Ученые рассчитали, когда может произойти первая серьезная авария на орбите

Околоземная орбита давно перестала быть пустым пространством и сегодня заполнена искусственными спутниками. Последние семь лет их количество росло невиданными темпами. Если в 2018 году вокруг планеты вращалось почти четыре тысячи аппаратов, то в 2025-м — уже 14 тысяч.

Основной драйвер бума — развертывание так называемых мегасозвездий, группировок из сотен и тысяч небольших спутников, запускаемых для обеспечения глобального интернета, особенно в местах, где он недоступен или слишком дорогой. Пионером и безусловным лидером в этой области стала компания SpaceX с ее проектом Starlink. С момента первого запуска в 2019 году компания вывела на орбиту высотой от 340 до 550 километров более девяти тысяч аппаратов.

Каждый новый спутник на орбите — не только потенциальная польза, но и новые риски. Чем больше объектов там находится, тем выше вероятность столкновений между ними. Чтобы не врезаться, инженеры постоянно меняют курс аппаратов — буквально «разводят» в разные стороны. Без этих маневров столкновения стали бы неизбежными.

Масштаб проблемы хорошо виден на примере Starlink. Только с 1 декабря 2024 года по 31 мая 2025 года эти спутники выполнили 144 404 маневра уклонения. Если смотреть на всю группировку в целом, получается, что спутник меняет траекторию примерно каждые 1,8 минуты. То есть в космосе почти непрерывно кто-то кому-то «уступает дорогу». Эта сложная орбитальная «хореография» держится на точных расчетах и бесперебойной связи с Землей.

Раньше исследователи понимали, что на околоземной орбите спутников становится слишком много и риск столкновений увеличивается. Но у специалистов не было простого и наглядного способа показать серьезность проблемы. Ученые пользовались сложными расчетами, формулами и вероятностями. Такие модели трудно сравнивать между собой и еще труднее с помощью них объяснять проблему тем, кто не занимается космосом профессионально. Иными словами, не существовало одного показателя, простой «шкалы напряжения», по которой сразу видно, насколько перегружена орбита и насколько нестабильной стала созданная человеком среда из тысяч спутников.

Проблему решила команда американских инженеров и астрономов под руководством Сары Тиле (Sarah Thiele) из Принстонского университета. Ученые разработали новую надежную метрику для оценки риска столкновений искусственных спутников на орбите. Модель получила название CRASH Clock — отсылка к печально известным «Часам Судного дня» (Doomsday Clock), которые символизируют угрозу ядерной войны. Исследователи сознательно провели эту параллель, чтобы подчеркнуть серьезность ситуации.

CRASH Clock использует открытые данные о положениях аппаратов в космосе и отвечает на вопрос: сколько времени пройдет до первого катастрофического столкновения на орбите, если спутники внезапно утратят возможность маневрировать? Речь идет не о единичной поломке, а о массовом сбое систем управления или потери связи, который парализует всю орбитальную группировку.

Расчеты показали, что в 2018 году, до начала развертывания мегасозвездия Starlink, при потере контроля над всеми аппаратами первое столкновение произошло бы примерно через 121 день. Сегодня этот срок значительно сократился. По состоянию на 2025 год, если операторы спутников потеряют возможность отдавать команды, первая серьезная авария случится уже через 2,8 дня.

Главный сценарий, который может вывести из строя систему управления спутниками, — мощная геомагнитная буря. Она угрожает аппаратам двумя способами.

Во-первых, во время этого события сильно нагреваются и расширяются верхние слои атмосферы, что увеличивает сопротивление для спутников. Аппараты начинают терять высоту и могут не вернуться на заданную орбиту или преждевременно сойти с орбиты и сгореть в атмосфере. 

Чтобы оставаться на нужной высоте, инженеры включают двигатели. Это компенсирует эффект атмосферного торможения. То есть специалисты вынуждены тратить больше топлива на коррекцию орбиты. В мае 2024 года Землю накрыла крайне сильная геомагнитная буря уровня G5. В результате примерно половина всех активных спутников выполнили такие аварийные маневры.

Во-вторых, и это более опасно, геомагнитные бури могут повредить электронику спутников, лишив их связи с Землей и возможности двигаться. В таком случае аппарат превращается в неуправляемую «слепую» болванку на орбите.

Если бы сегодня повторилось «Событие Кэррингтона» 1859 года (самая мощная в истории геомагнитная буря), скорее всего, управление большей частью орбитальной группировки было бы парализовано. Конечно, маловероятно, что все спутники одновременно вышли бы из строя, но даже частичная потеря контроля может привести к серьезной аварии.

Первый задокументированный случай столкновения на орбите двух спутников произошел в 2009 году. Тогда на высоте 776-789 километров столкнулись рабочий американский коммерческий спутник связи Iridium 33 и вышедший из строя российский военный аппарат «Космос-2251». Результат — сотни фрагментов, которые до сих пор представляют угрозу на орбите. 

В наши дни такое столкновение привело бы к куда более серьезным последствиям. Образовавшиеся обломки, разлетаясь с огромной скоростью, повредили бы или уничтожили соседние спутники. Это породило бы новые обломки и запустило неконтролируемую цепную реакцию с уничтожением тысяч аппаратов. Ученые называют этот сценарий синдромом Кесслера — процесс, который может на десятилетия сделать околоземное пространство непригодным для полетов.

Согласно новому исследованию, в ближайшие годы проблема лишь усугубится. SpaceX продолжит расширение своей группировки. Еще десятки тысяч спутников планируют вывести на орбиту Amazon и несколько китайских компаний, что неминуемо приведет к переводу стрелок на CRASH Clock.

Результаты исследования опубликованы на сайте препринтов Корнеллского университета.