Развертывание масштабной группировки спутников Starlink продемонстрирует уникальные характеристики, свойственные крупным спутниковым системам. Их баллистические возможности способны удивить и открывают перспективы для использования такой мегагруппировки, выходящие за рамки первоначальной цели. В частности, существует возможность оперативного переоборудования части гражданских спутников в оружие для выполнения боевого задания с последующим возвращением к мирной деятельности. Издание Naked Science изучает осуществимость подобного сценария.
SpaceX продолжает расширять группировку орбитальных спутников связи «Старлинк». Планируется, что ее окончательное число будет самым большим в истории. Точное количество пока неизвестно, но, вероятно, общая численность спутников в системе достигнет нескольких десятков тысяч. Этого потенциально достаточно, чтобы она могла функционировать как оружие нового типа.
Starlink: архитектура и развитие крупной спутниковой системы
Одиночный спутник – это плоская панель, имеющая массу 260 килограммов. Её размеры составляют примерно 3 метра в длину, 1,5 метра в ширину и 0,2 метра в толщину. Каждый спутник оборудован одной панелью солнечных батарей и электростатическим двигателем Холла, использующим криптон в качестве рабочего тела. Для решения поставленных задач спутники оснащены антеннами различных типов.
В настоящее время SpaceX создает сеть первого поколения спутников, которая включает в себя два этапа. Первый этап предусматривает размещение 4408 спутников на высотах 540, 550, 560 и 570 км, организованных в слои. Каждый слой содержит от 4 до 72 орбитальных плоскостей и от 520 до 1584 спутника. Именно спутники этого первого этапа, известные как «Старлинки», в настоящее время выводятся на орбиту. В 2021 году было осуществлено 19 запусков, в результате чего на орбите функционировало 1944 спутника. А к январю 2022 года количество действующих «Старлинков» превысило 2000.
В состав второй фазы спутниковой сети первого поколения войдет 7518 аппаратов, расположенных в трех слоях на высотах 336, 341 и 346 км. После завершения развертывания первой фазы, которая проходит сегодня, общее число спутников первого поколения достигнет 11926.
Новое поколение спутниковой сети будет гораздо более обширным. В октябре 2019 года SpaceX обратилась в Федеральную комиссию по связи (FCC) с запросом на запуск 30 000 спутников Starlink второго поколения на рабочие орбиты, расположенные на высоте от 328 до 614 км. В августе 2020 года компания запросила внесение изменений в заявку, касающихся возможности запуска спутников большими группами с использованием носителя «Starship». При этом общее число спутников и диапазон высот остались прежними.
Со временем меняются планы по окончательной конфигурации группировки «Старлинк». В письме SpaceX в Федеральную комиссию по связи (FCC) от января 2022 года говорится, что в своей завершенной версии группировка «Старлинк» второго поколения будет включать 9 орбитальных слоев, расположенных на высотах 340, 346, 350, 360, 525, 530, 535, 604, 614 км. Каждый слой будет содержать от 12 до 48 орбитальных плоскостей, в каждой из которых будут находиться 110 – 120 спутников (в двух верхних слоях – по 12 и 18 спутников соответственно). Общее количество спутников составит 29988.
Ранее сообщалось о планах по увеличению группировки до 42 тысяч спутников. Эти планы пока не нашли отражения в документах, поданных в федеральные регулирующие органы. Однако, с началом использования сверхтяжелой ракеты-носителя «Starship», способной выводить на орбиту около 500 спутников за один запуск, ожидается поступление соответствующих заявок и значительное ускорение расширения группировки «Starlink».
Угрозы столкновения на орбитах
Высокая концентрация спутников на низких орбитах приводит к беспрецедентной плотности аппаратов в космическом пространстве. Это создает значительную угрозу столкновений с другими космическими аппаратами, вызывая обеспокоенность у их владельцев, и требует проведения маневров для предотвращения орбитальных инцидентов. В настоящее время каждую неделю фиксируется около 600–700 опасных сближений спутников Starlink с другими космическими аппаратами на расстояние до километра. По мере увеличения количества спутников до 30 тысяч частота подобных ситуаций увеличится на несколько порядков.
