Группировка Starlink — система орбитального перехвата принципиально нового типа

Спутники Starlink в представлении художника. Источник: SpaceX. / Автор: Павел Сорокин

SpaceX продолжает наращивать орбитальную группировку спутников связи «Старлинк» (Starlink). Ее конечный состав должен достичь беспрецедентного в истории количества спутников. Каким он окажется фактически, мы пока точно не знаем, однако можно ожидать, что общая численность спутников в системе достигнет нескольких десятков тысяч единиц. Этого достаточно, чтобы она смогла стать оружием нового типа.

Орбитальная группировка Starlink: структура растущего гиганта

Одиночный спутник представляет собой плоскую панель массой 260 килограммов. Длина панели около 3 м, ширина 1,5 м, толщина 0,2 м. Спутники оснащены одной панелью солнечных батарей, и электростатическим двигателем Холла с криптоном в качестве рабочего тела. Для выполнения своей основной задачи спутники оснащены антеннами различных типов.

В настоящий момент SpaceX формирует сеть первого поколения спутников, состоящую из двух частей. Первую часть составят 4408 спутников, размещаемых слоями на высотах 540, 550, 560 и 570 км. Каждый слой содержит от 4 до 72 орбитальных плоскостей и от 520 до 1584 спутника. Именно в эту первую часть запускаются сейчас «Старлинки». В течение 2021 года было выполнено 19 запусков, количество рабочих спутников на орбите дошло до 1944. А в январе 2022 года количество рабочих «Старлинков» перевалило за 2000.

Вторая часть спутниковой сети первого поколения будет содержать 7518 спутников в трех слоях на высотах 336, 341 и 346 км. Вместе с первой частью, заполняемой сегодня, спутниковая сеть первого поколения должна насчитывать 11926 спутников.

Сеть из спутников нового поколения будет значительно многочисленнее. В октябре 2019 года SpaceX подала в Федеральную комиссию по связи (FCC) заявку на запуск 30 000 спутников Starlink второго поколения на рабочие орбиты высотой от 328 до 614 км. В августе 2020 года компания попросила внести изменения в свою заявку, связанные с возможностью запуска спутников большими группами на носителе «Starship». Однако общее количество спутников и высотный диапазон остались неизменными.

Планы конечной конфигурации группировки «Старлинк» с течением времени меняются. Согласно самому свежему письму SpaceX в Федеральную комиссию по связи (FCC) в январе 2022 года, в завершенном виде группировка «Старлинков» второго поколения будет состоять из 9 орбитальных слоев, находящихся на высотах 340, 346, 350, 360, 525, 530, 535, 604, 614 км. Слои будут содержать от 12 до 48 орбитальных плоскостей, в каждой из которых будут двигаться по 110 – 120 спутников (в двух верхних слоях по 12 и 18 спутников в каждой плоскости). Общее количество спутников составит 29988.

До этого приходилось слышать о планах увеличения группировки до 42 тысяч спутников. Пока что они не отразились в заявках в регулирующие федеральные органы, но с вводом в эксплуатацию сверхтяжелого «Starship», способного запускать порядка 500 спутников за один полет, можно ожидать поступления таких заявок и резкого ускорения наращивания группировки «Старлинк».

Угрозы столкновения на орбитах

Такое множество спутников, сосредоточенных на низкоорбитальном диапазоне высот, создает беспрецедентно большую плотность аппаратов в пространстве. А это порождает высокую угрозу столкновений с другими космическими аппаратами (что вызывает беспокойство их владельцев) и необходимость маневрирования для того, чтобы избежать орбитальных ДТП. Уже сейчас каждую неделю происходит порядка 600 – 700 опасных сближений «Старлинков» на расстояние километра и меньше с другими космическими аппаратами. С увеличением количества спутников до 30 тысяч частота таких ситуаций возрастет на пару порядков.

В настоящее время спутники Starlink используют автономное маневрирование для уклонения от столкновений с другими космическими аппаратами или объектами, отслеживаемыми средствами NORAD (North American Aerospace Defense Command, Командование воздушно-космической обороны Северной Америки). Данные NORAD поступают на борт «Старлинков», и при необходимости спутники автономно принимают решение, рассчитывают параметры уклонения, и производят его.

Но огромная 30-тысячная группировка потребует дополнительного канала управления в виде единой системы управления движением и общим состоянием группировки. Одних только автономных действий каждого спутника окажется недостаточно для стабильного управления всей системой. Будет необходима полная модель ее движения, постоянно уточняемая по реальным измеряемым параметрам движения спутников. Одной из задач этой модели станет дублирующий контроль избегания столкновений космических аппаратов. И тут наверняка возникнет необходимость корректировки движения не только одиночных аппаратов, а сразу больших групп «Старлинков».

