Создание огромной группировки спутников Starlink продемонстрирует принципиально новые качества экстремально больших спутниковых систем. Баллистические возможности могут оказаться неожиданными и позволить использовать такую мегагруппировку совсем не по назначению. Например, можно оперативно превратить часть мирных спутников в оружие, выполнить боевую задачу, а после вернуть спутники к обычной работе. Naked Science задался вопросом о возможности такого сценария.
SpaceX увеличивает орбитальную группировку спутников связи «Старлинк». Ее конечное количество должно быть наибольшим в истории. Точное число неизвестно, но ожидается, что в системе будет несколько десятков тысяч спутников. Достаточно для того, чтобы система могла стать новым видом оружия.
Космическая группа звёзд Starlink: строение быстрорастущей компании.
Одиночный спутник — плоская панель весом 260 килограммов. Длина панели примерно три метра, ширина — полтора метра, толщина — два десятка сантиметров. Спутник оборудован одной панелью солнечных батарей и электростатическим двигателем Холла с криптоном в качестве рабочего тела. Для выполнения задачи спутники снабжены антеннами разных типов.
SpaceX создаёт сеть первого поколения спутников из двух частей. Первую часть составят 4408 спутников, размещаемых на высотах 540, 550, 560 и 570 км в слоях. Каждый слой содержит от 4 до 72 орбитальных плоскостей и от 520 до 1584 спутника. В эту часть закладываются «Старлинки». За 2021 год было выполнено 19 запусков, количество работающих спутников на орбите достигло 1944. К январю 2022 года число работающих «Старлинков» превысило 2000.
Вторая часть спутниковой сети первого поколения включает 7518 спутников на трех уровнях высотах в 336, 341 и 346 км. Вместе с первой частью, которая заполняется сегодня, сеть первого поколения будет состоять из 11926 спутников.
Новая сеть спутников будет состоять из значительно большего числа аппаратов. В октябре 2019 года SpaceX подала в Федеральную комиссию по связи заявку на запуск 30 000 спутников Starlink второго поколения на орбиты высотой от 328 до 614 км. В августе 2020 года компания попросила внести изменения в заявку, связанные с возможностью запуска спутников большими группами на носителе «Starship». Общее количество спутников и высотный диапазон остались неизменными.
Планы конечной конфигурации группировки «Старлинк» со временем изменяются. Согласно письму SpaceX в Федеральную комиссию по связи в январе 2022 года, готовая группировка «Старлинков» второго поколения будет состоять из девяти орбитальных слоев на высотах 340, 346, 350, 360, 525, 530, 535, 604 и 614 км. Слои будут содержать от двенадцати до сорока восьми орбитальных плоскостей, в каждой из которых будут двигаться сто десять – сто двадцать спутников (в двух верхних слоях по двенадцать и восемнадцать спутников в каждой плоскости). Общее количество спутников составит… 29988.
Были сообщения о планах увеличить количество спутников до 42 тысяч. Пока такие заявки не подавались в регулирующие органы, но с запуском «Starship», способного выводить около 500 спутников за один полет, можно ожидать заявок и ускорения наращивания группировки «Старлинк».
Угрозы столкновения на орбитах
Большое количество спутников, сосредоточенных на низкой орбите, создаёт высокую плотность аппаратов в пространстве, что повышает риск столкновений с другими космическими объектами (что вызывает беспокойство их владельцев) и необходимость маневрирования для избежания аварий. Ежедневно происходит около 600-700 опасных сближений «Старлинков» на расстояние километра и меньше с другими космическими аппаратами. При увеличении количества спутников до 30 тысяч частота таких ситуаций возрастёт на два порядка.
Спутники Starlink самостоятельно меняют траекторию для избежания столкновений с другими космическими объектами, отслеживаемыми командованием NORAD. NORAD предоставляет данные о положении объектов на борт «Старлинков», и спутники при необходимости автономно определяют параметры уклонения и производят его.
Требуется дополнительный канал управления для 30-тысячной группировки спутников в виде единой системы управления движением и состоянием. Автономные действия каждого спутника недостаточно для стабильного управления всей системой. Необходима полная модель движения, постоянно уточняемая по реальным параметрам. Модель будет выполнять дублирующий контроль избегания столкновений космических аппаратов, а в некоторых случаях потребуется корректировка движения не только отдельных аппаратов, но и больших групп «Старлинков».
