Сверхнизкие орбиты

Николай Цыгикало
Коммерсантъ Наука №3, 14 марта 2024 года

Очень низкие орбиты открывают перспективы, которых нет у других космических высот. Для их освоения придется решать трудные задачи, но игра заведомо стоит свеч, а успех может обновить околоземную космонавтику.

Cпутник SOAR Discoverer для исследования орбитальной аэродинамики. Фото: discoverer.space

Космонавтика — это орбиты. Интерес к ним неиссякаем, особенно к практическим шагам. Продолжая наши орбитальные темы, заглянем в еще одну крайне перспективную область.

В бесконечном многообразии космических полетов можно выделить самый низкий диапазон. Он ограничен снизу формальной границей атмосферы (высота 100 км) или высотой схода с орбиты из-за торможения атмосферой Земли (высота около 120 км). Верхняя граница условна, ее проводят на высоте 400, 350 или 300 км; мы подразумеваем высоты 150–250 км, как самую характерную часть.

Этот диапазон называют «очень низкими околоземными орбитами», с мемовой аббревиатурой VLEO (Very Low Earth Orbit). Иногда звучит название «сверхнизкая околоземная орбита», или SLEO (Super Low Earth Orbit). Есть и еще одно привычное название: низкие опорные орбиты, или НОО. Для них в США часто берут высоту 185 км (круглые 100 миль), в России круглые 200 км. Опорные орбиты нужны временно и ненадолго. Обычно космический аппарат или ступень ракеты с нагрузкой «доезжают» по опорной колее до нужного района Земли, не делая полного витка. Там они включат двигатель и покинут опорную орбиту. Это и отличает VLEO от НОО: будучи физически одной и той же орбитой, низкая опорная не успевает подействовать на аппарат в такой степени, как долгий полет по ней в месяцы и годы. В котором происходит много интересного, пробуждающего мысль практиков.

Что за физика (немножко), где проложена дорожка

Атмосфера на этой высоте сильно отличается от нашей. Например, температура составляет сотни и тысячи градусов Цельсия. Не удивляйтесь — МКС на высоте 415 км летит в среде с температурой 1000–1700°С, жарче любой духовки и даже доменной печи. Поэтому часть атмосферы с 90 до 700 км высоты назвали термосферой. Температура на одной высоте может возрастать в разы, отзываясь на изменения активности Солнца. Так накаляет ситуацию поглощение местным газом ультрафиолетового излучения светила. Здесь это атомарный кислород. Энергия ультрафиолета ионизирует и разгоняет атомы кислорода, их скорость переходит в температуру.

Но среда не жжет в силу своей почти бесплотности. Кубометр нашего воздуха содержит 1,23 кг газа, а на высоте 200 км его меньше в 10 000 000 000 раз, лишь одна десятимиллионная доля грамма. Из-за ничтожности вещества столь же мал и нагрев от него, ведь тепло газовой среды переносит ее вещество. Тепловой поток (порция тепла за секунду) тоже ничтожен, поэтому ощутимого газодинамического нагрева нет даже на орбитальных скоростях. Возможно, передняя часть конструкции теплее на градус-два, но и только. Такой нагрев не создает проблем (Солнце греет в сто раз больше) не только своим уровнем, но и тем, что не накапливается.

В отличие от другого действия среды — газодинамического сопротивления движению. Оно столь же слабое, как и нагрев, и по той же причине призрачности здешней атмосферы. Встречные атомы кислорода отдают свой импульс аппарату, тормозя его. Свободный пробег атомов между их столкновениями больше размеров спутника, поэтому такую среду уже нельзя считать сплошной, как наш привычный воздух. Есть спецразделы аэродинамики по движению в особо разреженных средах, они дают более точную картину специфичного космического обтекания. Силы вязкости, важные для сплошной среды, исчезают, и привычная в аэродинамике гладкая обтекаемая форма тела не нужна. Главным становится площадь наибольшего поперечного силуэта: именно им космический аппарат принимает удары встречных атомов газа.

Сила торможения всего лишь граммы для мелких спутников и десятки граммов для более крупных. Она замедляет аппарат очень понемногу, но непрерывно; и это действие накапливается. Потеря скорости опускает орбиту в более плотные слои, усиливающие торможение. Такой замкнутый круг плавно нарастает и переходит в падение в атмосферу; близкие к нему орбиты называют неустойчивыми. Потеря устойчивости (приближение к началу падения) зависит от степени создаваемого здесь торможения.