Спутники Starlink в настоящее время используют систему автономного маневрирования для предотвращения столкновений с другими космическими аппаратами и объектами, отслеживаемыми NORAD. Информация от NORAD передается на борт спутников, после чего они самостоятельно принимают решение об уклонении, рассчитывают необходимые параметры и выполняют маневр.
Для управления такой масштабной группировкой, насчитывающей 30 тысяч аппаратов, потребуется единая система управления движением и общая картина состояния группировки. Автономных действий каждого спутника будет недостаточно для обеспечения стабильности всей системы. Необходима будет детальная модель ее движения, постоянно обновляемая на основе данных реальных измерений. В числе прочих задач этой модели будет осуществляться резервный контроль предотвращения столкновений космических аппаратов. В связи с этим возникнет потребность в корректировке траектории не только отдельных аппаратов, но и крупных скоплений спутников «Старлинк».
Необходимость двойного контроля безопасного движения спутников «Старлинк» связана с тем, что низкоорбитальная полоса, используемая ими, является транзитом для всех космических аппаратов, которые впоследствии будут функционировать на более высоких орбитах. Кроме того, в этой полосе находятся и другие низкоорбитальные космические системы и аппараты, включая пилотируемые. Речь идет не только о МКС, но и о космических кораблях «Союз», «Crew Dragon», и в будущем там будут запущены и другие аппараты, предназначенные как для полетов на МКС, так и для самостоятельных миссий. Предотвращение столкновений станет одним из важнейших показателей эффективности системы управления движением группировки «Старлинк», наряду с обеспечением глобальной широкополосной связи и оптимизацией энергопотребления спутников (расхода запасов ксенона для двигательной установки).
На первый взгляд, цели, связанные с управлением группировкой «Старлинк», ясны: необходимо обеспечить расчетное покрытие Земли спутниками и предотвратить столкновения, а также предоставить широкополосный доступ в Интернет для жителей планеты).
Альтернативный подход к проектированию крупной орбитальной системы
Баллистическую природу сети «Старлинк» можно рассмотреть и с другой стороны. Массивная спутниковая группировка состоит из множества высокоскоростных тел, перемещающихся в пространстве. Благодаря их большому количеству и повсеместному расположению, их можно интерпретировать как кинетическое средство поражения, находящееся в состоянии готовности и доступное над любой территорией Земли.
Определение «частая угроза столкновений» можно перефразировать следующим образом: «обширная группировка спутников постоянно находится в состоянии потенциальной угрозы для других спутников, которые могут быть уничтожены»
Сокращение расстояния между «Старлинками» и другими спутниками до нуля требует лишь незначительного импульса, который даже слабый двигатель может создать достаточно быстро.
Роскосмос и NORAD пока не комментируют этот аспект. Вероятно, Роскосмос не готов признавать растущую угрозу, исходящую от орбитальной сети «Старлинк». NORAD, в свою очередь, занимается отслеживанием баллистических объектов и не разрабатывает стратегии их боевого применения, ее задача – наблюдение за объектами, определение их текущего местоположения и расчет траекторий и прогнозов. До появления возможности создания масштабных спутниковых систем, подобные подходы, скорее всего, не рассматривались; никто не воспринимал большую орбитальную группировку с этой точки зрения (или рассматривал, но информация об этом пока недоступна).
Орбитальный перехват
Орбитальный перехват, или целевой перехват одного спутника другим, разрабатывается уже продолжительное время. Динамика сближения космических аппаратов – обширная область в орбитальной баллистике, которая определяет взаимное движение аппаратов, находящихся на орбите. При этом аппараты располагаются на относительно небольшом расстоянии друг от друга – от сотни километров до десятков метров. Такая близость позволяет упростить дифференциальные уравнения, описывающие их взаимное движение, и заменить их на разностные.
