Почему Космос нужен нам всем?

    На правах дисклеймера

    Я не пытаюсь нарисовать здесь "единую программу развития" космической отрасли, нет у меня таких знаний. Просто пройдусь по самым интересным (с моей точки зрения) технологиям и рискну "на кончике пера" найти возможные точки пересечения и развития. Любые обсуждения - приветствуются. Формат - перевод и компиляция источников, немного авторских комментариев, ссылки на сайты разработчиков и внедрителей, ну и картинки для привлечения внимания.

    И еще. Упор делается на гражданский космос. Поклейка танчиков сухопутных, водоплавающих и орбитальных вместе с милитаристами всех мастей идет лесом в другом, не моем треде. Я пацифист. Благодарю за понимание.

    Связь

    Самое очевидное применение космоса - связь. Спутники могут выступать как непосредственные ретрансляторы сигнала между абонентами, так и работать цепочкой промежуточных ретрансляторов. Для увеличения скоростей передачи данных между спутниками можно использовать оптический канал, разреженные остатки атмосферы на НОО не ослабят лазерный луч. Небольшая рабочая высота спутников решает сразу две проблемы - снижает потребную мощность передатчика (сигнал ведь слабеет пропорционально квадрату расстояния) и упрощает утилизацию вышедшего из строя спутника в верхних слоях атмосферы.

    Лучший пример технологии - спутники Starlink, легкие КА массой ~ 227 кг, размещаемые на НОО.

    Электроракетные двигатели, устанавливаемые на StarLink начиная с модификации V1.0 , обеспечивают как ориентацию, как и поддержание орбиты. Плазменные двигатели SPT-100HET спутников StarLink обладают высоким удельным импульсом(~1600c) и работают на безопасном, экологически чистом топливе - ксеноне и криптоне.

    Избыток энергетических и вычислительных ресурсов спутников космической связи можно использовать для наблюдений за земной поверхностью, астрономических наблюдений, геофизических исследований (измерения магнитного поля и гравитационных аномалий). А еще они смогут обеспечить нам Internet of Sattelites. Этот как IoT. Только в космосе.

    Картография, ДЗЗ, геодезия

    Легкие и сверхлегкие спутники способны нести на борту оптику, обеспечивающую качественную съемку земной поверхности. Лучший пример "легких" спутников наблюдения - КА Dove и SuperDove компании PlanetLabs

    Спутники Dove ожидают своей очереди к запуску на складе PlanetLabs
    Спутники Dove ожидают своей очереди к запуску на складе PlanetLabs

    Высота орбиты, км

    420-675

    Ширина полосы просмотра, км

    7,3 - 16,1

    Разрешение, м

    2,7 - 4

    Масса КА, кг

    4,98

    Срок жизни КА

    1 год

    На базе КА Dove компании PlanetLabs уже сформирована группировка в 140 спутников, ведущих непрерывное наблюдение за земной поверхностью.

    Полюбоваться на снимки с борта Dove

    На борту микроспутников может размещаться не только фотооборудование, но и радиометрические приборы, с помощью которых можно вести сбор метеорологических данных в режиме реального времени. Сейчас уже действует прототип - кубсат TEMPEST, созданный компанией Blue Canyon Technologies.

    Наложение снимков урагана Florence, сделанных метеоспутником GOES и TEMPEST
    Наложение снимков урагана Florence, сделанных метеоспутником GOES и TEMPEST

    Основные характеристики КА "TEMPEST"

    Высота орбиты, км

    450

    Ширина полосы наблюдения, км

    300

    Разрешение, км

    12 - 28

    Рабочий диапазон частот, ГГц

    165-182

    Масса и габариты

    3 кг, формат КА - 3U

    Tempest в лаборатории Blue Canyon Techologies
    Tempest в лаборатории Blue Canyon Techologies

    Непрерывно получаемые с НОО данные о состоянии атмосферы могут быть жизненно важны для подготовки к экстремальным погодным условиями, в первую очередь - безопасности морских и воздушных перевозок.

