NORAD, Gabbard i KesslerEdit

Willy Ley przewidział w 1960 roku, że „Z czasem w przestrzeni kosmicznej nagromadzi się pewna liczba takich przypadkowo zbyt szczęśliwych strzałów, które trzeba będzie usunąć, gdy nadejdzie era załogowych lotów kosmicznych”. Po wystrzeleniu Sputnika 1 w 1957 roku, Dowództwo Obrony Północnoamerykańskiej Przestrzeni Kosmicznej (NORAD) rozpoczęło kompilację bazy danych (Katalog Obiektów Kosmicznych) wszystkich znanych startów rakiet i obiektów docierających na orbitę: satelitów, osłon ochronnych oraz rakiet wspomagających górnego i dolnego stopnia. NASA opublikowała później zmodyfikowane wersje bazy danych w dwuliniowym zestawie elementów, a na początku lat 80-tych system CelesTrak ponownie je opublikował.

Gabbard diagram prawie 300 odłamków z rozpadu pięciomiesięcznego trzeciego stopnia chińskiego boostera Long March 4 11 marca 2000

Śledzący, którzy zasilili bazę danych, byli świadomi innych obiektów na orbicie, z których wiele było wynikiem eksplozji na orbicie. Niektóre z nich zostały celowo spowodowane podczas testów broni antysatelitarnej (ASAT) w latach 60-tych, a inne były wynikiem wybuchów stopni rakietowych na orbicie, gdy resztki materiału pędnego rozprężyły się i rozerwały ich zbiorniki. Aby usprawnić śledzenie, pracownik NORAD John Gabbard prowadził osobną bazę danych. Studiując eksplozje, Gabbard opracował technikę przewidywania ścieżek orbitalnych ich produktów, a diagramy (lub wykresy) Gabbarda są obecnie szeroko stosowane. Badania te zostały wykorzystane do poprawy modelowania ewolucji orbitalnej i rozpadu.

Kiedy baza danych NORAD stała się publicznie dostępna w latach 70-tych, naukowiec NASA Donald J. Kessler zastosował technikę opracowaną dla badania pasa asteroid do bazy danych znanych obiektów. W 1978, Kessler i Burton Cour-Palais byli współautorami „Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, wykazując, że proces kontrolujący ewolucję asteroid spowodowałby podobny proces kolizji na LEO w ciągu dziesięcioleci, a nie miliardów lat. Doszli do wniosku, że do około 2000 roku, śmieci kosmiczne wyprzedzą mikrometeoroidy jako podstawowe ryzyko ablacyjne dla orbitujących statków kosmicznych.

W tym czasie powszechnie uważano, że opór z górnej atmosfery spowoduje de-orbitację śmieci szybciej niż zostały one stworzone. Jednak Gabbard był świadomy, że liczba i rodzaj obiektów w przestrzeni były niedostatecznie reprezentowane w danych NORAD i był zaznajomiony z jego zachowaniem. W wywiadzie krótko po opublikowaniu pracy Kesslera, Gabbard ukuł termin syndrom Kesslera, aby odnieść się do nagromadzenia gruzu; stał się on powszechnie używany po jego pojawieniu się w artykule Popular Science z 1982 roku, który wygrał Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award.

Badania uzupełniająceEdit

Kamery Baker-Nunn były szeroko stosowane do badania szczątków kosmicznych.

Brak twardych danych o szczątkach kosmicznych skłonił do przeprowadzenia serii badań w celu lepszego scharakteryzowania środowiska LEO. W październiku 1979 roku NASA zapewniła Kesslerowi fundusze na dalsze badania. Kilka podejść zostały wykorzystane przez te studies.

Optical teleskopy i krótkofalowe radary zostały wykorzystane do pomiaru liczby i wielkości obiektów kosmicznych, a te pomiary wykazały, że opublikowane liczenie populacji było co najmniej 50% zbyt niskie. Wcześniej sądzono, że baza danych NORAD uwzględnia większość dużych obiektów na orbicie. Okazało się, że niektóre obiekty (zazwyczaj amerykańskie wojskowe statki kosmiczne) zostały pominięte na liście NORAD, a inne nie zostały uwzględnione, ponieważ uznano je za nieistotne. Lista nie mogła łatwo uwzględnić obiektów o rozmiarach poniżej 20 cm (7,9 cala) – w szczególności odłamków z eksplodujących stopni rakiet i kilku testów antysatelitarnych z lat 60-tych.

Powrócone statki kosmiczne zostały zbadane mikroskopowo pod kątem drobnych uderzeń, a fragmenty Skylaba i Modułu Dowodzenia/Serwisowego Apollo, które zostały odzyskane, okazały się być wżarte. Każde badanie wskazywało, że strumień odłamków był większy niż oczekiwano, a odłamki były głównym źródłem mikrometeoroidów i zderzeń odłamków orbitalnych w przestrzeni kosmicznej. LEO już wykazało syndrom Kesslera.