Такое дублирование контроля безопасного движения «Старлинков» потребуется потому, что через низкоорбитальный диапазон, занимаемый «Старлинками», проходят в процессе запуска все космические аппараты, которые впоследствии будут работать выше. А также в нем располагаются другие низкоорбитальные космические системы и аппараты, включая пилотируемые. И это не только МКС, но и «Союзы», «Crew Dragon», а вскоре там появятся и другие корабли, как с миссиями на МКС, так и с самостоятельными полетами. Безопасность по столкновениям станет одним из ключевых параметров для системы общего управления движением группировки «Старлинк», наряду с покрытием планеты широкополосной связью и оптимизацией энергозатрат спутников (расхода запасов ксенона для двигателя).

И, казалось бы, всё с группировкой «Старлинк» очевидно: понятны и цели управления ее движением (обеспечение расчетного покрытия Земли спутниковой группировкой и избегание столкновений), и общие цели (обеспечить широкополосным доступом в Интернет жителей Земли).

Другой взгляд на большую орбитальную систему

Однако можно посмотреть и иначе на саму баллистическую сущность сети «Старлинков». Очень большая спутниковая группировка представляет собой барражирующие в пространстве множественные высокоскоростные тела. Именно в силу того, что их очень много, и они «присутствуют везде», их можно рассматривать как кинетическое средство поражения, находящееся в предварительной готовности и достаточном количестве над любым районом земного шара.

Переформулируем определение «частая угроза столкновений» и получим другое: «большая спутниковая сеть все время держит под прицелом другие спутники, которые может уничтожить»

Выше мы отметили, что «Старлинки» часто проходят всего в километре от других спутников — у этой медали есть и оборотная сторона. Она в том, что для сокращения этой дистанции до нуля требуется совсем небольшой импульс. Который можно задать, в силу его малости, даже слабым двигателем, и достаточно оперативно.

Роскосмос и NORAD пока молчат об этом нюансе. Роскосмос, возможно, потому, что не готов признавать растущую угрозу орбитальной сети «Старлинков», а система слежения за баллистическими объектами NORAD вообще не занимается стратегиями боевого применения, ее дело отслеживать объекты и их текущее движение, и рассчитывать траектории и прогнозы. Вероятно, до реальной перспективы построения экстремально больших спутниковых систем просто не возникало таких подходов; никому и в голову не приходило воспринимать большую орбитальную группировку с этого ракурса (или приходило, но мы пока об этом не знаем).

Орбитальный перехват

Целевой перехват одним спутником другого, или орбитальный перехват, проработан очень давно. В орбитальной баллистике есть такая широкая область, как динамика сближения космических аппаратов. Она описывает взаимное, то есть относительно друг друга, движение аппаратов, находящихся в орбитальном полете. Сами аппараты при этом находятся относительно недалеко друг от друга, в диапазоне от сотни километров до десятков метров. Их близость упрощает системы дифференциальных уравнений, описывающих их взаимное движение, до разностных уравнений движения.

Например, стыковка на орбите – это классическая задача из динамики сближения. Решением баллистической задачи стыковки будет практическое совпадение орбит, особенно в пространственной области и на момент стыковки. А также ограничение скорости сближения в момент стыковки до технологически приемлемой, то есть очень небольшой.

Но можно отменить ограничение по скорости – и даже, наоборот, задать относительную скорость достаточно высокой. Например, не ниже 100 метров в секунду (это 360 км/ч). При столкновении корпусами на такой скорости оба аппарата гарантированно прекратят свое функционирование. И вот вам ситуация перехвата одним спутником другого, в которой два мирных спутника превращаются в перехватчик и цель.

При большой относительной скорости орбиты аппаратов не могут быть одинаковыми. Зато снимается ограничение на высокую степень совпадения орбит цели и перехватчика. Важно лишь, чтобы их орбиты пересекались, и оба аппарата оказались в точке пересечения одновременно.

Типовой сценарий орбитальной погони

Погоня орбитального перехватчика за целью требует ряда последовательных маневров перехватчика. Рассмотрим простейший пример. Цель и перехватчик находятся на одной круговой орбите, на расстоянии ста километров друг от друга. Как перехватчику догнать цель?

Если он просто включит свой двигатель на разгон, то не догонит цель, орбита ведь не автодорога: рост его скорости поднимет противоположную часть орбиты, сформировав там апогей. К нему и устремится перехватчик по новой орбите, которая разойдется с исходной орбитой цели, исключив попадание в нее.