    Спутники как часть системы управления транспортными потоками

    Находящийся на низкой орбите кубсат вполне может принимать данные с транспондеров грузовых кораблей, а затем передавать их конечным пользователям. Компания Meisei Electric Co.LTD уже разрабатывает миниатюризованный приемник (8 см * 8 см * 6 см) сигналов AIS для установки на кубсаты формата 3U

    Еще одно неожиданное применение данных спутниковой съемки - повышение эффективности кораблей с ветроэнергетическими установками. Проект OCEANBIRD, к примеру, предполагает создание парка крупногабаритных (длина - 200м, водоизмещение - 32000 тонн) парусников с вспомогательной электрической силовой установкой

    Это - примерный вид системы SEABIRD, футуристичного вида паруса - аэродинамические профили.
Компания Wallenius Marine
    Это - примерный вид системы SEABIRD, футуристичного вида паруса - аэродинамические профили. Компания Wallenius Marine

    Регулярно обновляемые карты ветров и течений могут быть подспорьем в формировании оптимальных траекторий для хайтековых парусников. Вполне возможно, что перспективное направление развития морских перевозок - это флот дронов с парус-электрическими или парус/СПГ силовыми установками (Или, чем черт не шутит - с маломощной ЯСУ), задания которых корректируются на основе данных от группировок метеоспутников на базе TEMPEST, передаваемых через сети, подобные StarLink и отслеживаемые по сигналам ASI-бортовых транспондеров.

    Мультиспектральная съемка

    Кубсаты могут выступать и платформами для мультиспектральной съемки земной поверхности. Пример мультиспектрального датчика для кубсатов формата 3U и крупнее - Chameleon Imager . Результаты анализа мультиспектральной съемки могут применяться для решения самых разных задач.

    Оптимизация работы систем ирригации и обработки сельхоз-угодий химикатами, удобрениями и биологическими агентами. Уже существуют системы мониторинга состояния посевов с помощью дронов, измеряющие уровень водного стресса посевов. Осторожно, наукоемко и на английском.
    Еще одна работа посвящена оценке уровня заражения кукурузных посевов вредителями на основе данных мультиспектральной съемки.

    Следующий шаг - вынести систему в космос для расширения полосы охвата и меньшей зависимости системы мониторинга от погодных условий.
    Данные мультиспектральной съемки могут передаваться на землю, где на их основе операторы-агрономы смогу уточнить схемы орошения посевов и оставить программы обработки посевов. Возможно - при помощи все тех же дронов

    Агро-дрон компании Small Robot Company (Великобритания). Им не управляют из космоса. Пока что не управляют
    Агро-дрон компании Small Robot Company (Великобритания). Им не управляют из космоса. Пока что не управляют

    Мультиспектральная съемка также может оценивать продуктивность водных биомов. Точная оценка цвета поверхности океана позволяет оценить параметры углеродного и азотного цикла в приповерхностных водах и продуктивность планктона. Данные со спутников могут использоваться для выбора участков океана под аквакультуру и разведки рыбных ресурсов:

    1. Выбор участков рыбной ловли в Южно-Китайском море

    2. Оценка продуктивности солоноватых водоемов для ведения аквакультуры

    Мониторинг космического пространства

    Понятно, что на низких (до 1000 км) орбитах должна собраться внушительная (~ 2500 - 5000) группировка КА. И эту группировку необходимо обслуживать, снабжая информацией, необходимой для ее выживания (и недопущения синдрома Кесслера)

    1. Земная атмосфера - сущность непостоянная, изменения солнечной активности приводят к ее расширению(и ускоряют затухание орбит спутников). Поскольку большинство перспективных спутников - это сверхмалые и малые КА с низкой нагрузкой на мидель (и достаточно "парусные"), то даже небольшое расширение термосферы может привести к существенному снижению сроков жизни КА (и к необходимости досрочного пополнения группировки). К счастью, современные технологии ЭРД позволяют компенсировать потери скорости малыми расходами топлива. Решение проблемы - спутники мониторинга космического пространства, поставляющие данные для маневров подъема орбиты для компенсации "распухания" верхних слоев атмосферы.

