У научно-фантастических фильмов про космос очень слабая образовательная составляющая. В фильмах крутые пилоты во время дуэлей ведут свои космические корабли сквозь космическое пространство так, будто находятся в атмосфере. Они меняют крен, делают повороты, петли и бочки, иногда применяют переворот Иммельмана – будто бы зависят от гравитации Земли. Реалистично ли это?
Нет.
На самом деле, бой в космосе, скорее всего, будет выглядеть совершенно по-другому. И поскольку в космос выходит всё больше техники, и конфликты в будущем вполне возможны, пора задуматься: как на самом деле будет выглядеть бой в космосе?
Некоммерческая компания Aerospace Corporation решила, что сейчас самое время рассмотреть этот вопрос. Доктор Ребекка Ризман из центра космической политики и стратегии при Aerospace Corporation совместно с коллегой Джеймсом Уилсоном написали научную статью по теме космических боёв. Она называется "Физика космической войны: как орбитальная динамика ограничивает бои в космосе".
Если о будущем людей можно судить по прошлому, то милитаризация космоса будет продолжаться. Несмотря на все разговоры и договоры о необходимости мирного космоса. Поскольку всё больше стран выходят в космос, а конкуренция за ресурсы начинает вызывать проблемы, пора придать реалистичности рассуждениям о космических конфликтах.
Именно это пытаются сказать авторы во введении к своей работе. «США и остальной мир обсуждают возможности продолжения конфликтов в космос. Важно приобрести общее понимание того, что будет физически возможным и практичным в этой области. Эпизоды из «Звёздных войн», книжек и сериалов рисуют совершенно не такой мир, какой мы сможем увидеть в ближайшие 50 лет, а может, и в принципе – и всё из-за законов физики».
Пока ещё в космосе сражений не было, но оружие уже испытывают. Китай работает над созданием противоспутникового оружия, и испытала одну такую ракету. Как и Индия. Россия тоже работает над подобным оружием, и США. Ещё в 1985 году США удалось уничтожить один из своих спутников ракетой.
Самолёт F-15A Eagle запустил во время испытаний в 1985 году ракету ASM-135, уничтожившую спутник Solwind P78-1
И это, наверняка, только верхушка айсберга, связанного с будущими конфликтами в космосе. Пока ни в одном из этих испытаний не участвовали люди, сидящие внутри космического аппарата. В работе говорится, что, возможно, этого никогда и не потребуется. «Космические бои в современном мире будут вестись исключительно беспилотными кораблями, которые будут контролироваться наземными операторами, а также испытывать ограничения, связанные с физикой движения в космосе».
В первые дни космической эры, в разгар Холодной войны, сверхдержавы представляли себе, что конфликты в космосе будут представлять собой по большей части продолжение конфликтов на Земле. В СССР даже проектировали космические станции с модифицированной автоматической пушкой НР-23 на борту, чтобы отражать атаки американских астронавтов. США работали в схожем ключе.
Советская обитаемая космическая станция «Алмаз» в павильоне «Космос» на ВДНХ в Москве. В России проектировали различные военные спутники и космические станции, некоторые из которых планировалось вооружить автоматическим оружием. Позднее от идеи отказались, как от слишком дорогой.
Однако технический прогресс позволил отказаться от этих проектов в пользу беспилотных спутников. «В итоге обе программы свернули. Вместо этого улучшения в технологиях и системах передачи данных позволили создавать спутники, способные выполнять военные функции, которые раньше планировалось возлагать на плечи космонавтов. Тот же самый прогресс лежит в основе нашей современной жизни со всепроникающей связью». Теперь в космосе преобладают спутники, а люди живут лишь на МКС.
Такое будущее описывается в статье. В следующие лет 50 космические конфликты будут связаны с атаками на спутники. Но не все эти атаки будут прямыми и явными. Авторы описывают четыре цели космической атаки:
- Обмануть врага, чтобы тот действовал себе во вред.
- Нарушить или серьёзно ухудшить способность врага пользоваться космическим оборудованием, временно или навсегда.
- Полностью уничтожить космические возможности врага.
- Защититься от контратак, как в космосе, так и на Земле.
Спутники движутся предсказуемо. Они двигаются быстро, но их будущее местоположение легко предсказать, и, следовательно, во многих случаях их легко перехватить. Некоторые спутники могут менять высоту орбиты, но настоящей манёвренности у них нет, как и способа уйти от атаки.