Перехват придется строить по-другому, по правилам орбитальной баллистики, то есть несколько парадоксальным образом для нашего бытового наземного восприятия. Чтобы догнать цель, перехватчик делает не ускоряющий, а тормозящий импульс двигателем. Это понижает его орбиту, создавая над другой стороной Земли перигей, к которому и устремляется перехватчик, начав снижение. Достаточно понизив высоту, перехватчик делает второй импульс, теперь ускоряющий – это остановит дальнейшее снижение, оставив перехватчик на более низкой круговой орбите.

Чем ниже орбита, тем быстрее скорость обращения по ней, и линейная, и угловая. Словно циферблат часов наоборот – короткая часовая стрелка орбитального движения бежит быстрее длинной минутной. На конце быстрой часовой стрелки, на меньшей высоте, находится перехватчик, на конце длинной и медленной минутной – цель. В такой ситуации перехватчик будет догонять цель на своей более низкой орбите.

И когда расстояние до цели окажется небольшим, перехватчик сделает третий импульс, тоже ускоряющий. После него высота орбиты перехватчика станет расти с пересечением орбиты цели. Остается так согласовать маневры перехватчика с движением цели, чтобы в точке пересечения орбит оба аппарата оказались одновременно. И встретились.

Похожим образом, с построением схемы из нескольких маневров, придется организовывать орбитальный перехват при реальных и более сложных случаях. С разными исходными орбитами цели и перехватчика – с разным наклонением плоскостей орбит, разной высотой, разной «вытянутостью», или эксцентриситетом, разной ориентацией осей орбит и линий узлов в пространстве. Последовательность орбитальных маневров перехватчика приведет к созданию высокой, боевого уровня, вероятности перехвата цели в заданной расчетной точке и в расчетный момент времени.

Из-за необходимости каскада маневров орбитальный перехват не получил развития и создания эксплуатируемых боевых систем. И не только потому, что размещение оружия в космосе запрещено международными договорами. Выводить спутник-перехватчик на орбиту ракетой-носителем, а затем выполнять изменения его орбиты до перехвата орбитальной цели достаточно сложно и громоздко. Развитие зенитных ракет и высотного перехвата привело к созданию противоспутниковых ракетных систем. Их боевая часть не является орбитальным аппаратом, не находится в орбитальном движении, и не требует последовательных орбитальных маневров для перехвата цели.

Орбитальный перехват принципиально другого типа

Однако орбитальный перехват может оказаться более широким понятием: достаточно выйти за традиционный формат, в котором исполняется сольный перехват цели одиночным, специально гоняющимся за целью спутником-перехватчиком.

Перехват может быть принципиально иным. Можно не ставить задачу гарантированного перехвата цели одним конкретным аппаратом-перехватчиком. Большая спутниковая сеть создает другие возможности. Надо просто поставить противоположную задачу системе управления движением орбитальной группировки. Такую, например: не избегать столкновений с другими спутниками, а наоборот, максимизировать вероятность столкновения со спутниками-целями. Под целью будем понимать конкретный космический аппарат, орбита и параметры движения которого известны, и полет которого нужно прекратить.

Можно целенаправленно создать на траектории цели опасное сближение со спутником из орбитальной группировки – с относительно небольшой, но все же значимой вероятностью столкновения

Одиночная ситуация опасного сближения не приведет к гарантированному перехвату цели. Но опасные сближения можно создавать на траектории цели во множестве, словно бусы на нитке – последовательно, одно за одним, десяток за десятком. И цель будет «пронизывать» эти опасные сближения так же последовательно, по мере их возникновения (создания на ее траектории), в каждом испытывая вероятность соударения. Если таких сближений создавать много, то полная вероятность столкновения цели, по итогу прохождения целью всех сближений, будет расти.

Путем увеличения ситуаций возможного столкновения можно довести полную вероятность перехвата заданной цели до боевых значений. Например, до вероятности 0,8, или 0,9, или 0,99. Решение будет строиться на вероятностях столкновения в сближениях (они могут быть разными), и количестве таких сближений. При достаточно большом количестве сближений перехват цели дойдет до требуемой надежности.

Итоговая полная вероятность такого перехвата не сосредоточена в одной точке траектории цели, или в одном выбранном моменте времени, как у обычного «сольного» перехвата. Она окажется «размазана» по траектории цели, по многим опасным сближениям на ней, и многим моментам времени. Поэтому нельзя сказать заранее, в каком сближении и когда вероятность соударения реализуется в фактическое событие.