Стыковка на орбите — типичная задача, относящаяся к динамике сближения. Практическое совпадение орбит, в частности в пространственной области и в момент стыковки, является решением баллистической задачи. Кроме того, скорость сближения в момент стыковки должна быть ограничена до технологически допустимого уровня, то есть быть незначительной.
Возможно, ограничение по скорости можно будет снять и даже установить относительно высокую скорость. К примеру, не ниже 100 метров в секунду (что эквивалентно 360 км/ч). Столкновение корпусов на такой скорости неизбежно приведет к прекращению работы обоих аппаратов. Таким образом, возникает сценарий перехвата, в котором два изначально мирных спутника становятся перехватчиком и целью.
При значительной разнице в скоростях орбит аппаратов неизбежно различаются. Однако это позволяет добиться высокой точности совпадения орбит цели и перехватчика. Необходимо лишь, чтобы их орбиты пересекались, и оба аппарата находились в точке пересечения в один и тот же момент.
Типовой сценарий орбитальной погони
Для преследования орбитального объекта перехватчику необходимо выполнить несколько последовательных действий. Опишем самый простой случай. Цель и перехватчик располагаются на одной круговой орбите, разделенные расстоянием в сто километров. Каким образом перехватчик должен догнать цель?
Простое включение двигателя для разгона не позволит достичь цели, поскольку орбита не является прямой дорогой: увеличение скорости поднимет противоположную часть орбиты, формируя там апогей. Перехватчик по новой орбите устремится к нему, и эта орбита отклонится от первоначальной орбиты цели, что исключит перехват.
Перехват необходимо осуществлять с учетом принципов орбитальной баллистики, что может показаться парадоксальным с точки зрения обыденного понимания. Для достижения цели перехватчик, вместо ускорения, использует торможение двигателя. Это снижает его орбиту и формирует перигей над противоположной стороной Земли, к которому и направляется перехватчик, начиная снижение. После достаточного снижения высоты, перехватчик совершает второй импульс – ускоряющий, – что прекращает дальнейшее снижение и оставляет его на более низкой круговой орбите.
Чем ниже орбита, тем выше скорость движения по ней, как линейная, так и угловая. По аналогии с перевернутым циферблатом часов: короткая часовая стрелка, символизирующая орбитальное движение, движется быстрее длинной минутной. Перехватчик находится на конце быстрой часовой стрелки, на меньшей высоте, а цель – на конце длинной, медленной минутной. В этой ситуации перехватчик будет догонять цель, двигаясь по своей более низкой орбите.
Когда дистанция до цели сократится до минимального значения, перехватчик активирует третий импульс, также обеспечивающий ускорение. После этого высота орбиты перехватчика начнет увеличиваться, пересекая орбиту цели. Необходимо обеспечить согласование маневров перехватчика с траекторией движения цели, чтобы в точке пересечения орбит оба аппарата оказались одновременно. И встретились.
Аналогично, для организации орбитального перехвата в реальных, более сложных ситуациях потребуется разработка схемы, состоящей из нескольких маневров. Это связано с тем, что исходные орбиты цели и перехватчика могут значительно различаться: по наклонению плоскостей орбит, высоте, эксцентриситету, ориентации осей орбит и линий узлов в пространстве. Выполняемая последовательность орбитальных маневров перехватчика обеспечит высокую вероятность успешного перехвата цели в заданной расчетной точке в расчетный момент времени.
Необходимость выполнения сложной цепочки маневров помешала развитию и созданию систем орбитального перехвата. Это связано не только с тем, что международными соглашениями запрещено размещение вооружений в космосе. Вывод спутника-перехватчика на орбиту с помощью ракеты-носителя и последующее изменение его орбиты для перехвата космической цели представляет собой достаточно сложную и трудоемкую задачу. Развитие зенитных ракет и высотного перехвата привело к появлению противоспутниковых ракетных комплексов. Их боевая часть не является орбитальным аппаратом, не совершает орбитальное движение и не предполагает выполнения последовательных орбитальных маневров для перехвата цели.