W 1978 roku Kessler stwierdził, że 42 procent skatalogowanych odłamków było wynikiem 19 zdarzeń, głównie eksplozji zużytych stopni rakiet (zwłaszcza amerykańskich rakiet Delta). Odkrył to najpierw identyfikując te starty, które zostały opisane jako mające dużą liczbę obiektów związanych z ładunkiem użytecznym, a następnie badając literaturę w celu określenia rakiet użytych do startu. W 1979 roku, to odkrycie zaowocowało utworzeniem NASA Orbital Debris Program po spotkaniu z wyższym kierownictwem NASA, obalając wcześniejsze przekonanie, że większość nieznanych szczątków pochodziła ze starych testów ASAT, a nie z eksplozji amerykańskich rakiet górnego stopnia, które pozornie mogły być łatwo opanowane przez wyczerpanie niewykorzystanego paliwa z górnego stopnia rakiety Delta po wstrzyknięciu ładunku użytecznego. Począwszy od 1986 roku, kiedy odkryto, że inne międzynarodowe agencje prawdopodobnie doświadczają tego samego typu problemów, NASA rozszerzyła swój program o międzynarodowe agencje, z których pierwszą była Europejska Agencja Kosmiczna.2 Wiele innych komponentów Delty na orbicie (Delta była koniem roboczym amerykańskiego programu kosmicznego) jeszcze nie eksplodowało.

Nowy zespół KessleraEdit

W latach osiemdziesiątych Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych (USAF) przeprowadziły eksperymentalny program mający na celu określenie, co by się stało, gdyby odłamki zderzyły się z satelitami lub innymi odłamkami. Badania wykazały, że proces ten różnił się od zderzeń mikrometeoroidów, przy czym powstawały duże kawałki gruzu, które stawały się zagrożeniem kolizyjnym.

W 1991 roku Kessler opublikował „Collisional cascading: The granica populacja wzrost w niski Ziemia orbita” z the najlepszy dane wtedy dostępny. Powołując się na wnioski USAF dotyczące powstawania odłamków, napisał, że chociaż prawie wszystkie obiekty odłamkowe (takie jak plamki farby) były lekkie, większość ich masy znajdowała się w odłamkach o masie około 1 kg (2,2 lb) lub cięższych. Taka masa mogłaby zniszczyć statek kosmiczny przy zderzeniu, tworząc więcej odłamków w obszarze masy krytycznej. Według Narodowej Akademii Nauk:

Na przykład 1-kg obiekt uderzający z prędkością 10 km/s jest prawdopodobnie zdolny do katastrofalnego rozbicia 1000-kg statku kosmicznego, jeśli uderzy w element o dużej gęstości w statku kosmicznym. W takim rozpadzie powstałyby liczne fragmenty większe niż 1 kg.

Analiza Kesslera podzieliła problem na trzy części. Przy wystarczająco małej gęstości, dodawanie odłamków przez zderzenia jest wolniejsze niż tempo ich rozpadu i problem nie jest istotny. Powyżej tej gęstości jest gęstość krytyczna, gdzie dodatkowe odłamki prowadzą do dodatkowych zderzeń. Przy gęstości powyżej tej masy krytycznej produkcja przewyższa rozpad, co prowadzi do kaskadowej reakcji łańcuchowej redukującej populację orbitujących obiektów do małych (kilkucentymetrowych) i zwiększającej zagrożenie związane z działalnością kosmiczną. Ta reakcja łańcuchowa jest znana jako syndrom Kesslera.

W przeglądzie historycznym z początku 2009 roku, Kessler podsumował sytuację:

Agresywna działalność kosmiczna bez odpowiednich zabezpieczeń może znacznie skrócić czas między kolizjami i wytworzyć niedopuszczalne zagrożenie dla przyszłych statków kosmicznych. Niektóre z najbardziej niebezpiecznych dla środowiska działań w przestrzeni kosmicznej obejmują duże konstelacje, takie jak te początkowo proponowane przez Inicjatywę Obrony Strategicznej w połowie lat 80-tych, duże struktury, takie jak te rozważane w późnych latach 70-tych do budowy elektrowni słonecznych na orbicie okołoziemskiej, oraz działania wojenne przeciwko satelitom z wykorzystaniem systemów testowanych przez ZSRR, USA i Chiny w ciągu ostatnich 30 lat. Takie agresywne działania mogłyby stworzyć sytuację, w której awaria pojedynczego satelity mogłaby doprowadzić do kaskadowych awarii wielu satelitów w okresie znacznie krótszym niż lata.

.