    2. Мониторинг космолома. Спутники оптического, радиолокационного и ЛИДАР-наблюдения могут дополнять наземные службы мониторинга околоземного пространства и содействовать им, поставляя свежие данные о космоломе. Спутники StarLink уже располагают ДУ и набором бортовых алгоритмов для предотвращения столкновений.

    3. Борьба с космоломом. Здесь возможен целый спектр решений, простейшее - кубсат, оснащенный гарпуном и собственной ДУ и/или надувным / раскладывающимся аэродинамическим тормозом для погружения фрагмента космического мусора на орбиту, "увязающую" в плотных слоях атмосферы и обеспечивающую падение обломков в безопасном регионе. НАСА уже проводит работы по установкам, использующим эффект солнечного паруса и тормозящие аэродинамические устройства для свода спутников с орбиты

    Более сложный вариант - орбитальная платформа, оснащенная мощной энергетической установкой, системами наведения и лазерной системой. На поверхности "обстреливаемого" куска космолома возникнет плазма, которая создаст механический импульс, понижающий орбиту фрагмента для надежного захвата атмосферой. В журнале "Chinese Society of Aeronautics and Astronautics" уже предложен проект КА с лазерной установкой килоджоулевой мощности для сведения с орбиты фрагментов космолома массой ~ 100 г.

    Солнечная энергетика

    Возможное ответвление технологии дистанционной энергии на орбите - питание энергоемких систем КА (ионные двигатели, радарные установки для наблюдения за земной поверхностью). Развитая площадь солнечных батарей на низкой орбите снижает срок жизни КА, и возможен вариант, при котором специализированный спутник на промежуточной орбите (~750 - 1000 км), оснащенный достаточно мощной солнцеэнергетической установкой и антенной решеткой, передает энергию для питания КА на низкой орбите или даже дронам в атмосфере или на поверхности Земли. Или Марса.

    Прототип такой системы уже отрабатывался на экспериментальном беспилотном космическом корабле X-37 OTV, запущенном в рамках миссии USSF-7 17 мая 2020 года.

    Второе возможное направление - орбитальные отражатели, передающее солнечную энергию на Землю. Простейший вариант - зеркала из надувных и раскладывающихся металлизированных конструкций, передающие дополнительную солнечную энергию к наземным солнечным электростанциям.

    Это - спутник "Echo". Металлизированный баллон диаметров в 100 футов из шестидесятых. И возможный прототип для орбитальных "Зеркал Архимеда". Материалы официального сайта NASA
    Это - спутник "Echo". Металлизированный баллон диаметров в 100 футов из шестидесятых. И возможный прототип для орбитальных "Зеркал Архимеда". Материалы официального сайта NASA

    Если оценивать массовое совершенство орбитального зеркала на базе надувной конструкции типа Echo (0,09 кг/м2) с коэффициентом запаса 1,66 на элементы жесткости, систему ориентации зеркал и управляющую автоматику, то тяжелый носитель с полезной нагрузкой в 20 тонн сможет вывести на НОО "зеркало" площадью в 133000 м2. Такое зеркало способно перенаправить на Землю поток энергии мощностью 180 МВт.

    Китай уже начал работы по спутнику-коллектору, передающему на землю концентрированную солнечную энергию .

    Солнечная печь Паркента (Узбекистан). Возможный прототип наземной станции в системе орбитальных зеркал-концентраторов
    Солнечная печь Паркента (Узбекистан). Возможный прототип наземной станции в системе орбитальных зеркал-концентраторов

    P.S.

