Почему Космос нужен нам всем?11.04.2021 21:18

На правах дисклеймера

Я не пытаюсь нарисовать здесь «единую программу развития» космической отрасли, нет у меня таких знаний. Просто пройдусь по самым интересным (с моей точки зрения) технологиям и рискну «на кончике пера» найти возможные точки пересечения и развития. Любые обсуждения — приветствуются. Формат — перевод и компиляция источников, немного авторских комментариев, ссылки на сайты разработчиков и внедрителей, ну и картинки для привлечения внимания.

И еще. Упор делается на гражданский космос. Поклейка танчиков сухопутных, водоплавающих и орбитальных вместе с милитаристами всех мастей идет лесом в другом, не моем треде. Я пацифист. Благодарю за понимание.

Связь

Самое очевидное применение космоса — связь. Спутники могут выступать как непосредственные ретрансляторы сигнала между абонентами, так и работать цепочкой промежуточных ретрансляторов. Для увеличения скоростей передачи данных между спутниками можно использовать оптический канал, разреженные остатки атмосферы на НОО не ослабят лазерный луч. Небольшая рабочая высота спутников решает сразу две проблемы — снижает потребную мощность передатчика (сигнал ведь слабеет пропорционально квадрату расстояния) и упрощает утилизацию вышедшего из строя спутника в верхних слоях атмосферы.

Лучший пример технологии — спутники Starlink, легкие КА массой ~ 227 кг, размещаемые на НОО.

Электроракетные двигатели, устанавливаемые на StarLink начиная с модификации V1.0, обеспечивают как ориентацию, как и поддержание орбиты. Плазменные двигатели SPT-100HET спутников StarLink обладают высоким удельным импульсом (~1600c) и работают на безопасном, экологически чистом топливе — ксеноне и криптоне.

Избыток энергетических и вычислительных ресурсов спутников космической связи можно использовать для наблюдений за земной поверхностью, астрономических наблюдений, геофизических исследований (измерения магнитного поля и гравитационных аномалий). А еще они смогут обеспечить нам Internet of Sattelites. Этот как IoT. Только в космосе.

Картография, ДЗЗ, геодезия

Легкие и сверхлегкие спутники способны нести на борту оптику, обеспечивающую качественную съемку земной поверхности. Лучший пример «легких» спутников наблюдения — КА Dove и SuperDove компании PlanetLabs

Спутники Dove ожидают своей очереди к запуску на складе PlanetLabs

На базе КА Dove компании PlanetLabs уже сформирована группировка в 140 спутников, ведущих непрерывное наблюдение за земной поверхностью.

Полюбоваться на снимки с борта Dove

На борту микроспутников может размещаться не только фотооборудование, но и радиометрические приборы, с помощью которых можно вести сбор метеорологических данных в режиме реального времени. Сейчас уже действует прототип — кубсат TEMPEST, созданный компанией Blue Canyon Technologies.

Наложение снимков урагана Florence, сделанных метеоспутником GOES и TEMPEST Tempest в лаборатории Blue Canyon Techologies

Непрерывно получаемые с НОО данные о состоянии атмосферы могут быть жизненно важны для подготовки к экстремальным погодным условиями, в первую очередь — безопасности морских и воздушных перевозок.

Спутники как часть системы управления транспортными потоками

Находящийся на низкой орбите кубсат вполне может принимать данные с транспондеров грузовых кораблей, а затем передавать их конечным пользователям. Компания Meisei Electric Co.LTD уже разрабатывает миниатюризованный приемник (8 см * 8 см * 6 см) сигналов AIS для установки на кубсаты формата 3U

Еще одно неожиданное применение данных спутниковой съемки — повышение эффективности кораблей с ветроэнергетическими установками. Проект OCEANBIRD, к примеру, предполагает создание парка крупногабаритных (длина — 200 м, водоизмещение — 32000 тонн) парусников с вспомогательной электрической силовой установкой

Это — примерный вид системы SEABIRD, футуристичного вида паруса — аэродинамические профили. Компания Wallenius Marine

Регулярно обновляемые карты ветров и течений могут быть подспорьем в формировании оптимальных траекторий для хайтековых парусников. Вполне возможно, что перспективное направление развития морских перевозок — это флот дронов с парус-электрическими или парус/СПГ силовыми установками (Или, чем черт не шутит — с маломощной ЯСУ), задания которых корректируются на основе данных от группировок метеоспутников на базе TEMPEST, передаваемых через сети, подобные StarLink и отслеживаемые по сигналам ASI-бортовых транспондеров.

Мультиспектральная съемка

Кубсаты могут выступать и платформами для мультиспектральной съемки земной поверхности. Пример мультиспектрального датчика для кубсатов формата 3U и крупнее — Chameleon Imager. Результаты анализа мультиспектральной съемки могут применяться для решения самых разных задач.

Оптимизация работы систем ирригации и обработки сельхоз-угодий химикатами, удобрениями и биологическими агентами. Уже существуют системы мониторинга состояния посевов с помощью дронов, измеряющие уровень водного стресса посевов. Осторожно, наукоемко и на английском.
Еще одна работа посвящена оценке уровня заражения кукурузных посевов вредителями на основе данных мультиспектральной съемки.