Орбитальный перехват, основанный на совершенно иной концепции
Орбитальный перехват может охватывать более широкий спектр возможностей, выходящий за рамки стандартной модели, при которой одиночный спутник-перехватчик преследует и уничтожает цель.
Перехват может существенно отличаться от привычного подхода. Не обязательно предусматривать гарантированное перехватывание цели отдельным аппаратом. Расширенная спутниковая сеть открывает новые возможности. Необходимо изменить задачу системы управления движением орбитальной группировки. Например, вместо избежания столкновений, система должна стремиться к увеличению вероятности столкновения с заданными спутниками. Под целью подразумевается конкретный космический аппарат, характеристики орбиты и траектории движения которого определены, и полет которого требуется остановить.
Существует возможность преднамеренного создания опасного сближения с другим спутником из орбитальной группировки, что может привести к столкновению с небольшой, но существенной вероятностью
Негарантированный перехват цели не наступит в случае единичного опасного сближения. Однако, на траектории цели можно организовать множество опасных сближений, расположенных последовательно, как бусы на нити. Цель будет последовательно проходить через эти сближения, сталкиваясь с вероятностью соударения в каждом из них. Увеличение количества таких сближений приведет к росту общей вероятности столкновения цели по мере прохождения ею всех организованных сближений.
Увеличение числа потенциальных столкновений позволяет повысить вероятность перехвата цели до уровня, необходимого для боевого применения, например, до 0,8, 0,9 или 0,99. Определение решения будет основано на вероятностях столкновения при сближениях (которые могут отличаться) и на их количестве. Достижение требуемой надежности перехвата возможно при достаточном числе таких сближений.
Вероятность успешного перехвата распределена не по одной точке траектории цели или моменту времени, как при обычном, отдельном перехвате. Она будет распределена вдоль траектории цели, охватывая множество потенциальных сближений и моментов времени. Поэтому невозможно предсказать, при каком сближении и когда вероятность столкновения перерастет в реальное событие.
По мере увеличения количества опасных сближений возрастает вероятность столкновения, что может привести к реальному перехвату. Этот процесс можно охарактеризовать как распределенным групповым орбитальным перехватом
Криптоновые двигатели, используемые в системах «Старлинк», характеризуются небольшой тягой, которой, тем не менее, хватает для выполнения маневров уклонения. Напомним, что в настоящее время регулярно возникают ситуации, когда спутники отклоняются друг от друга на расстояние менее километра. Необходимо установить, с какими спутниками «Старлинк» формируются подобные прогнозируемые сближения с целью. Система управления движением орбитальной группировки выявляет спутники «Старлинк», которые потенциально могут приблизиться к заданной цели на опасное расстояние в течение суток или в другой период времени при минимальной коррекции их орбит. В условиях многотысячной группировки таких объектов может быть значительное количество, возможно, десятки или сотни.
По указанию системы управления движением группировки, выбранные спутники переходят с задачи уклонения на задачу встречи. Они активируют двигатели орбитального маневрирования и начинают корректировать свою орбиту, чтобы увеличить число потенциально опасных сближений с заданной целью. Задачу встречи для «Старлинков» можно рассчитать автономно, либо общая система управления сетью будет определять работу их двигателя. Так начинается групповой орбитальный перехват цели. Через определенное время, обычно в течение суток, риск столкновения спутников с заданной целью достигает критического уровня, что приводит к их непосредственному соприкосновению. Перехват цели осуществлен – выполнен групповой орбитальный перехват.
Особенности новых подходов
Использование такого количества спутников «Старлинк» для одной операции перехвата представляется неэффективным. Однако, будет израсходован лишь один спутник. Остальные способны вернуться к исходным орбитам или перейти в новую конфигурацию, которая позволит выполнять основные задачи по обеспечению связи. При этом, группа спутников, задействованная в перехвате, испытает непредвиденные затраты криптона, что уменьшит его запасы и сократит срок их эксплуатации.
