Полвека никто не сомневается в том, что применение космических аппаратов существенно повышает эффективность действий вооруженных сил. Поэтому все государства стремятся развивать космические технологии. Из них США располагают самой мощной и совершенной группировкой спутников. В течение последних лет это государство определило свои цели в космосе во многих документах. В их числе — «План Космического командования США на период до 2020 года», «Космическая доктрина» президента Обамы, «Стратегия национальной безопасности в космическом пространстве», «Новая военно-космическая стратегия США». В 2010 году Объединенный комитет начальников штабов вооруженных сил США принял концепцию Joint Vision-2010 (концепция «Полного спектра доминирования»), и в качестве главной задачи космической деятельности указал в ней достижение и укрепление безусловного американского военного превосходства и лидирующей роли в космическом пространстве. В достижении этой цели далеко не последнюю роль будут играть малые космические аппараты.
По современной классификации космические аппараты делятся по своей массе на три основных группы. Большие спутники имеют массу больше 1000 кг, средние — 500–1000, малые (МКА) — меньше 500. В последней группе есть мини-КА (100–500 кг), микро-КА массой 10-100 кг и более легкие. Мы рассмотрим именно МКА.
Перспективы МКА
В наше время космонавтика развивается очень интенсивно. Важным преимуществом, которым обладают современные искусственные спутники Земли, является оперативность поступления информации на станции приема и обработки информации. Но стоимость больших космических аппаратов велика, поэтому во всем мире активно создаются МКА с возможностями, соизмеримыми с потенциалом больших спутников.
Действительно, по мере совершенствования космических технологий, массы и размеры служебных и целевых систем космических аппаратов становятся все меньше, они потребляют все меньше энергии. Во многих случаях те задачи, которые решались и еще решаются многотонными спутниками, могут выполнять спутники, которые легче их в десятки раз. К снижению массы отдельного МКА ведет и построение систем из спутников, работающих на невысоких орбитах, в составе которых могут быть десятки аппаратов. В целом такие системы часто оказываются более эффективными технически и экономически по сравнению с теми, где применяются тяжелые спутники на высоких орбитах.
МКА обладают многими преимуществами перед большими спутниками. Так, они относительно недороги, легко модифицируются для решения определенной задачи, создают меньше радиопомех. Их применение способствует уменьшению рисков, связанных с запуском на орбиту и работой в космосе, снижая финансовые потери в случае отказа или утраты такого спутника. Действительно, низкоорбитальные системы имеют в своем составе много спутников, поэтому выход из строя одного или нескольких МКА не приводит к потере работоспособности системы.
Что очень важно, МКА обеспечивают значительное увеличение оперативности получения потребителем данных наблюдения за счет создания необходимой по численности группировки малых аппаратов. Большие одиночные спутники дистанционного зондирования среднего и высокого разрешения не могут быть источниками оперативной информации о заданном районе, поскольку имеют большой период повторения съемки. Например, американский Landsat-7 производит повторную съемку того же района с периодичностью 16 суток, французский Spot-5 — 2–3 суток.
Министерство обороны США стремится достичь того, чтобы любое воинское соединение или подразделение, каждый военнослужащий, предмет военного снаряжения или вооружения получило свой уникальный адрес. Этот адрес позволит в режиме реального времени отслеживать положение и состояние всех элементов обстановки, формировать единую цифровую картину боевого пространства. Без большого количества разных МКА, составляющих единую систему, этого не достичь.
Современные научные и технологические тенденции в изготовлении МКА позволяют совершить качественный скачок в создании, например, космических аппаратов оптико-электронного наблюдения с высоким пространственным разрешением в интересах вооруженных сил. Так, в США реализуется государственная программа по формированию быстро разворачиваемых группировок МКА TacSat (Tactical Satellite). Один из используемых спутников — TacSat-2. Этот аппарат массой 415 кг выводится на высоту 350 км. Спутник предназначен для решения многих задач, главными из которых являются видовая и радиотехническая разведка. Основная полезная нагрузка спутника — оптический телескоп, который позволяет получать изображения поверхности Земли с разрешением лучше 1 м на пиксел в полосе наблюдения 5 км. Кроме того, он способен следить за перемещением судов в мировом океане, выделяя их характерную сигнатуру в радиодиапазоне.
Следующий МКА TacSat-3 массой 400 кг. Основной полезной нагрузкой спутника является гиперспектральная камера — растровый спектрометр высокого разрешения Artemis, позволяющий получать не просто цветные снимки, но и проводить спектральное профилирование каждого пикселя, причем с высоким разрешением. Указывается, в частности, что спектральное профилирование изображений позволяет выявлять места установки фугасов на обочинах дорог, анализировать из космоса химический состав, и даже отличать по спектральным сигнатурам естественную грязь от грязи, использованной для маскировки, например, тех же фугасов. При этом обеспечивается передача готовых к использованию изображений непосредственно в войска не позднее, чем через 10 минут после съемки.