Для разных спутников высота потери устойчивости орбиты будет разной. Например, для МКС это примерно 140 км из-за размаха конструкции. А верхние ступени ракет, стабилизированные носом строго вперед, и поэтому с наименьшим поперечным сечением, делали на той же высоте много витков, летая сутками.

Атомарный кислород очень активен химически. И сам по себе, и с учетом большой энергии столкновения со спутником. Из-за него поверхности конструкции постепенно окисляются, накапливая коррозию металла и быстро разъедая неметаллические материалы. Нужны покрытия, стойкие к окисляющему действию среды.

Отметим и баллистическую изюминку сверхнизких орбит — быстроту. На высоте 170 км оборот длится 87 минут, на пять минут меньше, чем у МКС. Вроде немного, но сокращение времени витка тоже можно накапливать. Допустим, до целевой точки идти еще 12 витков. По пять минут на каждом витке сложатся в час выигрыша. Оперативность прибытия к заданному району растет. И эта орбитальная скорость не снижает качество снимков и других данных.

И тут пошла шеренга плюсов

Главный плюс — наилучшие условия наблюдения Земли из космоса: с близких расстояний получается более высокое разрешение съемки. Мелкие детали и тусклые объекты видны больше и подробнее и без крутого телескопа. Это уменьшает конструкцию (массу, стоимость, срок производства), позволяя увеличить количество. Так приходит идея сети сверхнизких спутников.

Малая высота приводит к отсутствию космического мусора. Здесь он из орбитального роя переходит в косо падающий дождь. Остатки атмосферы очищают и опустошают VLEO, держа их в относительной безопасности от ударов космического мусора.

Запуск на эти высоты требует меньше всего энергии: самые низкие полеты идут по орбитам с наименьшей энергией. Сюда вывезут спутник даже легкие ракеты-носители, а любой конкретный носитель покажет здесь максимальную грузоподъемность. А значит, и лучшую массовую эффективность, переходящую в экономическую.

Меньше нужна и мощность для передачи данных с малой высоты, а значит, и энергия излучения, и ее источник. Терминалы связи станут легче, а источники питания, включая солнечные панели, меньше и компактнее. Все это снижает затраты на производство и запуск. Важнейшим плюсом идут и меньшие задержки передачи данных. Так улучшается работа спутниковой сети и ее параметры, растет эффективность.

Что уже летало там?

Разведспутник КН-4В Corona (модель J3) на базе верхней ступени Agena-D

Набор плюсов побуждает заполучить хотя бы часть преимуществ. Осваивать VLEO начали в первые годы космических полетов; это первая полярная орбита, первое возвращение спускаемого аппарата. Первопроходцем стала стратегическая разведка.

После истории с Пауэрсом и перехватом его U-2 в мае 1960 года ЦРУ США ускорило программу фоторазведки с самых низких орбит, названную Сorona. Верхнюю ступень Agena (RM-81 Agena) двухступенчатой ракеты-носителя Thor-Agena дооборудовали в разведспутник, оснастив фотокамерами широкой съемки. Спецоборудование для работы камер вмещало почти 10 км фотопленки (у поздних вариантов). Съемка управлялась бортовым компьютером по целеуказаниям объектов, данным разведки, погоды, положения спутника и с учетом уже отснятых кадров. Вначале эти космические аппараты для маскировки назывались Discoverer («Исследователь»), а с 1962 года — KH (Key Hole или Keyhole, «Замочная скважина»), летавшие четверть века и давшие знаменитый телескоп «Хаббл».

В носу ступени находилась округлая капсула возврата отснятых фотопленок на Землю. К слову, эти капсулы, прозванные «ведрами» (film bucket, в значении мусорной корзины для пленок), стали первыми спускаемыми аппаратами и первыми объектами, вернувшимися с орбиты без разрушения. В нужном районе капсула сбрасывалась на Землю; обычно снижающуюся капсулу еще в воздухе подхватывал транспортный самолет, цепляя ее парашют крючками свисающего троса. А опустевшая ступень вскоре входила в атмосферу и разрушалась.