«Для описания основ физики, ограничивающей космические атаки, в данной работе описываются пять ключевых концепций: спутники движутся быстро и предсказуемо, а маневрируют медленно; космос большой; очень важно правильно выбрать момент».
Полёт через атмосферу Земли – занятие непростое, но интуитивно понятное. Однако в космосе всё по-другому, и это, строго говоря, даже не полёт. В отсутствии атмосферы и гравитации всё меняется. «Передвижение в космосе будет контринтуитивным для тех, кто привык летать в атмосфере Земли, и иметь шанс на подзаправку», — пишут авторы.
Космические бои будут вестись между спутниками, а подзаправиться не получится. Фото: F-16 заправляется от KC-135 Stratotanker
«Космические столкновения будут тщательно планироваться и медленно разворачиваться. Космос большой, а космическому аппарату тяжело уйти с предсказуемого пути. Кроме того, атаки в космосе потребуют большой точности, поскольку космические аппараты и наземное вооружение сможет атаковать цель в космосе только после сложных расчётов». Не будет никакого кадрового состава пилотов в боевой готовности, готовых подорваться и быстро взлететь. Космическая битва спутников будет больше похожа на математическое упражнение.
«Физика налагает свои ограничения на то, что происходит в космосе. Только овладев ими, можно решать другие вопросы – как сражаться, и, что ещё важнее, когда и зачем вести войну в космосе», — пишут они.
Орбиту спутника легко предсказать, поскольку скорость, высота и её форма связаны между собой. На низких высотах спутники тормозятся об атмосферу. Кроме того, Земля – не идеальный шар. Однако все эти факторы во время атаки можно учесть. «Чтобы отклониться от установленной орбиты, спутникам нужно использовать двигатель для манёвров. Это отличает их от самолётов, использующих для манёвров воздух – в космическом вакууме такой вариант не пройдёт», — пишут они.
| Высота | Скорость | Период | |
|---|---|---|---|
| Низкая околоземная орбита | 160-2000 км | 7-8 км/с | 1,5-2 ч |
| Средняя околоземная орбита | 2000-35 000 км | 3-7 км/с | 2-23,5 ч |
| Геосинхронная орбита | 35 786 км | 3 км/с | 24 ч |
| Высокая эллиптическая орбита | Переменная | 1,5-10 км/с | 12-24 ч |
В космическом сражении приходится учитывать даже сам объём космоса. «Между низкой околоземной орбитой и геостационарной орбитой содержится около 200 трлн кубических километров пространства. Это в 190 раз больше объёма Земли».
Поэтому отслеживание спутников в таком объёме пространства будет сложной задачей, в особенности потому, что некоторые из них специально разработаны так, чтобы их сложно было обнаружить. Сложной, но не невозможной – спутники находят регулярно. А поскольку они не сильно манёвренные, после определения орбиты спутника за его траекторией легко следить.
Объём пространства также означает, что большинство космических битв будут очень скоротечными. Никаких дуэлей не предвидится. «Космос велик, поэтому космические бои не будут протекать долго и активно. Либо это будет кратковременное и сильное изменение скорости аппарата для достижения быстрого эффекта, либо долгое и постепенное изменение для небольшого или постоянного взаимодействия».
Изменение скорости требует топлива, однако у большинства спутников нет возможности менять скорость, а у остальных эти возможности весьма ограничены.
«У операторов атакующего спутника может уйти несколько недель на его перемещение в нужную позицию. За это время могут измениться условия, из-за которых нужно было вести атаку, или сам объект атаки». А если защищающийся спутник в ответ сможет лишь немного изменить свою траекторию, тогда у атакующего может не хватить возможностей или топлива соответствующим образом подкорректировать свой путь для перехвата.
Также авторы указывают на чрезвычайную важность правильного выбора момента. Даже если атакующий спутник сможет выйти на орбиту цели, нет гарантий, что он сможет подойти к ней достаточно близко.
«Природа конфликта часто требует, чтобы две состязающиеся системы вооружений сблизились», — указано в отчёте. Авторы используют примеры с авианосцем, которому необходимо подойти к цели, и с реактивными истребителями, которым нужно сблизиться. То же верно и для спутников.