Такое дублирование контроля безопасного движения «Старлинков» понадобится из-за того, что через низкоорбитальный диапазон, занимаемый «Старлинками», проходят при запуске все космические аппараты, предназначенные для работы на более высоких орбитах. В нем также располагаются другие низкоорбитальные космические системы и аппараты, включая пилотируемые. Это не только МКС, но и «Союзы», «Crew Dragon», а в скором времени туда появятся и другие корабли с миссиями на МКС и самостоятельными полетами. Безопасность от столкновений станет одним из главных параметров для системы общего управления движением группировки «Старлинк» наряду с покрытием планеты широкополосной связью и оптимизацией энергозатрат спутников (расхода запасов ксенона для двигателя).
Цели руководства группировкой «Старлинк» понятны: обеспечение расчетного покрытия земли спутниками и предотвращение столкновений. Также ясны общие задачи: обеспечить доступ к широкополосному интернету жителям Земли.
Альтернативное представление о большой орбитальной системе.
Множество барражирующих спутников «Старлинка» можно рассматривать как кинетическое оружие массового поражения, готовое к применению над любой точкой Земли.
Большая спутниковая сеть постоянно направлена на другие спутники, которые она способна уничтожить.
Близость «Старлинков» к другим спутникам имеет и обратную сторону — для сокращения дистанции до нуля требуется очень небольшой импульс.
Роскосмос и NORAD хранят молчание по этому вопросу. Возможно, Роскосмос не готов признавать растущую угрозу орбитальной сети «Старлинков». Система слежения за баллистическими объектами NORAD занимается отслеживанием объектов и их движения, расчётом траекторий и прогнозами, но не стратегиями боевого применения. Вероятно, до реальной перспективы создания больших спутниковых систем не возникало подобных подходов; никому в голову не приходило рассматривать большую орбитальную группировку с этой точки зрения (или приходило, но мы об этом пока не знаем).
Орбитальный перехват
Целевой перехват одним спутником другого, или орбитальный перехват, давно изучается. В орбитальной баллистике существует раздел – динамика сближения космических аппаратов.
Описание взаимного, относительно друг друга, движения аппаратов в орбитальном полете. Аппараты находятся вблизи друг от друга: от сотни километров до десятков метров. Близость упрощает системы дифференциальных уравнений, описывающих их движение, до разностных уравнений.
Стыковка на орбите – классическая задача динамики сближения. Решение баллистической задачи стыковки подразумевает практическое совпадение орбит, особенно в пространственной области и в момент стыковки. Также важно ограничить скорость сближения в момент стыковки до технологически допустимой, то есть очень малой.
Можно отменить ограничение по скорости, установив даже относительную скорость достаточно высокой, например, не ниже 100 метров в секунду (360 км/ч). При столкновении на такой скорости оба аппарата гарантированно прекратят функционирование. В ситуации перехвата одним спутником другого два мирных спутника превращаются в перехватчик и цель.
При большой относительной скорости орбит аппаратов не могут быть идентичными. Возможна большая степень совпадения орбит цели и перехватчика. Главное, чтобы орбиты пересекались, и оба аппарата находились в точке пересечения одновременно.
Типовой сценарий орбитальной погони
Для того чтобы перехватчик достиг цели, ему нужно выполнить ряд маневров. Предположим: цель и перехватчик находятся на одной орбите, в 100 километрах друг от друга. Как перехватчику догнать цель?
Включение двигателя для разгона не позволит ему догнать цель, так как орбита – не автодорога. Увеличение скорости приведет к формированию апогея на противоположной части орбиты. Перехватчик направится к нему по новой орбите, которая будет отличаться от исходной орбиты цели, исключая попадание в нее.
Перехват необходимо осуществить с учётом правил орбитальной баллистики, что отличается от привычного наземного восприятия.
Чтобы догнать цель, перехватчик применяет тормозящий импульс двигателем, что понижает его орбиту и создаёт перигей над другой стороной Земли.
