Что могут дать России сверхнизкие спутники

Выс­шее руко­вод­ство Рос­сии обра­ти­ло вни­ма­ние на бли­жай­шее к нашей пла­не­те кос­ми­че­ское про­стран­ство: дано пору­че­ние о созда­нии оте­че­ствен­ных спут­ни­ков, пред­на­зна­чен­ных для рабо­ты на так назы­ва­е­мых сверх­низ­ких орби­тах. О каких имен­но орби­тах и спут­ни­ках идет речь, поче­му созда­ние подоб­ных аппа­ра­тов явля­ет­ся сего­дня самой мод­ной тен­ден­ци­ей кос­ми­че­ских тех­но­ло­гий – и что имен­но они могут дать Рос­сии, в том чис­ле с точ­ки зре­ния обо­ро­ны и без­опас­но­сти?

Пре­зи­дент Путин пору­чил Рос­кос­мо­су и Агент­ству стра­те­ги­че­ских ини­ци­а­тив по про­дви­же­нию новых про­ек­тов (АСИ) рас­смот­реть вопрос о созда­нии кос­ми­че­ских аппа­ра­тов для пре­дель­но низ­ких орбит. Для пла­не­ты Зем­ля пре­дель­но низ­кие орби­ты, или VLEO (Very low Earth orbit) – это орби­ты на высо­те до 400 км.

Это очень спе­ци­фи­че­ские орби­ты. На таких высо­тах сохра­ня­ет­ся силь­ное вли­я­ние зем­ной атмо­сфе­ры, быст­ро сни­жа­ю­щее ско­рость и высо­ту поле­та кос­ми­че­ских аппа­ра­тов. Ниже 170 км срок рабо­ты спут­ни­ка уже исчис­ля­ет­ся дня­ми. На высо­те око­ло 120–150 км спут­ник совер­ша­ет свой послед­ний виток, после чего вхо­дит в плот­ные слои атмо­сфе­ры и сго­ра­ет.

Пре­дель­но низ­кие орби­ты тре­бу­ют рабо­ты дви­га­тель­ной уста­нов­ки, что­бы под­дер­жи­вать высо­ту, ина­че срок рабо­ты кос­ми­че­ских аппа­ра­тов будет состав­лять несколь­ко лет или меся­цев. Кро­ме того, такие орби­ты тре­бу­ют допол­ни­тель­ной рабо­ты над архи­тек­ту­рой спут­ни­ков для умень­ше­ния воз­дей­ствий воз­душ­ных пото­ков оста­точ­ной атмо­сфе­ры.

Более того, чем бли­же к атмо­сфе­ре, тем боль­ше топ­ли­ва тре­бу­ет­ся кос­ми­че­ско­му аппа­ра­ту для под­держ­ки сво­ей ста­биль­ной рабо­ты. При­чем коли­че­ство топ­ли­ва уве­ли­чи­ва­ет­ся экс­по­нен­ци­аль­но. К при­ме­ру, изна­чаль­но Меж­ду­на­род­ная кос­ми­че­ская стан­ция рабо­та­ла на высо­те око­ло 300 кило­мет­ров, это тре­бо­ва­лось для обслу­жи­ва­ния стан­ции чел­но­ка­ми Space Shuttle, при этом в год тра­ти­лось 8600 кило­грам­мов топ­ли­ва для под­дер­жа­ния орби­ты. После подъ­ема высо­ты до 400 км еже­год­ный рас­ход горю­че­го умень­шит­ся до 3600 кг.

Без дви­га­те­ля вре­мя жиз­ни кос­ми­че­ско­го аппа­ра­та на сверх­низ­ких орби­тах состав­ля­ет счи­та­ные меся­цы или даже неде­ли. Напри­мер, самый пер­вый спут­ник ПС‑1 имел орби­ту в фор­ме эллип­са, даль­няя от Зем­ли точ­ка кото­ро­го (апо­центр) нахо­ди­лась на рас­сто­я­нии 939 км, ближ­няя уже была на высо­те сверх­низ­ких орбит – все­го 215 км. За счет такой орби­ты и зна­чи­тель­но­го тор­мо­же­ния оста­точ­ной атмо­сфе­рой ПС‑1 про­су­ще­ство­вал все­го три меся­ца, после чего вошел в плот­ные слои и сго­рел. Вышед­шая на ту же орби­ту вто­рая сту­пень раке­ты за счет боль­ших раз­ме­ров про­жи­ла и того мень­ше, она сошла с орби­ты уже через два меся­ца.