    Сожалею, если материал вышел хаотично. Я обязательно исправлюсь в следующем выпуске

    Комментарии 18

      –4

      Прогресс, наука, космос, "атомная" физика — это все конечно хорошо, я за это тоже. Но надо себе четко отдавать отчет в том что в первую очередь это будет испольщовано на боаго военно-промышленного комплекса и все наши иконы в области физики, авиации и космоса тупо длели бому и средства ее доставкию

        –1

        Я так понимаю что минусуется идея о том, что все достижения науки в первую очередь идут на средства истербления себе подобных. Сам бы заминусовал если бы имел возможность.

          0
          Это просто риторическое высказывание не несущее особо никакой смысловой нагрузки и на данный момент не имеющее вменяемую альтернативу. Те альтернативы устройства общества, которые обыгрываются в фантастике через тотальный эмоциональный контроль общества… как-то не радуют.
        +2
        Такое зеркало способно перенаправить на Землю поток энергии мощностью 180 МВт.


        Что будет, если этот поток света пройдёт, например, по городу?
          +2
          >> Что будет, если этот поток света пройдёт, например, по городу?

          Ничего не будет. Он не концентрированный. В летний день мощность солнечного потока на квадратный метр около киловата. Значит на квадратный километр падает гигаватт. Это в 5 раз больше этой цифры. Солнечный зайчик врятли будет меньше километра в диаметре, у вас там зеркальце в сотнях/тысячах/ на геостационаре — десятках тысяч километров, стремное зеркальце из неровного металлизированного милара, немонохроматический свет и атмосферная дисперсия, а не промышленный лазер.
            +1
            Если он не концентрированный, то пользы от него не будет по сравнению с обычным светом. Значит, он-таки концентрированный будет, иначе смысла в этой затее ноль.
              0
              Ну, например, направляем на поле солнечных батарей ночью такой не концентрированный свет. И получаем лишних несколько сотен мегаватт-часов. Можно и другие варианты полезности придумать
            0
            Если передача в виде простого отражения — то ничего страшного, если в виде микроволнового пучка — то возможен ахтунг. Но тут надо считать диаграмму направленности, мощность пучка. С лазером the same
            0

            Неплохо. Но…
            "Плазменные двигатели… работают на безопасном, экологически чистом топливе — ксеноне и криптоне." Гретый Туборг люто аплодирует,… но… выделение их из воздуха проводится на Земле и углеродный след остаётся тут. Их используют по другой причине.
            "А еще они смогут обеспечить нам Internet of Sattelites. Этот как IoT. Только в космосе." Не надо, а? Пусть работают! Кроме того — раздача с мечущихся, как блохи, спутников на НОО к более высоким — представляется мне затруднительной.
            "… ветров и течений… Или… — с маломощной ЯСУ" Генеральные карты морских ветров и течений — мало изменились с позапрошлого века, я думаю. И гонка за ответвлениями течений и ветров — вряд-ли будет оправдана более чем в половине случаев. Лучший режим работы ЯЭУ — постоянная мощность.


            Пока — всё.

              0
              Ну если при заправке произойдет ЧП, то достаточно большая разница, был ли в баках гидразин или криптон. Тут важнее требования к наземной инфраструктуре и возможность команде обслуживания КА работать не в химзе.

              Насчет генеральных карт, возможно, но атмосфера — весьма непостоянная сущность, и лишние пара-тройка м/с определенно, не будут лишними.
                0
                >> Ну если при заправке произойдет ЧП, то достаточно большая разница, был ли в баках гидразин или криптон.

