В России впервые объявлен конкурс на освоение сверхнизких орбит. Его участники должны преодолеть существующие технологические барьеры для запуска аппаратов, которые обеспечат более точную и оперативную связь на Земле
Спутниковые технологии, развитие которых началось в далеком 1957 году с запуска советского аппарата «Спутник-1», все еще остаются главным ускорителем инноваций. С их помощью в любой точке мира, без сетевой инфраструктуры, могут быть доступны сверхскоростная мобильная связь, интернет и навигация. Но считается, что они способны принести еще больше пользы: для этого нужно лишь сократить время задержки сигнала, поступающего со спутника на Землю. Если сейчас самые современные аппараты производства SpaceX, летающие на низких орбитах 400‒550 км, в среднем дают задержку 40 миллисекунд, то если, к примеру, опустить их орбиту ближе к Земле на сотню-другую километров, задержка составит менее 20 миллисекунд, а также снизятся потери энергии в радиоканале, что позволит экономить на обслуживании связи — использовать маленькие антенны и маломощные передатчики. Кроме того, более близкое расположение камер к Земле обеспечит более высокое разрешение съемки. Все это конвертируется в колоссальный рост скоростей и качества работы привычных сервисов в цифровых устройствах. Однако с технологической точки зрения реализовать эту миссию не так просто.
В октябре в России был объявлен конкурс на создание малых космических аппаратов, которые позволят преодолеть существующие технологические барьеры для запуска спутников на сверхнизкие орбиты, в данном случае речь идет о высотах 100‒280 км над Землей. Его организаторы — Национальная технологическая инициатива (НТИ) и Фонд перспективных исследований (ФПИ), призовой фонд равен 780 млн рублей. Это не госконтракт с четким заданием и ответственностью за его выполнение, а технологический баттл между инновационными командами. Его участники будут разрабатывать спутники за свой счет, инфраструктуру для наземных испытаний и запусков им предоставят НТИ и «Роскосмос», а денежные выплаты получат победители, чьи спутники выйдут на нужную высоту и в течение месяца в условиях открытого космоса будут демонстрировать потенциал для предоставления коммерчески востребованных услуг. То есть стабильно подавать сигнал на Землю с задержкой менее 20 миллисекунд. Финал конкурса запланирован на 2028 год.
По словам управляющего директора Центра развития системы технологических конкурсов НТИ Юрия Молодых, в турнире примут участие инженерные команды от ведущих компаний и организаций, которые уже имеют опыт в спутникостроении, а те, кто обладает решениями только «на бумаге», будут автоматически отсекаться. Ожидается, что в ходе конкурса будут созданы непохожие друг на друга спутники, а на орбиту полетят лучшие варианты. В дальнейшем, полагают организаторы, разработанные технологии лягут в основу создания эффективных и относительно недорогих коммерческих группировок на сверхнизких орбитах.
А это уже существенно изменит и околоземный ландшафт, и даже наше представление о спутниках. Сверхнизкие орбиты выдвигают принципиально иные требования к проектировке аппаратов. Главный камень преткновения в них — влияние остатков атмосферы, из-за чего сопротивление воздуха приводит к значительной потери скорости спутников. В результате аппараты становятся неспособными удерживать заданную траекторию: едва выйдя на нее, они начнут снижаться по скручивающейся дуге, а через несколько витков — падать и сгорать.
Предполагается, что решить эту задачу возможно, разработав принципиально новые плазменные двигатели, которые будут способны поддерживать высоту спутника при торможении его атмосферой — по примеру подъема орбиты МКС.
«Придется сделать так, чтобы в удержании орбиты спутника атмосфера нам помогала, а не мешала, для этого нужно научиться извлекать из нее кислород и использовать его как топливо. Это одна из идей реализации этого проекта в части двигательной системы, — пояснил «Моноклю» эксперт в области космических технологий, советник генерального директора ГК «Геоскан» Андрей Ионин. Будет также идти работа с форм-фактором аппаратов, чтобы снизить сопротивление атмосферы: скорее всего, при том же функционале каждый спутник станет меньше обычного примерно в десять раз и приобретет более обтекаемую форму».
По словам Ионина, над решением этих задач ученые работают уже несколько лет, но до настоящего времени прорыва не случилось, так как не было соответствующих технологий, и вот лишь сейчас человечество подходит к порогу их создания — с надеждой, что они все-таки позволят сделать спутники, которые будут летать на сверхнизких орбитах, выполнять коммерческие задачи и не падать раньше времени.
На эти высоты засматривается и главный космический инноватор современности Илон Маск. В прошлом году он анонсировал проект запуска десятков тысяч интернет-спутников на орбиту 340‒360 км. Но Федеральная комиссия по связи США отклонила его по причине того, что в определенных сценариях траектория МКС может достигать отметки 370 км и спутники Starlink могут навредить ее обслуживанию. Однако Маск не отказался от решения поставленных перед собой задач сократить среднее время задержки сигнала со спутника до 20 миллисекунд и поднять на новый уровень качество спутникового интернета. Не исключено, что он готовит запуск аппаратов на более низкие орбиты.
Отметим еще, что помимо коммерческой привлекательности освоение сверхнизких орбит попутно дает возможность решить и проблему космического мусора. Дело в том, что на этих высотах уже велико влияние атмосферы, так что при выходе спутников из строя не образуется «металлолома»: они без остатка сгорают при падении. Тогда как на более высоких орбитах отслужившие свой век аппараты никуда не исчезают, а превращаются в «зомби», которые бороздят космическое пространство и угрожают столкновением с исправными спутниками. Правда, Илон Маск, которого часто обвиняют в захламлении космического пространства, уверяет, что именно аппараты его компании оснащены технологией безопасного сведения с орбиты и сгорают в атмосфере, а замусоривают космос устройства других производителей.
Но, так или иначе, теоретики не исключают ситуации, когда несколько встреч “зомби” друг с другом или с другими спутниками приведут к фатальному исходу: разлетевшиеся обломки будут врезаться во все, что летает на орбите, вследствие чего начнется лавинообразный рост мусора, который полностью парализует возможности человека по освоению космоса (так называемый синдром Кесслера). На данный момент на низких орбитах вокруг Земли на разных расстояниях движется около 23 тыс. «мусорных» объектов — отработанных спутников и их фрагментов размером от 10 см.
Напомним, основная ставка в мире сегодня делается на низкоорбитальные спутники: они есть у США (Starlink компании SpaceX Илона Маска имеет порядка 8000 спутников) и Китая (Qianfan, «Тысяча парусов», в настоящее время 108 спутников, в перспективе сеть будет расширена до 14 тыс. аппаратов). Россия только начинает осваивать низкие орбиты: к 2027 году дочерняя компания «Мегафона» «Бюро 1440» планирует вывести на высоту 800 км группировку из 250 спутников для покрытия интернетом территорий, которые не имеют качественной связи. Сейчас за космическую связь в России отвечают преимущественно геостационарные спутники, сигналы которых принимают единожды настроенные наземные станции. Их минусы — ограниченная зона приема. Они не видны в высоких широтах, начиная примерно с 81-го градуса, а из-за большой высоты орбиты задержка их сигнала может превышать 600 миллисекунд. Бывают и так называемые солнечные засветки: когда спутник на орбите и Солнце находятся на одной прямой, из-за чего начинаются помехи или вовсе пропадает сигнал на период от 1 до 10 минут.