Для увеличения разрешения фотокамер ступени запускали на как можно более низкие орбиты. Первые спутники Corona помещали на круговые полярные орбиты высотой 160 км. Позже орбиты опустили ниже, с перигеем до 121 км. С 1963 года на ступени ставили двигатели орбитального маневрирования. Они поддерживали орбиту или поднимали ее апогей, продлевая срок работы даже при столь низком перигее. Всего запустили 144 спутника, из них 102 вернули годные для работы фотопленки. Программа Corona работала более десяти лет (последний запуск в мае 1972 года), что говорит о ее эффективности. В том числе и об эффективном баллистическом обеспечении на базе использования VLEO.

GOCE, европейский низколет

Спутник GOCE во время тестирования. Фото: 4archive.org

Из современных полетов по сверхнизким орбитам стоит выделить научный спутник GOCE Европейского космического агентства (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer — «исследователь гравитационного поля и установившихся океанических течений»). Шесть высокоточных акселерометров на борту измеряли местные особенности гравитационного поля. В том числе уточнялась форма Земли: по итогам программы точность определения геоида достигла 1–2 см на масштабах порядка 100 км.

Для «разборчивости» деталей гравитационной картины спутник вывели на очень низкую солнечно-синхронную круговую орбиту высотой 254,9 км с наклонением 96,7°. От запуска в марте 2009 года до завершения полета в ноябре 2013-го прошло 4,5 года. Как удалось столь долго летать на такой высоте?

Для этого использовали обтекаемую форму корпуса. GOCE сильно вытянули в длину; две его солнечные панели шли вдоль всего корпуса, напоминая оперение стрелы. Их передние кромки были скошены, а задние оттянуты назад и дополнялись двумя стабилизаторами на корме. Такая геометрия уменьшила поперечное сечение спутника, сильно снизив его аэродинамическое сопротивление.

Но торможение атмосферы оставалось. Для его компенсации и поддержки орбитальной скорости стояли два ионных двигателя на ксеноне. Они не дают вибраций, характерных для жидкостного ракетного двигателя, и это снизило ошибки измерений. Скорость истечения ионов достигала 40 км/с, а тяга не превышала 2 граммов силы, достаточных для компенсации торможения. Запас ксенона в 40 кг определил срок работы: после выработки ксенона GOCE сошел с орбиты и сгорел.

Отметим и Японию. Орбита испытательного спутника на сверхмалой высоте SLATS (японское название «Цубамэ», «Ласточка»), сделанного и запущенного JAXA, протестировала семь разных высот. Они начались с 271 км и спустились до 167,4 км. Запущенный в конце 2017 года «Цубамэ» пролетал 1 год и 9 месяцев, а на высотах 250, 240, 230, 181,1 и 167,4 км он провел по 7 суток. Это обеспечивалось вытянутой формой корпуса и работой ионного двигателя. А самую нижнюю рабочую орбиту отметила Книга рекордов Гиннесса.

Облик спутника для VLEO

Главным свойством сверхнизкого спутника, отмеряющим его срок жизни, становится обтекаемость. Для сильно разреженной среды нужен корпус с малым поперечником и большим удлинением («вытянутостью», отношением длины к диаметру). Скосы передних поверхностей встретят атомы вскользь, уменьшая передачу от них тормозящего импульса.

Для этих поверхностей нужны особые материалы, зеркально отражающие встречные атомы: в шершавую поверхность они будут «влипать», отдавая конструкции весь свой тормозящий импульс. Материал не должен окисляться атомарным кислородом, теряя отражающие свойства. Разработка характеристик таких материалов — трудная задача, как и их поиск и изготовление.

Но и после оптимизации останется ощутимое суточное или недельное торможение. Для его компенсации нужен двигатель. С непрерывной тягой в единицы или десятки граммов весь рабочий срок — несколько лет. Двигатели для этой задачи, ионные на ксеноне, криптоне, аргоне продолжают стремительно развиваться, став стандартным оснащением многих серийных спутников.

Было бы здорово снять ограничение по запасу рабочего тела для ионного двигателя. Очень перспективной выглядит идея собирать встречный поток атомов кислорода воздухозаборником. Разумеется, не для горения, а пополнять запас рабочего тела. Собранный кислород можно ионизировать и разгонять двигателем, как криптон или ксенон.

Если выброс ионов кислорода из двигателя будет быстрее полета спутника, то тяга превысит торможение (от встречного импульса собираемого кислорода). При обычных сегодня скоростях истечения ионов 30–40 км/с выигрыш будет существенным и непрерывно действующим. А энергию для двигателя дадут солнечные панели и аккумуляторы на ночной части орбиты.