                Вы там это, фантастикой передозировались. Никакие плазменные двигатели не применяются для старта с земли и подобного. У них низкий расход рабочего тела, но у них (по меркам стартовых двигателей) тяга примерно равна нулю. Плазма идет в работающие годами двигатели коррекции орбиты и ориентации. Криптон и ксенон это не топливо. Это рабочее тело. Потому что оба инертные газы и они не вступают в химические реакции. Они не могут гореть. Энергия поступает от чего то еще — солнечные панели, радиоизоопный источник. Ксенон используют в плазменных двигателях из-за того, что это газ с самой низкой энергией ионизации (меньше затрат энергии перевести его в плазму). При этом стоит ксенон примерно тысячу баксов за литровый 200 атмосферный балон где его ну килограмм где-то. Представляете сколько стоит его бак в размере ракеты? Я не уверен что его в мире стоолько в год производят. Вопсчем ракета, на радость Грете, взлетающая с земли на криптоне, может взлететь толко в одном случае — если там будет ядерный двигатель открытого цикла и криптоном обдувают раскаленные добела стержни высокообогащенного урана. Но мне кажется, радость Греты будет недолгой.
                  0
                  Что-то Вы не то поняли и в процессе сильно исказили мою мысль
                  У спутников есть собственная ДУ для ориентации в пространстве и коррекции орбиты. Это ДУ малой тяги (диапазон от миллиньютонов до ньютонов) И эту ДУ заправляют на земле. Перекисью. Гидразином. Тетроксидом и НДМГ. Или криптоном/ксеноном/аргоном.
                  Еще есть процесс установки полезной нагрузки на носитель с соответствующими мерами предосторожности. И работать со спутником, в котором плещется литр гидразина намного сложнее и опаснее, чем со спутником, в котором стоит баллон на 100 грамм того же криптона.
              0
              Был еще один интересный проект — «Знамя», про космическое зеркало для освещения полярных областей зимой. Хотя изначально это был проект «Солнечный парус». Не вышло ни того, ни другого.
              В связи с развитием Северного Морского Пути и освоением Арктики, проект мог бы быть очень полезен.
                0
                Остатки белых медведей переселим в Антарктиду?

                Пусть там регулируют популяцию пингвинов. Заодно будут поднимать упавших.
                  0
                  Ну, белым медведям грозит вымирание. Но если их поселить в Антарктике, то, мне кажется, хана будет пингвинам — у них появится хищник, на них охотящийся.
                0
                Скиньте кто-нибудь ссылку на статью Рогозину.
                  0
                  Странно что вы не добавили в статью майнинг ресурсов в космосе, которых на Земле мало. На многочисленных астероидах в космосе есть много чего полезного. NASA уже разрабатывает Asteroid Redirect Mission (ARM).

                  И еще было бы неплохо упомянуть что большинство идей применений космоса требуют дешевого и массового средства доставки. И здесь у нас пока кроме SpaceX ничего нет. На данный момент Маск и его компании смотрят в том направлении, которое служит на благо всем, но в далекой перспективе если будет компания-монополист, то ничем хорошим это не закончится.
                    0
                    Для майнинга нужно или пригнать астероид на устойчивую орбиту вокруг Земли, или организовать дешевое и достаточно оперативное сообщение с объектом, находящимся в нескольких А.Е. от Земли и не имеющим ни атмосферы, ни сильного гравитационного поля. И первый, и второй пункт требуют носителя с недоступной сейчас дельтой (как вариант — испарение астероида для создания тяги с помощью мегаваттного реактора). В ближайшие 20-30-ть лет нам такое не светит.

                    Насчет средств доставки. Тут все интереснее, потому что успешная альтернатива SpaceX должна обходить слабые места программы Маска (на первый взгляд — необходимость мощной наземной инфраструктуры, ограниченный маневр первых ступеней при возвращении, как следствие — ограниченный азимут пусков и потребность в хайтековой посадочной платформе).

                    Возможная альтернатива — воздушно-космическая система с первой ступенью на продвинутых ВРД (крылатая первая ступень садится на бетонку, обладает атмосферным маневром в сотни км, может сесть при отказе двигателя за счет собственного а/ качества). Но это тема для отдельного цикла статей.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое