Авторские проработки показали, что аналог орбитального самолета ВКС «Сура» может эффективно использоваться автономно, как возвращаемый с орбиты и маневрирующий в полете беспилотный аппарат, выполняющий функции традиционного спутника: дистанционное зондирование Земли, низкоорбитальная связь и навигация. При этом расширяются возможности спутника:
- повышается оперативность;
- аппарат не остается на орбите (не увеличивается количество космического мусора и не теряется дорогостоящее оборудование);
- снижаются общие затраты на получение космической информации и использование космических технологий.
БПЛА НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ СВЯЗИ, НАВИГАЦИИ И ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ.
В настоящем докладе представляется техническое предложение по созданию низкоорбитального возвращаемого маневрирующего аппарата с локатором бокового обзора для оперативной связи и дистанционного зондирования земли. Такой аппарат в принципе можно назвать беспилотным летательным аппаратом и в дальнейшем в докладе он будет называться БПЛА. Так как его технические возможности выше, чем у орбитального самолета: рассматриваемый БПЛА может выполнять суборбитальный полет в атмосфере, не выходя в космическое пространство. При этом может быть получено более высокое качество при съемке поверхности Земли (за счет уменьшения высоты) и обеспечиваться оперативная связь и навигация в заданном районе и в заданное время.
Основные габариты и технические характеристики БПЛА приведены на рис. 1.
Аппарат оснащается системой связи, сочетаемой с существующей системой низкоорбитальной связи ORBCOMM (на основе орбитальной группировки спутников MicroStar), и может функционировать в этой системе с использованием существующего наземного оборудования.
Система связи ORBCOMM:
- обеспечивает низкоорбитальную пакетную связь (LEO) через Интернет и передачу телеметрических сообщений;
- может обеспечить навигацию с использованием спутников систем ГЛОНАСС и GPS;
- позволяет обеспечить функционирование автоматизированной системы дистанционного наблюдения, контроля и управления.
БПЛА укомплектовывается оборудованием для приема-передачи информации со следующими техническими характеристиками.
Связь с абонентами (VHF):
- частота передачи данных 137-138 Мг;
- скорость передачи данных 4800 б/с;
- частота приема данных 148-150 Мг;
- скорость приема данных 2400 б/с.
Связь с наземными станциями (VHF):
- частота передачи данных 137 Мг;
- скорость передачи данных 57600 б/с;
- частота приема данных 149 Мг;
- скорость приема данных 57600 б/с.
Бортовое электропитание не ниже 200 ватт.
Высота полета БПЛА до 700 км (высота орбиты спутников системы ORBCOMM 740-975 км).
Система может эксплуатироваться в сочетании с системой российских КА «Гонец».
Время пребывания БПЛА на орбите не ограничивается в пределах до 10 лет, но он может использоваться также эпизодически с возвращением на Землю и повторными запусками по мере необходимости.
ЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА – РЛС БО.
Радиолокационное дистанционное зондирование земли проводится с борта аппарата для двух основных целей:
- навигация для управления полетом с использованием карты местности;
- дистанционное зондирование Земли бортовым локатором бокового обзора.
В настоящем докладе не рассматриваются подробно преимущества применения локатора бокового обзора для дистанционного зондирования Земли, они известны. В частности, могут быть получены данные для изучения подповерхностных земных структур, в т. ч. под лесными массивами, выявление геологических разломов с вероятным залеганием стратегических минералов. Преимущество РЛС БО метрового и дециметрового диапазонов: облака и лесные массивы радиопрозрачны,
На БПЛА устанавливается картирующий локатор бокового обзора с длиной волны 0,032 м.
Размеры волновой антенны 1,2х0,3 м.
Длительность зондирующих импульсов 70; 140; 280 сек.
Частота зондирующих импульсов 2000-2500 Гц.
Мощность импульса 6,5 кВт.
Питание 27 В.
Высота 300 км:
- полоса обзора 1200 км;
- разрешающая способность 250 м в середине полосы обзора.
Высота 5 км:
- полоса обзора 20,5 км;
- разрешающая способность 4 м в середине полосы обзора.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАПУСКА И ПОЛЕТ БПЛА.
Рассмотрены две схемы применения БПЛА:
- эксплуатация на околоземной орбите высотой 300-700 км с маневрированием и последующим возвращением в заданный квадрат на поверхности Земли, с приземлением на парашютной системе при отклонении от плоскости орбиты до 12000 км;
- кратковременный полет по суборбитальной траектории с высоты 160 км с маневрированием и приземлением в заданном квадрате на поверхности с применением парашютной системы при дальности не более 23000 км и отклонением от полета по прямой не более 12000 км.
