помним, «опасный бублик» с обломками «Космоса» сближается с «бубликом» орбиты МКС всего в двух местах. Поэтому на деле большинство обломков сбитого аппарата разнесет в стороны от его орбиты — а то, в силу иного наклонения, резко отличается (см. видео) от орбиты МКС.

Синим показаны обломки расстрелянного «Космоса-1408», которые ушли выше его былой орбиты. Оранжевым — те, что ушли ниже / ©SpaceNav

Иными словами, опасность от обломков «Космоса-1408» для орбитальной станции ниже, чем вероятность случайно попасть пулей в пулю. То есть она мала настолько, что о ней трудно всерьез рассуждать.

Для тех, кто разбирается в небесной механике, профессионально отметим. Да, мы знаем, что в действительности многие обломки «Космоса» в первые же дни разлетелись от 300 до 1000 километров по высоте, снизив риск столкновения. Да, реальные относительные скорости обломков относительно МКС будут другими, ибо, опять же, наклонение у них не одинаковое, как в нашем упрощенном расчете. Редакция помнит и о многих других расчетных нюансах, которые не стала отражать подробно. Например, о том, что в реальности при каждом обороте орбиты обломков слегка меняются, как зачастую и у МКС. И мы знаем, что описанное выше  — поддавки, резко повышающие шансы на столкновение в сравнении с реальностью, а вовсе не полноценный расчет.

Но поймите и нас: если мы будем излагать для широкого круга читателей даже самую простую симуляцию разлета обломков за год, число дочитавших до конца этот текст можно будет сосчитать на пальцах. И хорошо, если не одной руки.

Выше — демонстрационный расчет, имеющий целью лишь показать крайне низкую вероятность удара обломка по подвижной и управляемой орбитальной станции. А вовсе не задачник по небесной механике.

Синдром Кесслера: бьет в основном лежачих

Позвольте, но как же синдром Кесслера? Разве со временем космический мусор не сделает низкие околоземные орбиты непригодными для эксплуатации? Разве испытания «Нудоли», как и американские в 1985 году, не приближают этот ужасный момент? Напомним, в 1978 году ученый NASA Дональд Кесслер (Donald Kessler) предупреждал о сценарии конца света (так называемый синдром Кесслера), при котором каскад сталкивающихся обломков может сделать невозможными космические путешествия и использование спутников.

Такова типичная картина, которую мы представляем, думая о синдроме Кесслера, ситуации, когда космический мусор сделает полеты новых космических кораблей невозможными. Как и многие распространенные представления, эта картинка целиком нереальна. Судя по размеру объектов, на ней минимум сотни обломков в пространстве меньше одного кубического километра. Но околоземные орбиты имеют суммарный пустой объем в триллионы кубических километров. Чтобы захламить их настолько плотно, нужны квадриллионы обломков. Столько можно создать, только если наша цивилизация будет день и ночь, не покладая рук, работать только над разбрасыванием в космос нового мусора. А это крайне сомнительный сценарий / ©University of Miami

На околоземных орбитах сегодня находится менее 8000 космических аппаратов (включая «мертвые»), на высотах в основном от 300 до 36000 километров. Допустим, аппаратов десять тысяч и мы принудительно скучили их всех на высотах от 300 до 500 километров. Допустим, каждый из них будет поражен одновременным пуском «Нудолей» (тогда их потребуется десять тысяч штук). Допустим, каждый из пораженных спутников даст десять тысяч опасных обломков (на самом деле, столько могут дать только наиболее крупные и тяжелые спутники). Итого выйдет 100 миллионов обломков. Объем пустого пространства на орбитах от 300 до 500 километров над планетой — примерно 110 миллиардов кубических километров.

Итого: даже если мы расстреляем антиракетами абсолютно все спутники, у нас не получится иметь и один опасный обломок на тысячу кубических километров. Любой управляемый — дистанционно или экипажем — корабль или спутник, имеющий связь с Землей, вполне уклонится от всех крупных обломков даже в чисто гипотетической ситуации.

Если применить к расчетам реалистичные параметры — например, расширить диапазон орбит «вверх» до реальных 36 тысяч километров геостационарной орбиты и учесть быстрый сход обломков с нижних орбит, — то средняя плотность обломков упадет до одного на пару сотен тысяч кубических километров. Соответственно, управляемые объекты смогут уклониться от таких угроз еще легче.

Откуда же возникло беспокойство по поводу синдрома Кесслера и невозможности использовать космос? Понять это нетрудно: в те времена, когда космический мусор впервые попал в поле зрения исследователей, маневры уклонения от него не были особо актуальны. Разглядеть в космосе обломки зачастую было нечем, а возможности спутников уклониться от них часто были весьма ограничены. В подобных условиях космический мусор действительно казался серьезной угрозой.

Может ли он стать такой угрозой в будущем? В теории — да, но придется сильно постараться.