Неиссякаемые встречные атомы термосферы и энергия Солнца делают работу двигателя «вечной». Сегодня развиваются уже несколько таких проектов. После создания рабочих конструкций можно будет летать на VLEO почти бесконечно, ограничиваясь лишь износом двигателя. И эта возможность тоже выделяет сверхнизкие орбиты среди других особой перспективностью и уникальностью.

Управление ориентацией спутника получит выраженную аэродинамическую компоненту. Во-первых, можно использовать стабилизаторы на корме (как у GOCE), снижая нагрузку на гиродины, силовые маховики для ориентации. Во-вторых, среда будет и дестабилизировать космический аппарат. Ведь в термосфере есть свои движения: ветры, потоки от вращения Земли, изменения плотности из-за солнечной активности. Это приведет к углам атаки, косому обтеканию корпуса, усиливая торможение и отклоняя орбиту боковыми силами. Аэродинамические возмущения могут превышать возможности системы ориентации на базе гиродинов. Их работу поддержат управляемые аэродинамические «крылышки», внося вклад в управление ориентацией спутника.

Итак, спутник для VLEO станет аэродинамичным, напоминая ракету или бумажный самолет. Небольшой и недорогой, он будет выпускаться крупносерийно (для больших орбитальных группировок) и нести типовые подходы в конструкции.

Группировки для сноровки

Демонстрационный образец Skimsat. Фото: thalesaleniaspace.com

С низких высот меньше зона обзора; в ходе полета она чертит полосу по поверхности Земли. Ее положение и направление складывается из двух разных движений: полета спутника по орбите и суточного вращения Земли. Из-за него трасса (линия на земной поверхности, которую чертит подспутниковая точка) и полоса обзора ложатся на территорию со смещением к западу. Оно достигает 2500 км за один виток на экваторе и обнуляется в неподвижных точках Земли — полюсах.

Целевой район в идеале полностью ложится в зону обзора и тогда наблюдается за один проход спутника. Но целевой район можно задать и большим, и тогда покрыть его съемкой за два прохода. Полоса наблюдения «проедет» по его правой или левой стороне, покрыв ее полностью. Тогда время ожидания вырастает до прохода второго спутника, чья орбита удачно пройдет по оставшейся части целевого района.

А можно запустить два космических аппарата на одну орбиту тандемно, один за другим, на расстоянии 7000 км друг от друга. Тогда первый спутник может пройти над половиной целевого района. Когда через 15 минут к району подойдет второй, отснятая половина уползет из зоны обзора. Зато подставится другая половина, которую и обработает второй спутник, завершив полную съемку района.

А если целевой район еще больше? Можно пустить третий спутник и отснять еще полосу. Встык к ней еще, и еще. Значит, надо еще больше аппаратов, идущих друг за другом. Нужна оптимальная организация группировки — сколько орбитальных плоскостей, сколько спутников на каждой орбите.

Сколько же их нужно всего? Ответ зависит от задаваемой оперативности сети. Через какое минимальное время спутник сети пройдет по целевому району и выполнит задачу? Например, через полтора витка после получения запроса на съемку один из аппаратов придет к целевому району. Под такую баллистическую оперативность сети потребуется столько-то спутников.

Если проводить съемку не строго вниз, а под углом к вертикали, оперативность вырастет. Потому что можно пройти не точно над целью, а в стороне неподалеку, что обычно случается раньше. Каковы типовые размеры целевых районов съемки? Где они располагаются, на каких широтах, и какое там линейное смещение Земли за виток? Это вопросы предназначения сети и выбора задач, под которые она куется и затачивается.

Текущие годы: Европа, Китай, США

Эскизный вид спутника Stingray. Фото: ESA

Интерес к сверхнизким орбитам растет все больше. В конце июня 2021 года прошел 1-й Международный симпозиум по миссиям и технологиям на очень низкой околоземной орбите. Он состоялся при поддержке проекта Discoverer Европейского союза (еще один Discoverer!) по изучению и освоению VLEO. В ходе проекта был запущен (июнь 2021 года) спутник SOAR для исследований орбитальной аэродинамики, в конце девятимесячной работы летавший ниже 250 км.