Насколько это повлияет на сокращение срока службы? Возможно, эффект не будет столь значительным. Система управления будет выбирать спутники, которым потребуются незначительные корректировки. Этот дополнительный расход не приведет к немедленному выводу из эксплуатации спутники перехватывающей группы. В планах SpaceX предусмотрены запуски «Старлинков» с использованием «Старшипа», который сможет выводить на орбиту приблизительно 500 спутников (количество варьируется в зависимости от орбиты) за один запуск. Это позволит компенсировать уменьшение срока службы спутников из группы перехвата. При значительном масштабе спутниковой группировки (не забывайте – 30 тысяч спутников!) перерасход криптона для сотни спутников окажется не критичным, а практически незаметным для всей системы.
Для достижения максимальной эффективности групповой орбитальный перехват следует осуществлять не по одной цели, а по нескольким одновременно
Групповой орбитальный перехват демонстрирует значительно большую эффективность при необходимости перехвата нескольких целей, будь то десять, тридцать или пятьдесят. Это особенно актуально при решении задач по уничтожению космических группировок, таких как спутники связи или спутники разведки. В таком случае, спутники группы перехвата способны представлять угрозу не одной, а сразу нескольким целям. Это существенно повышает эффективность перехватчиков и результативность группового перехвата. Возможно разделение перехватчиков по их способности поражать различное количество целей: одни будут создавать угрозу только для одной цели, другие – для двух, трех или N целей.
Необходимо создать сложные модели движения спутниковой системы, обеспечивающие оптимальную организацию групп для орбитального перехвата. Это включает определение оптимального количества перехватчиков в группе, распределение целей между ними, планирование последовательности изменения орбит отдельных категорий перехватчиков, а также минимизацию расхода криптона. Разработка схем и методов группового орбитального перехвата позволит создать эффективные алгоритмы прогнозирования и выполнения боевых задач.
Возможные цели: широкий спектр возможностей
Какие задачи может выполнять группировка спутников «Старлинк»? Ответ на этот вопрос можно найти, проанализировав возможность изменения орбит спутников, которые потенциально могут служить перехватчиками. Чем значительнее будет смещение орбит перехватчиков от их базовой высоты, тем дольше займет выполнение перехвата и больше будет нежелательный расход криптона.
Ожидается, что зона перехвата будет ограничена небольшим диапазоном высот – от 50 до 100 километров выше и ниже высоты базовой орбиты. Тем не менее, этот диапазон достаточен для охвата различных типов потенциальных целей, поскольку он включает в себя низкие опорные орбиты и простирается до высоты около 700 км.
Сначала на эти орбиты выводят спутники оптической разведки, расположенные на солнечно-синхронных траекториях. Высота таких орбит обычно находится в пределах от 550 до 700 км. Количество спутников на солнечно-синхронных орбитах будет увеличиваться, поскольку они обладают значительными преимуществами для оптического наблюдения Земли. Благодаря неизменности местного времени в каждой точке под спутником и, как следствие, стабильной теневой картине, упрощается выявление изменений на поверхности. Кроме того, для непрерывной радиолокационной работы с орбиты солнечно-синхронные орбиты обеспечивают постоянную освещенность аппаратуры и его солнечных батарей.
В качестве альтернативы, «Старлинк» может быть нацелен на низкоорбитальные спутниковые системы связи. Кроме того, к потенциальным целям относятся спутники на эллиптических орбитах с низкими перигеями, находящиеся в пределах досягаемости группового перехвата. Практически любые спутники, функционирующие на указанных высотах или пересекающие их в процессе полета, могут быть определены как цели.
Некоторые могут утверждать, что для достижения боевой вероятности перехвата «Старлинками», учитывая их небольшую тягу, потребуется неоправданно длительное время. Боевая задача перехвата обычно предполагает уничтожение цели в установленные сроки, а не когда-нибудь в будущем, в зависимости от удачи. Однако, если спутник способен выполнить маневр уклонения за определенное время, он также может начать движение навстречу преследователю и успеть сблизиться с ним. В некоторых ситуациях спутник может не успеть создать опасное сближение, а в других случаях (или у другого спутника) это будет возможно. И именно такие «успевающие» спутники будут задействованы системой управления.