Отдель­ная про­бле­ма – воз­дей­ствие на таких высо­тах ато­мар­но­го кис­ло­ро­да, име­ю­ще­го неспа­рен­ный элек­трон, что дела­ет этот атом очень реак­тив­ным. В таком виде кис­ло­род очень силь­но реа­ги­ру­ет и разъ­еда­ет боль­шин­ство веществ. Для защи­ты от это­го на сверх­низ­ких орби­тах исполь­зу­ют покры­тие с атом­но-глад­кой поверх­но­стью, кото­рая рас­се­и­ва­ет ато­мы кис­ло­ро­да, что при­во­дит к вдвое мень­ше­му сопро­тив­ле­нию по срав­не­нию с тра­ди­ци­он­ны­ми мате­ри­а­ла­ми.

Тогда зачем нуж­ны такие орби­ты, если рабо­та на них при­во­дит к подоб­ным слож­но­стям? Если на них нель­зя выве­сти кос­ми­че­ский аппа­рат и без про­блем поль­зо­вать­ся им, пока поз­во­ля­ет элек­тро­ни­ка?

Дело в том, что сверх­низ­кие орби­ты удоб­нее для несколь­ких типов кос­ми­че­ских аппа­ра­тов. Это преж­де все­го спут­ни­ки свя­зи, спут­ни­ки дистан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния Зем­ли (ДЗЗ), рада­ры и т. д.

Для дистан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния Зем­ли все про­сто – чем бли­же к Зем­ле нахо­дит­ся кос­ми­че­ский аппа­рат, тем с боль­шим раз­ре­ше­ни­ем он смо­жет снять тот или иной уча­сток поверх­но­сти. Ну или при сохра­не­нии раз­ре­ше­ния, про­сто сам аппа­рат может быть про­ще и ком­пакт­ней. Воен­ные США уже дав­но рас­смат­ри­ва­ют вари­ант созда­ния систе­мы пря­мо­го управ­ле­ния полем боя при помо­щи созвез­дий спут­ни­ков ISR (раз­вед­ки, наблю­де­ния и реко­гнос­ци­ров­ки), спо­соб­ных пере­да­вать визу­аль­ную инфор­ма­цию с видом «как в ком­пью­тер­ной стра­те­гии» прак­ти­че­ски в режи­ме реаль­но­го вре­ме­ни.

Для систем свя­зи неболь­шая высо­та тоже очень боль­шой плюс. Она поз­во­ля­ет дер­жать высо­кий энер­ге­ти­че­ский баланс линии (Link budget). При исполь­зо­ва­нии спут­ни­ков про­цесс пере­да­чи с Зем­ли на спут­ник назы­ва­ет­ся вос­хо­дя­щей лини­ей свя­зи, а со спут­ни­ка на Зем­лю – нис­хо­дя­щей лини­ей свя­зи. Посколь­ку плот­ность мощ­но­сти радио­волн умень­ша­ет­ся про­пор­ци­о­наль­но квад­ра­ту рас­сто­я­ния меж­ду пере­дат­чи­ком и при­ем­ни­ком, в первую оче­редь из-за рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ной энер­гии в про­стран­стве по зако­ну обрат­ных квад­ра­тов, то чем бли­же спут­ник к Зем­ле, тем мень­ше энер­гии тре­бу­ет­ся для отправ­ки сиг­на­ла на Зем­лю или на спут­ник, и тем луч­ше будет энер­ге­ти­че­ский баланс линии.

Этот улуч­шен­ный энер­ге­ти­че­ский баланс линии может исполь­зо­вать­ся либо для более низ­кой мощ­но­сти при той же ско­ро­сти пере­да­чи дан­ных, либо для более высо­кой ско­ро­сти пере­да­чи дан­ных при той же мощ­но­сти, либо для ком­би­на­ции того и дру­го­го. Мень­шие и/или более мощ­ные пере­дат­чи­ки могут быть назем­ны­ми, спут­ни­ко­вы­ми или и теми и дру­ги­ми.