«Довольно просто вывести два спутника на одну высоту в одной плоскости (хотя это требует времени и корректировки скорости). Но это не значит, что они окажутся в одном месте. Нужно совпасть и по фазе – точке на орбитальной траектории. Поскольку высота и скорость связаны, задачу по приведению двух спутников в одно место не назовёшь интуитивной». Это требует точной синхронизации и тщательной подготовки.
Спутники меняют своё местоположение на орбите при помощи фазовых манёвров. Увеличивая высоту, спутник замедляется, и как бы двигается назад по отношению к предыдущей орбите и высоте. Так один спутник может догнать другой.
Авторы также обсуждают другой метод сближения с целью – по совпадению плоскостей. Спутник маневрирует так, чтобы совместить свою орбитальную плоскость с плоскостью цели. В итоге у атакующего есть преимущество в назначении времени встречи. «Не совершая угрожающих манёвров слишком рано, атакующий может казаться безобидным, выжидая тем временем оптимальный момент для атаки», поясняют авторы.
Все эти манёвры не проходят быстро. «Физика космоса диктует медленные атаки в космосе. Спутникам нужно маневрировать по нескольку дней, если не недель или месяцев, чтобы выйти на позицию, в которой может будет что-то предпринимать», пишут они. Но сделать это можно.
И когда всё готово к перехвату, «появляется много возможностей для быстрого подхода к цели».
Существуют естественные ограничения на манёвры спутников с низкой околоземной орбитой. С одной стороны, некоторые фазовые манёвры могут отправить спутник в атмосферу, где тот сгорит. С другой стороны, он может слишком сильно уйти от низкой околоземной орбиты, в радиационный пояс Земли. Поэтому манёвренность спутника ограничена.
Если спутник выполнит прямой фазовый манёвр, изменив скорость на 115 м/с, он вернётся в атмосферу Земли и сгорит. Если он выполнит обратный фазовый манёвр, изменив скорость на 350 м/с, он попадёт в зону высокой радиации.
Спутники на геостационарных орбитах не меняют положения относительно Земли, поэтому в данном случае механика атаки и защиты будет другой. Но в целом ограничения сохраняются. На манёвры в космосе уходит время и энергия, вне зависимости от типа орбиты.
Однако орбиты и манёвренность – это не всё, что рассматривается в статье.
Авторы обсуждают типы возможных атак. В статье описаны столкновения, снаряды, электронные помехи. Каждый тип требует своих соображений и подготовки.
Также авторы обсуждают последствия успешных атак – сложности возникают с появлением обломков. Они могут повредить другие случайные спутники, в частности, собственные спутники атакующего, или те, что принадлежат нейтральной стороне. Всего на спутники было совершено три успешных атаки: одна Китаем, одна США и одна Индией. Авторы демонстрируют графики осколков от каждой из них.
Сравнение плотности осколков на разных высотах как функции времени после уничтожения цели. Китайские испытания проходили на гораздо большей высоте (856 км), из-за чего осколки продержались дольше.
Облако осколков сразу после атаки оказывается плотным и быстро распространяется в пространстве. Хотя его плотность быстро падает, осколки разлетаются далеко и всё равно представляют опасность.
Облако осколков после индийских испытаний в 2019-м – через 5, 45, 90 минут после атаки, а также через 1, 2, 3 и 6 дней.
В статье чётко указаны все сложности, возникающие во время космических битв, и их серьёзные отличия от воздушных. Однако некоторые важные вопросы остались за кадром.
Что будет, если какая-либо страна решит, что на её спутники готовится атака? Она не будет сидеть, сложа руки, а вместо этого перейдёт к обвинениям, угрозам, и, возможно, ответным действиям на Земле. Космическая атака может стать отправной точкой очередной наземной войны.
В итоге может начаться гонка космических вооружений, когда страны будут соревноваться в расходах на космическое оружие и другие технологии. Это серьёзно нагрузит ресурсы мира, которому нужно сконцентрироваться на решении проблемы изменения климата.
Чем всё закончится? Войной на орбите? Войной на Луне? Войной на Марсе? Когда человечество опомнится и остановится?
Возможно, когда-нибудь произойдёт окончательная война, после которой всё это закончится. Но вряд ли это произойдёт в ближайшие 50 лет. А если в это время будет война, в ней, возможно, будут участвовать и спутники, и их сражения будут выглядеть так, как описали авторы: медленно, расчётливо и тщательно.