Например, если Илон Маск полностью реализует проект Starlink, число космических аппаратов на орбите вырастет до 20 тысяч. Шансы OneWeb и других его конкурентов повторить успех основателя SpaceX — около нуля: тот запускает своими носителями, и они у него заметно дешевле, чем у конкурентов. Но, допустим, он внезапно станет выводить и спутники конкурентов по той же цене, что свои. Допустим, спутниковая группировка Земли вырастет до 30 тысяч аппаратов. Допустим, каждый из них в случае войны будет сбит «Нудолью». Захламим ли мы космос до полной непригодности к использованию?

Массовые спутники Starlink весят всего по 260 килограммов. Значит, десять тысяч серьезных обломков от них не получишь: ведь спутники делают не из стекла, легко дробящегося на мелкие осколки, а в основном из металлов, дробящихся под ударом довольно неохотно. По сути, получится примерно все те же 100-200 миллионов осколков, что мы описывали ранее.

Существенно поднять шансы на «мусорную блокаду» ближнего космоса могло бы массовое изготовление цилиндров Кларка — огромных вращающихся объектов километровых размеров и массой в миллионы тонн каждый, предложенных еще в XX веке как самое эффективное (с экономической точки зрения) средство колонизации космоса. Если кто-то взялся бы одновременно уничтожить хотя бы десять тысяч цилиндров массой в десять миллионов тонн каждый ядерным оружием, мы могли бы получить десятки миллионов обломков от каждого цилиндра — и сотни миллиардов крупных обломков в сумме.

«Цилиндр О’Нилла», одна из разновидностей цилиндров Кларка. Это два очень больших вращающихся в противоположных направлениях цилиндра, размерами 8 на 32 километра каждый. Они связаны друг с другом через систему подшипников. Вращаясь, они создают аналог силы тяжести на своей внутренней поверхности за счет центробежной силы. Противоположность их вращения не дает цилиндрам терять стабильность параметров орбиты  / ©Wikimedia Commons

Беда в том, что для цилиндров Кларка категорически не подходят низкие орбиты, зато подходят геостационарные. Полное замусоривание геостационарных орбит в случае масштабного ядерного апокалипсиса в космосе возможно, но вот с низкими орбитами все равно не выйдет.

Подведем итоги: синдром Кесслера для подвижных и управляемых космических аппаратов в обозримом практически недостижим, даже если сбивать спутники тысячами. Максимум, чего можно ожидать, — повышенной частоты выхода из строя спутников неманеврирующих. Однако в наши дни такие аппараты в норме оснащены и двигателями, и системами связи. Сомнительно, что в будущем у них не будет таких же возможностей.

Так зачем Россия это сделала?

Хотя подрыв «Космоса» не создал ни краткосрочной, ни серьезной долгосрочной угрозы МКС, он все равно выглядит, мягко говоря. странновато. Даже если вы находитесь в огромном пустом пространстве, где есть другой человек, то вряд ли будете стрелять боевыми патронами, если не уверены, что он не находится строго за вами.

В конце концов, даже если вы в него не попадете, будете выглядеть как минимум крайне невежливым человеком. Разве что вы с ним в таких отношениях, что вам все равно, попадете вы в него вообще или нет. Понятно, почему американцы сбили спутник в сентябре 1985 году, игнорируя возможную опасность для советских орбитальных станций: их президент за два года до того публично назвал нашу страну империей зла.

Но мы живем в другой стране и в другое время. Что же тогда заставило российских военных проявить такую невежливость? Выстрелить боевыми патронами в одном — пусть и очень большом — «помещении» с живыми людьми?

Этот вопрос мучает западную прессу, пишущую на космические темы. Там приводят гипотезу одного американского эксперта по космосу (Грега Одри):

«Российский президент Владимир Путин пришел к выводу, что российская космическая индустрия безнадежно отстала от США и Китая и разрыв между ними в будущем будет только нарастать. Исходя из этого <…> Путин пришел к выводу, что лучшим вариантом для России будет сделать некоторые орбиты недоступными для использования ее конкурентами, <…> если ты что-то можешь разрушить, считает Путин, то ты можешь это контролировать».

Однако выше мы уже попробовали продемонстрировать, почему сделать востребованные орбиты недоступными для использования в принципе малореально. Нужны какие-то другие предположения.

Самое очевидное из них такое. Сегодня для Москвы стало почему-то важнее проверить работоспособность своих систем обороны от ядерного нападения, чем поддерживать международный политес. Испытать ПРО не по условной точке в космосе, где ничего нет (как «Нудоль» много раз тестировали до того), а всерьез — по металлической конструкции. Такое предположение объясняет случившееся вполне полно. Правда, оно порождает другой вопрос. Почему проверка своей ПРО внезапно так заинтересовала Кремль? Неужели там всерьез готовятся к войне, где такая ПРО может пригодиться?

Источник