Перехватчик направляется к этому перигею, начиная снижение.
Снизив высоту достаточно, перехватчик делает второй импульс — ускоряющий. Это прекращает дальнейшее снижение, оставляя перехватчика на более низкой круговой орбите.
Чем ниже орбита, тем быстрее скорость движения по ней, как линейная, так и угловая. Короткий отрезок орбиты, словно часовая стрелка часов наоборот, бежит быстрее длинного – минутной. На конце быстрой стрелки, на меньшей высоте, находится перехватчик, а на конце медленной – цель. В такой ситуации перехватчик будет догонять цель на своей более низкой орбите.
Когда расстояние до цели сократится, перехватчик даст третий импульс, также ускоряющий. После этого высота орбиты перехватчика увеличится, и его траектория пересечется с траекторией цели.
Остается согласовать маневры перехватчика с движением цели так, чтобы в точке пересечения орбит оба аппарата оказались одновременно и встретились.
В реальных и сложных ситуациях с построением схемы перехвата из нескольких маневров придется организовывать орбитальный перехват.
При этом могут различаться исходные орбиты цели и перехватчика: плоскости орбит, высота, эксцентриситет, ориентация осей орбит и линий узлов в пространстве. Последовательность маневров перехватчика создаст высокую вероятность перехвата цели в заданной точке в расчетное время.
Из-за сложности каскадных маневров орбитальный перехват так и не получил развития и создания эксплуатируемых боевых систем. Это связано с тем, что размещение оружия в космосе запрещено международными договорами, а выведение спутника-перехватчика на орбиту ракетой-носителем и выполнение изменений его орбиты до перехвата орбитальной цели достаточно сложно и громоздко. Развитие зенитных ракет и высотного перехвата привело к созданию противоспутниковых ракетных систем, боевая часть которых не является орбитальным аппаратом, не находится в орбитальном движении и не требует последовательных орбитальных маневров для перехвата цели.
Космический захват другого типа.
Орбитальный перехват может означать больше, чем просто одиночный спутник, преследующий цель.
Перехват может быть принципиально другим. Не обязательно ставить задачу гарантированного перехвата цели одним аппаратом. Большая спутниковая сеть открывает другие возможности. Нужно поставить системе управления движением орбитальной группировки противоположную задачу: не избегать столкновений с другими спутниками, а наоборот, максимизировать вероятность столкновения со спутниками-целями. Под целью понимается конкретный космический аппарат, орбита и параметры движения которого известны, и полет которого нужно прекратить.
Можно вызвать потенциально опасное приближение цели к спуску с орбиты.
Неодиночное опасное сближение не гарантирует захвата цели. Можно создать множество опасных сближений на траектории цели, подобно бусам на нитке – последовательно, одно за другим. Цель будет проходить через эти опасные сближения по мере их появления, испытывая при этом вероятность столкновения в каждом из них.
Увеличивая число ситуаций, потенциально приводящих к столкновению, можно добиться боевой вероятности захвата заданной цели — например, 0,8, 0,9 или 0,99. Решение основано на вероятностям столкновения во время сближения (эти вероятности могут различаться) и количестве таких сближений. При достаточном их числе перехват цели достигнет нужной надежности.
Полная вероятность такого перехвата распределена не в одной точке траектории цели или во времени, как при обычном перехвате. Вероятность «размазана» по всей траектории цели, многим опасным сближениям на ней и многим моментам времени. В связи с этим заранее нельзя определить, в каком сближении и когда вероятность соударения станет фактическим событием.
С ростом количества угрожающих приближений высока вероятность перехвата как результата столкновения. распределенным групповым орбитальным перехватом
Криптоновые двигатели «Старлинков» обеспечивают малую тягу, достаточную для манёвров уклонения. Уже сегодня возникают ситуации сближения спутников на расстоянии одного километра и меньше. Система управления движением орбитальной группировки определяет спутники «Старлинк», которые могут создать опасное сближение с заданной целью в ближайшие сутки или иной интервал времени при условии незначительной корректировки их орбит. Таких спутников среди многотысячной группировки может оказаться множество — возможно, десятки или сотни.