Есть и еще несколь­ко плю­сов. Для выво­да на сверх­низ­кие орби­ты тре­бу­ет­ся мень­шая мощ­ность раке­ты-носи­те­ля. Кро­ме того, кос­ми­че­ские аппа­ра­ты на сверх­низ­кой орби­те не тре­бу­ет­ся ком­плек­то­вать устрой­ством для сво­да с орби­ты. Вышед­ший из строя спут­ник не ста­нет кос­ми­че­ским мусо­ром, а доста­точ­но быст­ро и само­сто­я­тель­но ути­ли­зи­ру­ет­ся, сго­рев в плот­ных сло­ях атмо­сфе­ры.

Послед­ние годы сверх­низ­ки­ми орби­та­ми зани­ма­ют­ся прак­ти­че­ски все стра­ны. Есть про­ек­ты у США и Евро­пы. Китай вооб­ще соби­ра­ет­ся созда­вать посто­ян­ную груп­пи­ров­ку спут­ни­ков на орби­те ниже 300 км. Оче­вид­но, ее при­дет­ся посто­ян­но попол­нять.

Для Рос­сии широ­кий раз­го­вор об исполь­зо­ва­нии сверх­низ­ких орбит начал­ся в кон­це июня 2023 года, когда в ходе пле­нар­но­го засе­да­ния фору­ма Агент­ства стра­те­ги­че­ских ини­ци­а­тив (АСИ) «Силь­ные идеи для ново­го вре­ме­ни» гла­ве госу­дар­ства сооб­щи­ли о част­ном про­ек­те по созда­нию тако­го рода спут­ни­ков. И вот теперь, спу­стя пол­то­ра меся­ца, ста­ло извест­но, что пору­че­ние о рас­смот­ре­нии работ на сверх­низ­ких орби­тах было дано гла­ве Рос­кос­мо­са Юрию Бори­со­ву и гене­раль­но­му дирек­то­ру АСИ Свет­лане Чуп­ше­вой. До 1 декаб­ря 2023 года от них тре­бу­ет­ся «рас­смот­реть вопрос о созда­нии кос­ми­че­ских аппа­ра­тов, функ­ци­о­ни­ру­ю­щих на пре­дель­но низ­ких орби­тах (до 200 км), и изго­тов­ле­нии опыт­ных образ­цов таких аппа­ра­тов для про­ве­де­ния испы­та­ний».

Что может выве­сти Рос­сия на сверх­низ­кие орби­ты? Все зави­сит от сро­ков.

Если пря­мо сей­час, то это, ско­рее, испы­та­тель­ные кос­ми­че­ские аппа­ра­ты в фор­ма­те куб­са­тов, демон­стра­то­ры тех­но­ло­гий. Если в гори­зон­те несколь­ких лет, то это в первую оче­редь неболь­шие спут­ни­ки для дистан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния Зем­ли с воз­мож­но­стью мак­си­маль­но быст­рой акту­а­ли­за­ции дан­ных и спе­ци­аль­но создан­ные для такой орби­ты спут­ни­ки свя­зи.

Пока же рос­сий­ские раз­ра­бот­чи­ки – чаще все­го это моло­дые само­сто­я­тель­ные стар­та­пе­ры – пред­ла­га­ют свои вари­ан­ты реше­ний для рабо­ты кос­ми­че­ских аппа­ра­тов, кото­рые могут исполь­зо­вать­ся на столь слож­ных орби­тах. Это и воз­мож­ность исполь­зо­ва­ния азо­та и кис­ло­ро­да из оста­точ­ной атмо­сфе­ры для рабо­ты дви­га­те­лей кос­ми­че­ско­го аппа­ра­та на сверх­низ­кой орби­те, и воз­мож­ное изме­не­ние архи­тек­ту­ры спут­ни­ков для рабо­ты с воз­душ­ны­ми пото­ка­ми. Ско­рее все­го, уже в бли­жай­шем буду­щем все эти реше­ния могут силь­но при­го­дить­ся.

Миха­ил Котов, Взгляд