Следующий шаг — вынести систему в космос для расширения полосы охвата и меньшей зависимости системы мониторинга от погодных условий.
Данные мультиспектральной съемки могут передаваться на землю, где на их основе операторы-агрономы смогу уточнить схемы орошения посевов и оставить программы обработки посевов. Возможно — при помощи все тех же дронов

Агро-дрон компании Small Robot Company (Великобритания). Им не управляют из космоса. Пока что не управляют

Мультиспектральная съемка также может оценивать продуктивность водных биомов. Точная оценка цвета поверхности океана позволяет оценить параметры углеродного и азотного цикла в приповерхностных водах и продуктивность планктона. Данные со спутников могут использоваться для выбора участков океана под аквакультуру и разведки рыбных ресурсов:

1. Выбор участков рыбной ловли в Южно-Китайском море

2. Оценка продуктивности солоноватых водоемов для ведения аквакультуры

Мониторинг космического пространства

Понятно, что на низких (до 1000 км) орбитах должна собраться внушительная (~ 2500 — 5000) группировка КА. И эту группировку необходимо обслуживать, снабжая информацией, необходимой для ее выживания (и недопущения синдрома Кесслера)

1. Земная атмосфера — сущность непостоянная, изменения солнечной активности приводят к ее расширению (и ускоряют затухание орбит спутников). Поскольку большинство перспективных спутников — это сверхмалые и малые КА с низкой нагрузкой на мидель (и достаточно «парусные»), то даже небольшое расширение термосферы может привести к существенному снижению сроков жизни КА (и к необходимости досрочного пополнения группировки). К счастью, современные технологии ЭРД позволяют компенсировать потери скорости малыми расходами топлива. Решение проблемы — спутники мониторинга космического пространства, поставляющие данные для маневров подъема орбиты для компенсации «распухания» верхних слоев атмосферы.

2. Мониторинг космолома. Спутники оптического, радиолокационного и ЛИДАР-наблюдения могут дополнять наземные службы мониторинга околоземного пространства и содействовать им, поставляя свежие данные о космоломе. Спутники StarLink уже располагают ДУ и набором бортовых алгоритмов для предотвращения столкновений.

3. Борьба с космоломом. Здесь возможен целый спектр решений, простейшее — кубсат, оснащенный гарпуном и собственной ДУ и/или надувным / раскладывающимся аэродинамическим тормозом для погружения фрагмента космического мусора на орбиту, «увязающую» в плотных слоях атмосферы и обеспечивающую падение обломков в безопасном регионе. НАСА уже проводит работы по установкам, использующим эффект солнечного паруса и тормозящие аэродинамические устройства для свода спутников с орбиты

Более сложный вариант — орбитальная платформа, оснащенная мощной энергетической установкой, системами наведения и лазерной системой. На поверхности «обстреливаемого» куска космолома возникнет плазма, которая создаст механический импульс, понижающий орбиту фрагмента для надежного захвата атмосферой. В журнале «Chinese Society of Aeronautics and Astronautics» уже предложен проект КА с лазерной установкой килоджоулевой мощности для сведения с орбиты фрагментов космолома массой ~ 100 г.

Солнечная энергетика

Возможное ответвление технологии дистанционной энергии на орбите — питание энергоемких систем КА (ионные двигатели, радарные установки для наблюдения за земной поверхностью). Развитая площадь солнечных батарей на низкой орбите снижает срок жизни КА, и возможен вариант, при котором специализированный спутник на промежуточной орбите (~750 — 1000 км), оснащенный достаточно мощной солнцеэнергетической установкой и антенной решеткой, передает энергию для питания КА на низкой орбите или даже дронам в атмосфере или на поверхности Земли. Или Марса.

Прототип такой системы уже отрабатывался на экспериментальном беспилотном космическом корабле X-37 OTV, запущенном в рамках миссии USSF-7 17 мая 2020 года.

Второе возможное направление — орбитальные отражатели, передающее солнечную энергию на Землю. Простейший вариант — зеркала из надувных и раскладывающихся металлизированных конструкций, передающие дополнительную солнечную энергию к наземным солнечным электростанциям.

Это — спутник «Echo». Металлизированный баллон диаметров в 100 футов из шестидесятых. И возможный прототип для орбитальных «Зеркал Архимеда». Материала официального сайта NASA

Если оценивать массовое совершенство орбитального зеркала на базе надувной конструкции типа Echo (0,09 кг/м²) с коэффициентом запаса 1,66 на элементы жесткости, систему ориентации зеркал и управляющую автоматику, то тяжелый носитель с полезной нагрузкой в 20 тонн сможет вывести на НОО «зеркало» площадью в 133000 м². Такое зеркало способно перенаправить на Землю поток энергии мощностью 180 МВт.

Китай уже начал работы по спутнику-коллектору, передающему на землю концентрированную солнечную энергию.

Солнечная печь Паркента (Узбекистан). Возможный прототип наземной станции в системе орбитальных зеркал-концентраторов

P.S.

Сожалею, если материал вышел хаотично. Я обязательно исправлюсь в следующем выпуске