МКА связи TacSat-4 оснащен 10 ретрансляционными каналами связи УКВ-диапазона, позволяющими осуществлять связь с мобильными группами передового развертывания без необходимости остановки и установки неподвижных антенн спутниковой связи. До этого ни одна из спутниковых систем министерства обороны США, эксплуатируемых в настоящее время, не могла обеспечить непосредственное доведение тактической информации, переданной по спутниковому каналу, до компактной радиостанции военнослужащего или переносной радиостанции подразделения. И это при том, что TacSat-4 — это микроспутник с массой всего 0,4 кг! Он обеспечивает три двухчасовые сеанса связи в сутки в любом районе Земного шара. Концепция создания и применения тактических спутников предусматривает их непосредственное использование командованием на театре военных действий.
В Великобритании реализуется аналогичная программа TopSat (Tactical Optical Satellite — тактический оптический спутник). Этот МКА имеет разрешение 2,5 м и массу 112 кг. Можно вспомнить и израильский МКА Eros-B с разрешением 0,7 м при массе 300 кг.
Наши задачи
И перед российскими разработчиками космических систем, особенно в нынешних сложных условиях, стоит задача повышения эффективности спутниковых систем в интересах министерства обороны, а также минимизации расходов на космические аппараты за счет создания и широкого применения МКА. Это не просто задача — это вызов, на который мы не имеем права не ответить.
Бурное развитие электроники, технологий, появление новых материалов позволяет сегодня значительно уменьшить массогабаритные и энергетические характеристики систем, применяемых в космической технике, удешевить их. Беда в том, что мы не имеем собственной микроэлектронной базы на уровне мировых образцов. Мы не смогли создать ее в советское время, а теперь у нас еще больше проблем. Именно из-за несовершенной советской электроники мы вынуждены были делать большие и тяжелые спутники, использовать мощные ракеты. Все это приводило к удорожанию космических программ.
Сейчас в мире уже используются микросхемы с топологическими размерами 20–28 нанометров. Это — размер единичного элемента — диода, транзистора. У нас же пока только появились отдельные полупроводниковые производства, способные выпускать микросхемы с 90–180 нм. Запланирован запуск производств уровней 45–65 нм. Как показали исследования, транзисторы в новых пробных кристаллах на основе технологии 65 нм работают в 1,5 раза быстрее, чем выполненные по технологии 90 нм. Энергопотребление при этом снижается более чем в два раза.
Вот почему целевая нагрузка многих наших космических аппаратов — иностранного производства. А в случаях, когда такое оборудование изготовлено у нас, зачастую используются импортные комплектующие. Это обстоятельство особенно губительно сейчас, когда против России введены разнообразные санкции.
То есть, перед нами стоит задача не только создания МКА, но, прежде всего, организации изготовления для них соответствующей элементной базы. Достижение такой цели должно обеспечить выполнение программы импортозамещения. Тогда и возможна будет миниатюризация, уменьшение энергопотребления наших МКА. Работа предстоит очень сложная, она требует мобилизации больших ресурсов. Но без этого нам не обойтись.
Работа по импортозамещению идет, продолжаются разработки и МКА. Например, Роскосмос и инновационный центр «Сколково» заключили соглашение о совместном запуске малых космических аппаратов. Поскольку изготовление МКА будет вестись довольно большими сериями, это позволит обеспечить оптимальную загрузку мощностей космического машиностроения и понизить себестоимость.
В октябре прошлого года в Томской области сформирован консорциум по созданию группировок МКА. В его состав вошли Институт физики прочности материалов СО РАН, ОАО «Межведомственный аналитический центр», ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева, научно-технологический центр «Космонит», ОАО «Российские космические системы», Московский авиационный институт, Томский государственный университет, Томский политехнический университет, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева, Технологическая платформа «Легкие и надежные конструкции».
Анализ задач, решаемых МКА, показывает, что одни и те же их функции находятся в сфере интересов различных ведомств, а разные задачи могут быть решены на базе одной и той же информации, но при соответствующей тематической обработке. За счет этого можно минимизировать количество модификаций МКА, оптимизируя состав их информационных комплексов и удовлетворить потребности практически всех потребителей информации. Возможно даже создание единой унифицированной служебной платформы для различных типов МКА. Такой подход даст значительное снижение стоимости разработки и изготовления спутников.
Что имеем
Нельзя сказать, что у нас совсем не было и нет МКА. Это не так. Они были, некоторые используются и сейчас. Но характеристики их далеки от достигнутых современных мировых уровней. Приведем несколько примеров.