С увеличением числа опасных сближений до достаточно большого растущая вероятность столкновения приведет к реальному событию перехвата. Можно назвать такой способ распределенным групповым орбитальным перехватом

Криптоновые двигатели «Старлинков» обладают малой тягой, однако ее вполне достаточно для маневров уклонения. Еще раз вспомним, что уже сегодня возникают множественные ситуации расхождения спутников на расстоянии одного километра и меньше. Нужно определить, с какими спутниками «Старлинк» у цели складываются подобные прогнозируемые сближения. Система управления движением орбитальной группировки определяет спутники «Старлинк», которые могут создать опасное сближение с заданной целью в ближайшие сутки или в другой интервал времени, при условиях небольшой корректировки их орбит. Таких спутников среди многотысячной группировки может оказаться достаточно много, возможно, много десятков или сотен.

По команде системы управления движением группировки выбранные спутники меняют задачу уклонения на задачу встречи. Они запускают двигатели орбитального маневрирования, и начинают изменять свое орбитальное движение так, чтобы количество опасных сближений с заданной целью начало расти. «Старлинки» могут рассчитывать задачу встречи автономно, или работу их двигателя задаст командой общая система управления сетью. Так начинается групповой орбитальный перехват цели. Спустя некоторое время – например, сутки – опасность столкновения задействованных спутников с заданной целью достигает боевых значений. В ходе чего реализуется и само столкновение. Перехват цели выполнен – распределенный групповой орбитальный перехват.

Особенности новых подходов

Можно сказать, что задействовать столько спутников «Старлинк» ради одного перехвата нерационально. Но ведь израсходуется только один спутник. Остальные могут спокойно возвращаться на исходные орбиты, или в новую конфигурацию, обеспечивающую выполнение основных задач связи. Да, у задействованной в перехвате группы спутников возникнет незапланированный расход криптона, это снизит его запасы и сократит срок службы этих спутников.

Но насколько сократит? Возможно, не столь существенно. Ведь система управления выберет те спутники, которым потребуются минимальные коррекции. Этот дополнительный расход не выведет спутники перехватывающей группы из эксплуатации сразу. А в планах SpaceX стоят запуски «Старлинков» большим «Старшипом», который будет выводить на орбиту сразу около 500 (для разных орбит количество в запуске будет различаться) спутников за один пуск. Этим легко можно 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.

Групповой орбитальный перехват будет намного эффективнее при работе не по одиночной цели, а сразу по нескольким

Групповой орбитальный перехват будет намного эффективнее, если потребуется перехватить не одиночную цель, а несколько целей – десять, тридцать или пятьдесят. Например, при задаче уничтожить космическую группировку: спутников связи, или спутников разведки. Тогда спутники из группы перехвата могут создавать угрозу не одной, а сразу нескольким или многим целям. Это в разы поднимет эффективность перехватчиков, и результативность группового перехвата. Возможна градация перехватчиков по количеству целей. Одни из перехватчиков могут создавать опасное сближение только для одной цели, другие – для двух целей, трех целей, N целей.

Потребуется разработка сложных моделей движения спутниковой системы, которые смогут наилучшим образом организовывать построение групп орбитального перехвата. С оптимальным числом перехватчиков в общей группе, с распределением целей между перехватчиками, с последовательностью изменения орбит той или иной категории перехватчиков, с минимизацией расхода криптона. При разработке схем и методов орбитального группового перехвата могут быть построены эффективные алгоритмы прогнозирования и выполнения боевой задачи.

В кого можно целиться: широкий выбор мишеней

Какие боевые цели могут быть у орбитальной группировки «Старлинк»? На этот вопрос можно ответить, оценив возможность изменения орбит спутников, становящихся перехватчиками. Чем дальше вверх и вниз от базовой высоты должны сместиться перехватчики, тем дольше будет выполнение перехвата и больше незапланированный расход криптона.

Поэтому высотный диапазон перехвата ожидается небольшим, в пределах 50 – 100 километров вверх и вниз от высоты базовой орбиты. Однако этот диапазон вполне захватывает несколько типов возможных целей, потому что он простирается от низких опорных орбит до высот в районе 700 км.

Во-первых, в него попадают спутники оптической разведки на солнечно-синхронных орбитах. Рабочие высоты таких орбит находятся как раз в диапазоне 550 – 700 км. И 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 они обеспечивают непрерывную круглосуточную освещенность аппарата и его солнечных батарей, что очень подходит для непрерывной радиолокационной работы с орбиты.

Во-вторых, целями «Старлинков» могут быть низкоорбитальные спутниковые системы связи. Третьим типом целей могут быть спутники на эллиптических орбитах с низкими перигеями, по высоте расположенными в зоне досягаемости группового перехвата. Целями могут служить вообще любые спутники, работающие на высотах обозначенного диапазона, или проходящие через него на этапах своего полета.

