Prawie jak „Grawitacja”! Statek kosmiczny uratował stację ISS przed katastrofą

Z tego artykułu dowiecie się, jak działa sterowanie stacją kosmiczną, jak wyglądają procedury bezpieczeństwa na ISS i dlaczego scenariusz „Grawitacji” okazał się proroczy. A na dokładkę wyjaśnienie, skąd kosmiczne śmieci znalazły się na orbicie stacji i jak poradzono sobie z zagrożeniem?

Pamiętacie spektakularne sceny z filmu „Grawitacja”, w których prom kosmiczny i stacja orbitalna zostają zniszczone przez kosmiczne śmieci? Okazuje się, że scenariusz filmu nie tylko pokazywał prawdziwe zagrożenie, ale trafnie wskazywał przyczynę problemów.

Zarówno w filmie, jak i w rzeczywistości wszystko zaczęło się od rosyjskiego satelity. Scenarzysta „Grawitacji” aby stworzyć odpowiednio emocjonujące widowisko, musiał odejść nieco od realiów. W filmie po zestrzeleniu przez Rosjan własnego satelity jego odłamki w krótkim czasie zagrażają i teleskopowi Hubble'a, i stacji orbitalnej co sugeruje, że satelita i teleskop znajdował się na tej samej orbicie, co ISS.

Nie jest to możliwe – na orbicie, po której krąży Międzynarodowa Stacja Kosmiczna nie ma żadnych satelitów, podobnie jak na wyższej o około 200 kilometrów orbicie teleskopu. Stacja może być zagrożona, ale dopiero dłuższy czas po kosmicznej kolizji, gdy np. szczątki satelitów czy inne śmieci zaczną powolną deorbitację.

W teorii daje to czas na wykonanie uniku. W praktyce niektóre obiekty mają rozmiar zbyt mały, by wykryć je z wyprzedzeniem, a jednocześnie są wystarczająco duże, by spowodować groźne uszkodzenia - warto pamiętać, że ich prędkość sięga około (zależy od wysokości orbity) 27-28 tys. kilometrów na godzinę.

Z takim przypadkiem mieliśmy do czynienia dwa tygodnie temu. 27 października okazało się, że na orbicie ISS odkryto zagrożenie ze strony kosmicznego złomu. W przeciwieństwie do tego, co oglądaliśmy na filmie, nie był to morderczy grad orbitalnego żelastwa, ale pojedynczy element wielkości ludzkiej dłoni, będący pozostałością rosyjskiego satelity.

Skąd kosmiczny złom wziął się na orbicie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej? Szukając przyczyn musimy cofnąć się o pięć lat, do 10 lutego 2009 roku. Doszło wówczas do pierwszego w historii bezpośredniego zderzenia dwóch satelitów na orbicie.

Jego uczestnikiem był rosyjski, wojskowy satelita Kosmos-2251, odpowiedzialny za przekazywanie danych wywiadowczych poprzez system Strzała-2M i amerykański, cywilny satelita telekomunikacyjny Iridium 33, będący elementem globalnej sieci telefonii satelitarnej.

Rosyjski satelita wojskowy Kosmos-2251 rozpoczął swoją misję w 1993 roku i działał przez około 2 lata po czym – już jako bezwładny, kosmiczny wrak, przez prawie 15 lat krążył, powoli obniżając swoją orbitę i wchodząc na orbitę kolizyjną z działającym od 1997 roku Iridium 33.

10 lutego 2009 roku, prawie 800 kilometrów nad ziemią doszło do wyjątkowo pechowego, niemal nieprawdopodobnego wypadku. Krążące po orbitach przecinających się prawie pod kątem prostym satelity zderzyły się, uderzając w siebie z prędkością 11,6 kilometra na sekundę.

Odpowiedzialność za to zdarzenie obarcza prawdopodobnie stronę amerykańską, choć początkowo – zdaniem Johna Campbella z Irydium – prawdopodobieństwo zderzenia wynosiło 1 do 50 milionów, a późniejsze obliczenia systemu CelesTrak wskazywały, że satelity miną się o 584 metry.