БПЛА приземляется на парашютной системе в квадрате 0,5х0,5 км.
В обоих случаях аппарат после приземления перепроверяется для повторных полетов. Время подготовки к последующему полету снижается применением модульной схемы конструкции – рабочий модуль извлекается из корпуса БПЛА и вместо него устанавливается перепроверенный и заправленный топливом.
Время нахождения на околоземной орбите не должно превышать 10 лет – полный срок эксплуатации БПЛА.
Наружный корпус БПЛА не связан с конструкцией сменного рабочего модуля, что снижает влияние нагрева корпуса при полете в атмосфере на находящиеся внутри модуля приборы и механизмы.
В обоих случаях применения, БПЛА с высоты 160 км рикошетирует в атмосфере на высоте около 40 км (траектория полета предложенная Э. Зенгером - И. Брэдт в 1937 г.). Это позволяет увеличить дальность полета и боковое отклонение от плоскости орбиты при сходе аппарата с нее при приземлении. Рикошетирование уменьшает градиент нагрева наружного корпуса БПЛА – при рикоршетировании нагрев кратковременно прекращается, при этом накопленное тепло излучается в пространство.
Для снижения нагрева лобовой части корпуса БПЛА дополнительно применяется носовая игла. Скачок уплотнений на острие иглы уводится от поверхности лобовой части аппарата, и тем самым снижается передача тепла на корпус. Материалом иглы, сменяемой после приземления. Это может быть стержень из урана-235. Такой материал не является радиоактивным (мгновенное окисление на воздухе создает защитную окисную пленку, которая не пропускает радиоактивное излучение) и имеет особенность при полете (и нагреве поверхности) гореть с самозатачиванием острия, что уже применяется в противотанковых снарядах. По мере выгорания длина иглы уменьшается, но уменьшается и скорость полета аппарата, который тормозится атмосферой. Задача проектирования – найти пропорциональное сочетание скорости полета и уменьшения длины иглы при ее выгорании.
Носовая часть корпуса БПЛА охлаждается бортовым запасом воды. Вода, превращенная в пар, используется в атмосферных соплах ориентации (даже при неработающем ракетном двигателе) и управление полетом осуществляется без применения традиционных авиационных средств – элеронов, элевонов, поворотов киля и пр., которые особенно подвержены разрушению при спуске орбитального аппарата в атмосфере.
Наружный корпус БПЛА представляет собой цельный углепластиковый кокон.
Орбитальный полет БПЛА обеспечивается его выведением в космос традиционными ракетами носителями. На рис. 2 представлена схема выведения четырех аппаратов РН Днепр.
Суборбитальный полет может быть обеспечен одноступенчатой ракетой носителем. Проектный вариант представлен на рис 3. В этом варианте на высоту 160 км (высота определена Э. Зенгером) выводится один аппарат весом 900 кг. Твердотопливный двигатель РН, тяга которого превышает массу РН с полезной нагрузкой в пять раз, выбрасывает БПЛА на высоту 100 км, после чего отделившийся аппарат пролетает по инерции еще 60 км, после чего включается его ракетный двигатель многоразового включения и осуществляется управляемый суборбитальный полет по траектории Э. Зенгере – И. Брэдт. Дальность полета до 23000 км обеспечивается без работающего ракетного двигателя.
При проведении орбитального и суборбитального полетов БПЛА выполняет задачи обеспечения оперативной связи, навигации, дистанционного зондирования Земли.
БПЛА может быть разработан, испытан и передан в эксплуатацию за пять лет при общем финансировании до 200 млн долларов США.
В том числе РЛС БО создается за два года при финансировании в сумме 5 млн долларов США.
При необходимости легкая одноступенчатая твердотопливная РН для обеспечения суборбитального полета БПЛА может быть создана за четыре года при дополнительном финансировании в объеме 165 млн долларов США. Для такой РН не требуется космодром – запуск осуществляется с мобильных платформ на мелководье морей.
ВЫВОД.
Современная тенденция создания возвращаемых аппаратов обеспечивает не только снижение количества космического мусора на околоземных орбитах, но и снижает общую стоимость эксплуатации, повышает оперативность получения данных, превращает обычный спутник в многофункциональный аппарат многоразового использования.
Создание низкоорбитального возвращаемого маневрирующего аппарата с локатором бокового обзора для оперативной связи и дистанционного зондирования Земли может быть осуществлено украинскими специалистами в международном сотрудничестве.