Предсказать все возможные задачи для группового орбитального перехвата довольно сложно. Сейчас границы его возможностей и специфика организации не определены. Однако, разработка методов и алгоритмов может выявить ситуации, в которых использование группового орбитального перехвата будет целесообразным. В данной статье не проводится анализ военной эффективности группового орбитального перехвата, мы рассматриваем исключительно баллистическую возможность перехвата.
Разработка алгоритмов орбитального группового перехвата и оценка их эффективности могут предоставить конкретную возможность для практического применения. В этом случае целесообразно будет повышать возможности спутников новых поколений в части группового перехвата. Будущие спутники можно будет оснащать твердотопливными двигателями массой 3–5 кг, подобно тем, что используются в качестве апогейных двигателей. Подобное изменение конструкции не окажет существенного влияния на стоимость или массогабаритные параметры аппарата, но позволит более оперативно корректировать орбиты для перехвата, что увеличит боевую эффективность спутниковой группировки.
От ключевых элементов к стратегии и тактике
Для реализации распределенного группового орбитального перехвата требуется три основных компонента. Прежде всего, необходима достаточно крупная группировка спутников, оптимально распределенная по различным высотам. Далее, требуется значительная вычислительная мощность и точная, детализированная модель движения орбитальной группировки и потенциальных целей. Наконец, спутник должен обладать возможностью осуществления требуемого орбитального маневра.
Система Starlink способна обеспечить групповой перехват, поскольку для этого требуется всего три ключевых условия
Соблюдение указанных условий позволяет создать систему распределенного орбитального перехвата. Увеличение мощности каждого компонента приведет к повышению эффективности перехвата. При дальнейшем развитии этой технологии – до достижения реальной боеготовности.
При создании других спутниковых систем могут возникнуть стратегические соображения. Если такие системы будут построены на схожих высотах или близких к ним, необходимо будет учитывать потенциальную угрозу глобального перехвата со стороны орбитальной группировки «Старлинк», состоящей из 30 тысяч аппаратов».
Перехват может предоставить и тактические преимущества. Его начало не бросается в глаза, в отличие от запуска ракеты с наземной позиции, сопровождающегося заметным инфракрасным излучением выхлопа. Двигатели «Старлинков», задействованные в качестве перехватчиков, активируются в различных точках спутниковой группировки, равномерно распределяясь по ней и не выделяясь на фоне обычных срабатываний двигателей, необходимых для коррекции орбит. Кроме того, само по себе такое срабатывание трудно заметить благодаря особенностям электрореактивного двигателя. Последствия изменения орбит спутников-перехватчиков не сразу станут понятны системам NORAD или другим средствам контроля за баллистическими траекториями.
Официальные планы по применению спутниковой группировки «Старлинк» для создания орбитальной системы перехвата пока не объявлены. Однако это не исключает возможности реализации принципа распределенного орбитального перехвата. По мере увеличения числа спутников возрастает и баллистический потенциал для такого перехвата, который в конечном итоге будет осознан и оценен.
Вместо эпилога
В космическом пространстве действует философский закон перехода количества в качество. Невиданное ранее количество спутников, объединенных в орбитальной группировке и управляемых централизованно, открывает перспективы, которые ранее было сложно предвидеть. Однако, важно уже сейчас внимательно изучать эти возможности, поскольку группировка такого масштаба формируется.
Полное развертывание орбитальной мегагруппировки представляется вполне осуществимым в ближайшем будущем. В случае реализации проекта появятся и новые баллистические возможности. Также будут реализованы принципиально новые методы управления движением, которые позволят в любой момент выделить из спутниковой сети общего назначения, не оснащенной вооружением, необходимую боевую составляющую.
Необходимость анализа новых практических применений баллистики крупных группировок стала очевидной, и данная статья представляет собой один из упрощенных подходов к такой оценке. Будущее экстремально большой орбитальной группировки и ее потенциал проявятся в ближайшие годы.