Европейское космическое агентство летом 2022 дало €2,3 млн на разработку спутника-демонстратора Skimsat для работы на высоте менее 300 км. Деньги получила европейская Thales Alenia Space в партнерстве с британской аэрокосмической QinetiQ (сегодня Redwire), создающей систему управления высотой и орбитой AOCS. На эскизных картинках конструкция похожа на самолет с заостренным носом и треугольным «крылом» солнечных панелей.

На смену космическим одиночкам приходят проекты группировок на VLEO. Китайский аэрокосмический гигант CASIC в середине 2023 года озвучил план создания такой сети. К 2027 году планируется сеть из 192 спутников, снимающих объект каждые полчаса, а к 2030 году она расширится до 300 космических аппаратов. Параметры конструкций и орбит не раскрыты, кроме высот 150–300 км.

Первый запуск (планировался в декабре 2023 года) послужит для проверки и демонстрации ключевых технологий, таких как полет по сверхнизкой орбите, съемка Земли высокого разрешения, эффективная обработка и передача данных сразу на терминалы пользователей. Конфигурация сети по орбитальным плоскостям, населенности орбит и срок работы спутников неизвестны.

В США техникой для VLEO занимаются несколько фирм. Skeyeon создает спутник Near Earth Orbiter (NEO) для орбитальной сети на высоте 250 км. Он похож на зубило с клиновидной передней частью и «оперением стрелы» из четырех солнечных панелей с косой передней кромкой. Skeyeon запатентовала самовосстанавливающийся материал с хорошим обтеканием и устойчивый к атомарному кислороду; лабораторные тесты материала показали высокие результаты.

Компания Earth Observant планирует группировку спутников Stingray на VLEO с целью съемки сверхвысокого разрешения для государства и коммерции. Изделие напоминает детский бумажный самолет с «крыльями» солнечных панелей, оснащенный ионным двигателем. Первый запуск планируют в марте—апреле 2024 года, к концу года на орбите ожидается до шести аппаратов. Общий план нацелен на сеть из 60 спутников, со сроком службы каждого до пяти лет.

Считается, что Stingray будет равноценен по характеристикам гораздо более крупным и тяжелым спутникам с более дорогим оборудованием на обычных низких орбитах (LEO, Low Earth Orbit) высотой до 2000 км. Оптика даст картинку с пространственным разрешением 0,15 м, передавая ее напрямую заказчику. Оптический сканер обеспечит полосу обзора 5×50 км с повторным проходом места съемки через 1,5 суток для одного Stingray и примерно 10–15-минутным периодическим проходом спутниками сети.

Albedo, американский стартап из Денвера, хочет запустить первый спутник на сверхнизкую орбиту в начале 2025 года, далее развернув орбитальную сеть из 24 аппаратов. Цель — получить благодаря близости к Земле изображения самого высокого разрешения на рынке: 10-сантиметрового оптического и 2-метрового инфракрасного. Это качество аэрофотосъемки, но полученное из космоса. Частота повторных съемок — до пяти за сутки.

Нельзя недооценить и военные аспекты VLEO. Сочетание высокого разрешения съемки, инновационных двигателей и надежности работы делает ее важной областью для оборонных и разведывательных операций. В таком свете сверхнизкие орбиты могут сыграть ключевую роль в стратегии космической обороны. Об этом говорил генерал Джеймс Дикинсон, возглавлявший Космическое командование США, и другие высокопоставленные военные. В предыдущем выпуске «Коммерсант-Науки» мы рассматривали низкоорбитальную (на высоте 1000 км) группировку инфракрасного обнаружения гиперзвуковых целей. Нет сомнений, что при снижении до 200 км такая орбитальная сеть поднимет свою эффективность во много раз.

Эпилога нет — мы просто видим уникально перспективное и малоосвоенное орбитальное поле, дающее самые лучшие решения и разрешения в детальном наблюдении Земли. С ионным «вечным двигателем» сверхнизкие группировки станут неубывающими, в разы снижая бюджеты. Дальше возможно размещение на VLEO крупногабаритных конструкций, в том числе пилотируемых. Для поддержания орбиты им будут не нужны грузовики с топливом. Вид сверхнизких орбитальных станций будет непривычным, с обтекаемыми заостренными корпусами и космическими воздухозаборниками в духе звездолетов из фильмов Лукаса. Но это дело более далекого будущего.