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.