W 1960 roku duży fragment rosyjskiego Sputnika IV roztrzaskał się na ulicy w mieście Manitowoc w stanie Wisconsin. W 1978 roku w katastrofie rosyjskiego pojazdu Cosmos 954 skażeniu radioaktywnemu uległy duże obszary północno-zachodniej Kanady. W styczniu 1997 roku duży zbiornik paliwa rakiety Delta II spadł do prywatnego ogródka w Georgetown (Teksas). W marcu bieżącego roku część rakiety Ariane spadła na budynek mieszkalny w Kasambya (Uganda). Upadki sprzętu kosmicznego na terenach zamieszkanych to zaledwie ułamek wszelkich tego typu zjawisk. Dlaczego tak wiele części rakiet dociera do Ziemi? Na to pytanie pomogą odpowiedzieć czarne skrzynki montowane w pojazdach kosmicznych…

Wyżej wymienione przypadki to kropla w morzu wszystkich przypadków poszkodowania przez spadający z nieba sprzęt kosmiczny. Warto wymienić tutaj inne wydarzenia. W 1969 japoński kontenerowiec został zbombardowany małymi odłamkami rakiet kosmicznych. Pod koniec XX wieku zbiornik paliwa rakiety Delta II rozbił się na przedmieściach Capetown (RPA). Dwa miesiące temu trzeci stopień rakiety Pegasus wraz z dwoma satelitami Półtonowy pojazd NASA rozbije się o Ziemię!“>spadł na Ziemię u podnóża Uralu, fundując wcześniej Pegasus spadł na Ziemię“>pokaz sztucznych ogni mieszkańcom południowych Niemiec.

Od lat 50-tych XX wieku codziennie w atmosferze spala się tysiące fragmentów statków. Przez dłuższy czas powszechnie uważano, że żaden fragment nawet dużego statku nie może przetrwać olbrzymich temperatur, które powstają podczas niekontrolowanej deorbitacji.

Histogram pokazuje ilość śmieci kosmicznych większych od piłki koszykowej wpadających w atmosferę w ciągu ostatnich 50 lat. Średnio w ciągu roku w powietrzu płonie 200 takich obiektów.

Aby wytłumaczyć zagadkę wytrzymałości kosmicznych śmieci, inżynierowie zaprojektowali niewielką czarną skrzynkę – podobną do tych używanych w samolotach. Dzięki informacjom zebranym przez takie urządzenia naukowcy będą mogli zmodyfikować modele komputerowe i lepiej przewidywać co stanie się ze spadającymi odłamkami, dzięki czemu można będzie uniknąć wielu wypadków podobnych do wyżej wymienionych.

Czarna skrzynka ma wymiary 21cm x 6cm x 12cm. Będzie montowana wewnątrz satelitów, jednak jej własna osłona antyudarowa oraz system zasilania i komunikacji pozwolą jej funkcjonować niezależnie od satelity. Gdy temperatura otoczenia wzrośnie czarna skrzynka dotąd w trybie uśpienia aktywuje się. Będzie rejestrować warunki dzięki sensorom zamontowanym w osłonie, a akcelerometr umożliwi pomiar przyspieszenia z jakim opada satelita. Wszystkie te dane (plus dokładne położenie dzięki zamontowanemu urządzeniu GPS) w ciągu 5-7 minut będą musiały być przetransmitowane poza spadający statek. Najprawdopodobniej do któregoś satelity Irydium.

Budowa wewnętrzna czarnej skrzynki projektu Aerospace Corporation.

Koszta budowy czarnej skrzynki nie są duże, a większość osób zaangażowanych w projekt jest pewna, że znajdą się zainteresowani. Badania wsparte danymi z czarnych skrzynek mogą np. wykazać, ze specjalne wbudowywanie systemów deorbitacyjnych jest niepotrzebne – satelita i tak spłonąłby wysoko w atmosferze. Dzięki GPS zainteresowani odzyskaniem elementów, które dotarły na Ziemię znajdą je nawet na największym odludziu, co wyeliminuje potrzebę organizowania specjalnych misji poszukiwawczych.

Czarne skrzynki nie będą jednak odpowiedzią na wszystkie pytania. Jednym z nich jest: z czego powinno się budować pojazdy kosmiczne i satelity?

Przede wszystkim zmniejszenie ilości materiałów o wysokiej temperaturze topnienia np. tytanu, berylu i nierdzewnej stali zmniejszy ilość szczątków docierających do powierzchni. Z drugiej jednak strony zastępcze materiały muszą mieć wciąż porównywalne właściwości jak wytrzymałość na napięcia wewnętrzne, rozszerzalność cieplna itp.

Rysunek pokazuje schemat misji deorbitacyjnej, w której wykorzystano czarną skrzynkę projektu Aerospace Corporation.

Pod uwagę trzeba wziąć także fakt, że trudno-topliwe materiały (tytan, beryl) mogą szybko stopnieć jeśli wymiary takich elementów są niewielkie lub są one cienkie. Tak samo aluminium może przetrwać upadek, jeśli z tego materiału jest wykonany duży fragment statku. Dla przykładu NASA prowadzi obecnie badania nad konstrukcją zbiorników paliwa, który nie przetrwałby upadku, ale jednocześnie wytrzymałby warunki startu.

Inną metodą uśmiercenia statku w powietrzu jest rozerwanie go na kawałki na wysokości ok. 150 km. Do tej pory pojawiły się propozycje zamontowania niewielkich ładunków wybuchowych w konstrukcji pojazdu, jednak z wielu powodów (m.in. bezpieczeństwa) ten pomysł nie jest brany pod uwagę.

W końcu najskuteczniejszą metodą uchronienia osiedli ludzkich od upadku satelity jest pokierowanie deorbitowanym statkiem nad rozległe przestrzenie Pacyfiku, jak to zrobili Rosjanie podczas zniszczenia Mira oraz NASA przy deorbitacji Obserwatorium Promieniowania Gamma Comptona.

Autor

Andrzej Nowojewski