По команде системы управления движением группировки выбранные спутники меняют задачу уклонения на задачу встречи. Запускают двигатели орбитального маневрирования и начинают изменять свое движение так, чтобы количество опасных сближений с заданной целью начало расти. «Старлинки» могут рассчитывать задачу встречи автономно, или работу двигателя им назначит общая система управления сетью. Так начинается. групповой орбитальный перехват целиЧерез сутки, например, угроза столкновения задействованных спутников с заданной целью достигает критического уровня, в результате чего происходит их столкновение. Цель перехвачена — реализован групповой распределенный орбитальный перехват.
Особенности новых подходов
Использование столь большого количества спутников «Старлинк» для одного перехвата кажется нерациональным. Впрочем, лишь один из них будет задействован. Остальные смогут вернуться на исходные орбиты или принять новую конфигурацию, обеспечивающую выполнение основных задач связи.
Конечно, у группы спутников, участвующих в перехвате, возникнет непредвиденный расход криптона, что снизит запасы и сократит срок их службы.
Сколько сократит срок службы? Возможно, не настолько существенно. Система управления выберет спутники, которым потребуются минимальные коррекции. Этот дополнительный расход не выведет спутники перехватывающей группы из эксплуатации сразу. В планах SpaceX – запуски «Старлинков» большим «Старшипом», который будет выводить на орбиту около 500 спутников за один пуск (для разных орбит количество в запуске будет различаться). Этим легко компенсировать снижение срока службы спутников из группы перехвата. При больших масштабах спутниковой группировки (не забудьте – 30 тысяч спутников!) перехватный перерасход криптона у сотни спутников окажется не только не критичным, но и незаметным для всей системы.
Перехват из группой орбиты даст больше результата, если действовать сразу по нескольким целям, а не по одной.
Эффективность группового орбитального перехвата повышается при необходимости нейтрализовать не одну цель, а несколько: десять, тридцать или пятьдесят. Например, при уничтожении космической группировки: спутников связи или разведки. В этом случае спутники из группы перехвата могут одновременно представлять угрозу нескольким целям. Это значительно увеличивает эффективность перехватчиков и результативность группового перехвата. Возможно разделение перехватчиков по количеству целей, так что одни специализируются на одной цели, другие – на двух, третьих – на N целях.
Нужно создать сложные модели движения спутниковой системы для оптимальной организации построения групп орбитального перехвата. Это подразумевает определение оптимального числа перехватчиков в общей группе, распределение целей между ними, последовательность изменения орбит разных категорий перехватчиков и минимизацию расхода криптона. Разработка схем и методов орбитального группового перехвата позволит построить эффективные алгоритмы прогнозирования и выполнения боевой задачи.
Выбор целей разнообразен.
Что могут преследовать боевые задачи у орбитальной группировки «Старлинк»? Ответ можно найти, анализируя возможность изменения траектории спутников, которые превращаются в перехватившие аппараты. Чем дальше вверх и вниз от базовой высоты должны будут сместиться перехватчики, тем дольше будет осуществляться перехват и больше запланированного расхода криптона.
Высотный диапазон перехвата составит около 50 – 100 километров над и ниже высоты базовой орбиты. Несмотря на ограниченность, этот диапазон охватывает несколько типов целей, простираясь от низких опорных орбит до высот около 700 км.
Во-первых, в него попадают спутники оптической разведки на солнечно-синхронных орбитах. Рабочие высоты таких орбит находятся именно в диапазоне 550 – 700 км. Заселение орбит такого типа будет расти в силу больших преимуществ солнечно-синхронных орбит для наблюдения земной поверхности в оптическом диапазоне. Всегда одно и то же местное время в каждой подспутниковой точке, и соответственно неизменная теневая картина от объектов на поверхности, позволяет легко выявлять изменения на местности. В других вариантах использования солнечно – синхронных орбит обеспечивается непрерывное круглосуточное освещение аппарата и его солнечных батарей, что очень подходит для непрерывной радиолокационной работы с орбиты.
«Старлинки» могут быть направлены против низкоорбитальных систем связи, а также спутников на эллиптических орбитах с малыми перигеями в зоне досягаемости группового перехвата. Любые спутники, работающие или проходящие по обозначенному диапазону высот, могут становиться целями.