«Гонец» — действующая российская многофункциональная система персональной спутниковой связи, построенная на базе низкоорбитальных МКА. Система предназначена для оказания услуг связи в глобальном масштабе. Запуск спутников начался в 1996 г. с аппаратов «Гонец-Д1», массой 240 кг. С 2005 г. началась опытная эксплуатация модернизированной версии спутника «Гонец-Д1М» с вывода аппарата «Гонец-М» массой 280 кг. По настоящее время группировка постоянно пополняется спутниками «Гонец-М».
Однако, эти МКА далеко не новы. Реальные работы по ним начались в 1962 г. По заказу министерства обороны требовалось создать экспериментальные космические системы специальной связи «Стрела» и «Пчела». Эти системы строились с использованием космических аппаратов, расположенных на случайных низких некорректируемых орбитах, обеспечивающих радиозональное перекрытие всей земной поверхности. Передача данных основывалась на принципе «почтового ящика»: абонент передавал сообщение на спутник связи в зоне видимости, спутник его сохранял в бортовом запоминающем устройстве, после чего в определенное время или по команде с Земли ретранслировал его принимающему абоненту. Основными пользователя системы были КГБ и ГРУ ГШ, которые передавали по спутниковым каналам шифрограммы и оцифрованные изображения. По программе «Стрела» были созданы МКА «Стрела-1» (начало эксплуатации с 1965 г.), «Стрела-1М», «Стрела-2М», «Стрела-3», «Стрела-3М». Система «Пчела» была реализована в спутнике «Стрела-2М» массой 850 кг. И уже гражданской версией «Стрелы-3» стал «Гонец-Д1», а «Стрелы-3М» — «Гонец-М».
Военная спутниковая система связи «Родник» — действующая в настоящее время система, состоящая из МКА «Стрела-3М» под названием «Родник-С».
МКА «Зея» массой 90 кг, целевую нагрузку для которого разработали в ВИКУ им. А.Ф.Можайского, был заказан Военно-космическими силами, запущен в 1997 г. Он предназначен для отработки новейших общих принципов контроля запусков космических ракет-носителей и управления космическими аппаратами на орбитах.
Работали в космосе и МКА серии «Можаец». Такое название эти спутники получили потому, что разработаны были в ВИКУ им. А.Ф.Можайского на базе платформы спутников «Стрела-1М». «Можаец-1» стартовал в 1995 г., а последний аппарат этой серии «Можаец-5» массой 70 кг был запущен в 2005 г. Ему не повезло. Он был выведен на расчетную орбиту, но не отделился от адаптера ракеты «Космос-3».
Запускали мы и МКА «Компас» массой 86 кг, выполнявшие научные задачи.
В 2005 г. российский космонавт Салижан Шарипов с борта Международной космической станции просто метнул рукой в космос первый российский наноспутник ТНС-1 массой 4,5 кг. ТНС-1 стал для нас серьезным прорывом. Он имеет полосу обзора 250–300 км, разрешение — 50–100 м на пиксел, что является очень неплохим показателем при такой массе. Он может автоматически сбрасывать данные 1-2 раза в сутки на малые приемные станции непосредственного у потребителя. Спутник имеет широкий диапазон применения: экология, контроль природных ресурсов, морской, сельскохозяйственный, промышленный мониторинг, контроль чрезвычайных ситуаций. Ему не требуются Центр управления полетами, огромные приемо-передающие антенны, анализ телеметрии и многое другое. Управлять им можно было с помощью ноутбука из любого места. К сожалению, элементная база спутника во многом импортная, однако программное обеспечение отечественное. Наиболее очевидная область применения таких спутников — это дистанционное зондирование Земли. Ведь даже обычные цифровые фотокамеры позволяют вести съемку Земли с полосой обзора 290 км при разрешении от 50 м, а передатчик частотного диапазона 1,7 ГГц отправит полученные «картинки» на малые наземные станции приема, расположенные у потребителей этих съемок.
Работает на орбите наш МКА дистанционного зондирования массой менее 500 кг «Канопус-В». Максимальное разрешение — 2,1 м. Он служит для картографирования, мониторинга чрезвычайных ситуаций, в том числе пожаров, оперативного наблюдения заданных районов и передает изображения на наземные пункты.
8 июля 2014 г. состоялся запуск ракеты-носителя «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат», который вывел на орбиту космический аппарат гидрометеорологического мониторинга «Метеор-М» № 2 и шесть МКА. Один из них был российский DX-1 массой 22 кг. В качестве полезной нагрузки на спутнике размещен блок приема АИС-сигналов — автоматической системы слежения за судами. В России это первый космический аппарат с такой функцией. Информация со спутника используется в том числе и в интересах коммерческих компаний.
Некоторые наши предприятия имеют проекты МКА. И есть мнение специалистов, что сегодня можно создать, например, современный МКА дистанционного зондирования массой в 150 кг, включая массу полезной нагрузки, с оптической аппаратурой высокого разрешения и высокоскоростной радиолинией передачи информации на основе отечественных российских разработок. Только бы электроника не подвела.
Владимир Максимовский