Можно возразить, что для создания боевой вероятности перехвата «Старлинкам» с их слабой тягой понадобится слишком много времени. А ведь боевая задача перехвата обычно требует уничтожения цели за заданное время, а «не когда-нибудь, как повезет». Но если спутник успевает произвести уклонение от другого спутника за некоторое оперативное время, он может так же и успеть двинуться ему навстречу (и успеть сблизиться с ним). В одних случаях он может опоздать с созданием опасного сближения, а в других случаях (или у другого спутника) это получится. И как раз только такие «успевающие» спутники и задействует система управления.

С одной стороны, трудно спрогнозировать все разнообразие возможных задач для группового орбитального перехвата. Границы его возможностей сейчас не совсем очевидны, так же как и специфика его организации. И вполне возможно, разработки методов и алгоритмов выявят ситуации, когда использование орбитального группового перехвата будет оправданным и иметь смысл. Анализ военной эффективности группового орбитального перехвата не входит в задачу этой статьи, мы рассматриваем саму баллистическую возможность перехвата.

С другой стороны, разработка алгоритмов орбитального группового перехвата и определение областей его эффективности могут привести к целенаправленной возможности его применения. Тогда допустимо и усиление будущих поколений спутников с точки зрения потенциала группового перехвата. Можно оснащать будущие спутники твердотопливным двигателем массой 3 – 5 кг, по аналогии с используемыми твердотопливными апогейными двигателями. Такая добавка в конструкцию не скажется существенно на стоимости или массово-габаритных характеристиках аппарата. Но позволит изменить орбиты для перехвата более оперативно, увеличив боевой потенциал спутниковой группировки.

От ключевых элементов к стратегии и тактике

Для распределенного группового орбитального перехвата нужны три ключевых элемента. Во-первых, достаточно большая группировка спутников, желательно распределенных по диапазону высот. Во-вторых, большая вычислительная мощность и адекватная детализированная общая модель движения орбитальной группировки и вероятных целей. И наконец, возможность выполнения спутником необходимого орбитального маневра.

Для группового перехвата нужны всего три ключевых условия — и система Старлинк может их выполнить

При выполнении этих условий построение системы распределенного орбитального перехвата становится возможным. И с усилением каждого элемента эффективность перехвата будет возрастать. При целенаправленном развитии в этом направлении – до практической боевой эффективности.

Могут возникнуть стратегические аспекты при построении других спутниковых систем. В случае их создания в этом же диапазоне высот или близко к нему придется учитывать угрозу глобального перехвата этой спутниковой системы 30-тысячной орбитальной группировкой «Старлинк».

Возможны и тактические преимущества такого перехвата. Его начало незаметно, в отличие от запуска ракеты с земли с ее ярким инфракрасным факелом выхлопа. Запуск двигателей «Старлинков», используемых в качестве перехватчиков, произойдет во многих местах спутниковой группировки, равномерно распределяясь по ней, не выделяясь среди других срабатываний двигателей для текущей коррекции орбит. Да и само по себе такое срабатывание не слишком заметно в силу особенности электрореактивного двигателя. К чему приведет изменение орбит спутников, ставших перехватчиками, не сразу будет очевидно для системы NORAD или других систем контроля движения баллистических объектов.

Правда, об официальных планах по использованию орбитальной группировки «Старлинк» в качестве системы орбитального перехвата пока что слышать не приходилось. Но это не означает, что не существует самого принципа распределенного орбитального перехвата. С ростом количества спутников растет баллистическая возможность такого перехвата. Рано или поздно она будет осознана и в должной мере оценена.

Вместо эпилога

Философский закон перехода количества в качество работает и в космическом пространстве. Невообразимое ранее количество спутников в одной орбитальной группировке под общим управлением создает возможности, появление которых раньше трудно было спрогнозировать. Однако будет дальновидным приглядеться к этим возможностям уже сегодня, когда экстремально большая спутниковая группировка уже создается.

Ближайшая перспектива полного развертывания орбитальной мегагруппировки вполне реальна. В случае успеха возникнут и новые баллистические возможности. И принципиально новые подходы к управлению движением, позволяющие в любой момент выделить из спутниковой сети общего назначения, не имеющей никакого вооружения на борту, требуемый боевой сегмент.

Оценка новых прикладных аспектов баллистики больших группировок назрела, и эту статью можно считать одним из упрощенных вариантов такой оценки. Каким образом будет развиваться экстремально большая орбитальная группировка и ее дополнительные возможности, покажут ближайшие годы.