Возможен возражение: для достижения боевой готовности «Старлинкам» потребуется много времени из-за их слабой тяги. Ведь выполнение боевой задачи по перехвату обычно предполагает уничтожение цели в отведенный срок, а не когда-нибудь «повезет». Но если спутник успевает маневрировать и уклоняться от другого спутника за определенный промежуток времени, то может совершить движение навстречу ему (и приблизиться). В одних случаях это может оказаться поздно, в других – нет. Именно такие «успевающие» спутники использует система управления.
Сложно предсказать все возможные задачи для группового орбитального перехвата, так как границы его возможностей и организация пока неясны. Возможно, разработка методов и алгоритмов выявит случаи, когда применение группового орбитального перехвата будет целесообразным. В данной статье не рассматривается военная эффективность группового орбитального перехвата; мы анализируем лишь баллистическую возможность перехвата.
Разработка алгоритмов орбитального группового перехвата и определение областей его эффективности могут привести к возможности целенаправленного применения этой технологии. Тогда допустимо усиление будущих поколений спутников с точки зрения потенциала группового перехвата. Будущие спутники можно оснащать твердотопливным двигателем массой 3 – 5 кг, аналогично используемым твердотопливным апогейным двигателям. Такая добавка в конструкцию не существенно повлияет на стоимость или массово-габаритные характеристики аппарата, но позволит оперативнее изменять орбиты для перехвата, увеличивая боевой потенциал спутниковой группировки.
От ключевых элементов к стратегии и тактике
Для распределенного группового орбитального перехвата требуется три ключевых элемента: большая группировка спутников, желательно распределенных по диапазону высот, большая вычислительная мощность и детализированная общая модель движения орбитальной группировки, а также возможность выполнения спутником необходимого орбитального маневра.
Для группового перехвата достаточно трех условий, которые может обеспечить система Старлинк.
При соблюдении указанных условий реализация системы распределенного орбитального перехвата станет осуществимой. Повышение показателей каждого звена усилит эффективность перехвата. Сфокусированный подход к развитию этой технологии приведет к практическиму боевому применению.
Построение других спутниковых систем может подразумевать стратегические аспекты. При размещении в том же диапазоне высот или близко к нему придется учитывать угрозу глобального перехвата этой системы 30-тысячной орбитальной группировкой «Старлинк».
Такой перехват может иметь тактические преимущества. Его начало незаметно, в отличие от запуска ракеты с земли с ярким инфракрасным факелом выхлопа. Запуск двигателей «Старлинков», используемых в качестве перехватчиков, произойдет во множестве точек спутниковой группировки, равномерно распределяясь по ней и не выделяясь среди других срабатываний двигателей для текущей коррекции орбит. Само по себе такое срабатывание не слишком заметно из-за особенностей электрореактивного двигателя. Изменение орбит спутников, ставших перехватчиками, не сразу будет очевидно для системы NORAD или других систем контроля движения баллистических объектов.
Официальных планов по использованию группировки «Старлинк» для орбитального перехвата пока не озвучивали. Но это не значит, что принцип распределенного орбитального перехвата отсутствует. С увеличением числа спутников возрастает баллистическая возможность такого перехвата. В какой-то момент эта возможность будет осознана и должным образом оценена.
Вместо эпилога
Философский закон перехода количества в качество действует и в космическом пространстве.
Небывалое количество спутников в одной орбитальной группе под общим управлением открывает возможности, появление которых раньше было трудно предсказать. Однако стоит сейчас же присмотреться к этим возможностям, так как экстремально большая спутниковая группировка уже формируется.
Полное развертывание орбитальной мегагруппировки возможно в ближайшем будущем. Успех приведет к появлению новых баллистических возможностей и принципиально новым подходам управления движением. Это позволит из общей сети спутников без оружия выделять необходимый боевой сегмент в любой момент.
Необходимость в оценке новых прикладных аспектов баллистики больших группировок актуальна, и данная статья может быть рассмотрена как упрощенный вариант такой оценки. Будущее экстремально большой орбитальной группировки и ее дополнительных возможностей прояснится в ближайшие годы.