Rezultatem zderzenia były dwie chmury złomu – około 1000 odłamków różnej wielkości, które zaczęły stanowić zagrożenie dla innych obiektów i wraz z około 20 tysiącami innych śmieci muszą być śledzone przez służby, odpowiedzialne za kosmiczne bezpieczeństwo.

Jeden z tych odłamków, pochodzący z satelity Kosmos-2251 fragment wielkości ludzkiej dłoni, znalazł się na orbicie, zagrażającej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Warto w tym miejscu wspomnieć niezwykle restrykcyjne procedury, dotyczące ISS. Stację otacza strefa bezpieczeństwa, rozciągająca się po 750 metrów w górę i w dół oraz po 25 kilometrów na boki. Gdy istnieje ryzyko, że w strefie znajdzie się jakiś kosmiczny obiekt, wdrażane są procedury ratunkowe.

Warto w tym miejscu sprecyzować, czym dla agencji kosmicznych jest to ryzyko. Gdy prawdopodobieństwo kolizji wynosi co najmniej 1 do 100 000 (słownie: jeden do stu tysięcy), procedura uniku jest wdrażana pod warunkiem, że nie zagrozi to celom misji. Cele misji przestają być istotne przy prawdopodobieństwie co najmniej 1 do 10 000, co skutkuje wykonaniem uniku pod warunkiem, że manewr nie zagrozi życiu ludzi. Uruchomienie silników manewrowych z punktu widzenia załogi wydaje się całkiem niezłą rozrywką:

Gdy niebezpieczeństwo zostanie wykryte wystarczająco wcześnie, jest czas na unik. Problem pojawia się, gdy zagrożenie zostanie wykryte za późno. Kilka lat temu, w 2011 roku doszło do takiej sytuacji i na manewry ratunkowe nie było czasu. Sześcioosobowa załoga ISS otrzymała wówczas rozkaz ewakuacji.

Wszyscy astro- i kosmonauci przeszli wówczas do dwóch dokujących statków Sojuz i w nich czekali na rozwój wydarzeń. Kosmiczne śmieci minęły wówczas stację w odległości 250 metrów i po około 30 minutach spędzonych w gotowości do ewakuacji, załoga ISS mogła wrócić na pokład.

Wykonanie manewru przez tak wielki obiekt, jak ISS, nie jest prostą sprawą. W czasie normalnej eksploatacji za właściwe ustawienie stacji kosmicznej i jej manewry odpowiada zestaw żyroskopów – zasilanych energią słoneczną, wirujących z prędkością 6,6 tys. obrotów na minutę kół o wadze około 110 kilogramów. W praktyce sprowadza się to do odpowiedniego wyhamowywania rozpędzonych kół, co z pokładu ISS wyjaśniał przed rokiem kanadyjski astronauta, Chris Hadfield:

Żyroskopy nie zawsze wystarczą i do bardziej zdecydowanych manewrów, jak m.in. zmiana orbity, trzeba wykorzystać silniki modułu Zwiezda. Nie jest to jednak jedyna możliwość – silniki Zwiezdy traktowane są w takich sytuacjach jako ostatnia deska ratunku. Co jest przedostatnią?

Przez cały czas do stacji kosmicznej dokuje jeden lub więcej różnych statków kosmicznych – poza załogowymi Sojuzami może to być jeden z kilku typów eksploatowanych obecnie statków transportowych (Progress, Cygnus, Dragon, HTV czy ATV). To właśnie ich napęd przydaje się do wykonania awaryjnych manewrów.

Gdy 27 października wykryto zagrażający stacji fragment satelity, pięć agencji kosmicznych ustaliło, że unik zostanie wykonany dzięki silnikom należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej statku ATV. Uruchomiono je na 4 minuty, co pozwoliło przesunąć stację o około 1 kilometr na nową, bezpieczną orbitę.

W artykule wykorzystałem informacje z serwisów Air&Space, Geek, Gazeta, PC Mag, Kosmos News, The Atlantic, Harvard, The Space Review, Nauka w Polsce i Space Mart.