issn 2226-8731 space research & technologies смические 5.pdf · magazine «space...

№42012к смические

исследования и технологии

Space Research & TechnologiesISSN 2226-8731

Международный журнал о космонавтике International Journal of Aerospace

Малые спутники —

большие возможности

2012 — год

космических побед

Эволюция микро

и макромира

Байконур

на пороге перемен

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ

Талгат Мусабаев —председатель, КазахстанМейрбек Молдабеков —

заместитель председателя, Казахстан Александр Дегтярев —

генеральный конструктор — генеральныйдиректор ГП «Конструкторское бюро «Южное»

им.М. К. Янгеля», УкраинаЖумабек Жантаев —

заместитель председателя,главный редактор, Казахстан

Жайлаубай Жубатов —директор РГП «Научно-исследовательский центр

«Гарыш-Экология», Казахстан Галия Карибжанова —

директор департамента экологической политики и устойчивого развития Министерство охраны

окружающей среды Республики КазахстанИгорь Коваль —

заместитель Председателя комитета лесного и охотничьего хозяйства Министерства сельского

хозяйства Республики Казахстан Леопольд Лобковский —

заместитель директора Института океанологии им. П.Ширшова, член-корреспондентРоссийской Академии Наук, Россия

Аскар Майлебаев —директор департамента предупреждения чрез-

вычайных ситуации МЧС Республики Казахстан Мартин Свитинг —

исполнительный директор компании «Surrey satellite technology Ltd» (SSTL), Великобритания

Гавыллатып Мурзакулов —президент АО «Национальная компания «Қазақстан Ғарыш Сапары», Казахстан

Куат Мустафинов —и.о. генерального директора АО «Совместное

Казахстанско-Российское предприятие«Байтерек», КазахстанДаулет Нурумбетов —

генеральный директор РГП«Инфракос», Казахстан

Рене Пишель —глава постоянного представительства

Европейского космического агентствав Российской Федерации

Сомчет Тинапонг —председатель Агентства по геоинформатике

и развитию космических технологийКоролевства Таиланд (GISTDA)

Виктор Хартов —генеральный конструктор —

генеральный директор ФГУП «Научно-производственное

объединение им. С.А. Лавочкина», Россия

Журнал «Космические исследования и технологии», № 4(5) 2012Периодичность: четыре номера в годГлавный редактор Жумабек Жантаев

Шеф-редактор Нурлан АселканЗаместитель главного редактора Александр Губерт

Заместитель главного редактора Леонид ЧечинОфициальный представитель в Москвеи Российской Федерации Эльвира Ханко

Дизайн и верстка Татьяна РожковскаяТехническая подготовка Альберт Аджимуратов

Адрес редакции: 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, 15, тел. (727) 385-49-36, факс (727) 293-88-20

e-mail: [email protected], [email protected]

Свидетельство о постановке на учет № 11779-Ж от 02.07.2011,выдано Министерством связи и информации Республики Казахстан

Мнение авторов не всегда совпадает с мнением редакции.Ответственность за содержание рекламных материалов

несет рекламодатель.Перепечатка материалов, а также использование в электронных СМИ

возможны только при условии письменного согласования с редакцией.Отпечатано в типографии

ТОО «Синергия Пресс» г. Алматы, пр. Рыскулова, 57вТираж 1000 экземпляров

Учредитель и издатель ТОО COSMOS.KZПеревод и корректура — Фонд поддержки науки

и технологий «SCIENCE»

Magazine «Space Research and Technologies», № 4(5) (2012)Periodicity: four issues per year

Editor-in-Chief Zhumabek ZhantaevChief Editor Nurlan Aselkan

Deputy Editor-in Chief Alexander GubertDeputy Editor-in-Chief Leonid Chechin

Official Representative in Moscow and Russian FederationElvira Khanko

Design and make-up Tatyana RozhkovskayaTechnical preparation Albert Ajimuratov

Address of Editorial Office: Shevchenko str., 15, 050010, Almaty. Phone (727) 385-49-36, Fax (727) 293-88-20

e-mail: [email protected], [email protected]

Certificate of registration № 11 779-Zh from 02.07.2011 issuedby the Ministry of Communications and Information of the

Republic of Kazakhstan Opinion of the authors do not always reflectthe views of the publisher. The advertiser is responsible

for the contents of advertising materials. The reprint of materialsand the use at electronic media is possible only provided a written

agreement with the editorial board.Printed at

«Synergy Press» 57v, Ryskulov str., Almaty Circulation 1000 copies

Founder and publisher LLP COSMOS.KZTranslation and proofreading — Fund for Supporting of Science

and Technologies «SCIENCE»

1Космические исследования и технологии /04/ 2012

2

8

16

24

32

37

44

52

58

мировая космонавтикаКосмические итоги2012 года

геофизикаПроблема геодинамической безопасностипри разработке и эксплуатации объектов нефтегазового комплексаЖ.Ш. Жантаев,А.Ж Бибосинов,Н.Г. Бреусов,Б.К.Курманов,А.Г. Фремд

астрофизикаМеханика системи эволюция микро и макромира В.М. Сомсиков

международное сотрудничествоСолнце — источник энергии или прогноз космическойпогоды и климатаБейбит ЖумабаевГалина Гордиенко

space communicationBroadband Ka band satellite communications:System approach and solutionsR. WinklerG. MatarazzoO. Guilbert

космическая связьШирокополосный Ka диапазонспутниковой связи:Системный подход и решенияR. WinklerG. MatarazzoO. Guilbert

носитеЛиБюджетный «супертяж»Дмитрий Воронцов,Игорь Афанасьев

payloadОт малых спутников —к большим задачамИгорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов

космодромыСтрасти по БайконуруНурлан Аселкан

2 Космические исследования и технологии /04/ 2012

Космические итоги 2012 года

северная корея вошлав «космический клуб»

Северокорейским ин-женерам после неудач-ной попытки, предпри-

нятой в апреле, удалось вывести на орбиту свой первый спутник. Американская система слеже-ния за космическим пространством подтверди-ла, что после запуска с космодрома Сохэ 12 дека-бря, в космос на орбиту высотой около 500 кило-метров были выведены четыре объекта — спут-ник «Кванмёнсон-3», разгонный блок и еще два фрагмента, возможно, две половины обтекателя.

Запуск стокилограммового спутника, пред-назначенного для съемки поверхности Земли, вызвал резко негативную реакцию междуна-родного сообщества. Соседние страны, в част-ности, Япония и Филиппины, назвали этот за-пуск нарушением резолюций Совета безопас-ности ООН, которые запрещают КНДР зани-маться испытанием ядерного оружия и произ-водить пуски ракет, которые могут стать сред-ствами его доставки.

Хотя некоторые эксперты считают, что КНДР не сможет поддерживать устойчивую космиче-скую программу и ее цель исключительно поли-тическая, на карте мира появилась новая косми-ческая держава.

При этом северокорейцам удалось пробить-ся в космос раньше их южнокорейских коллег. Южная Корея по-прежнему испытывает труд-ности с ракетой KSLV. Первые два запуска это-го носителя, созданного при участии россий-ских специалистов из Центра имени Хруниче-ва, закончились неудачей. Третий запуск, наме-

ченный на октябрь 2012 года, несколько раз от-кладывался из-за технических проблем, и в кон-це концов был перенесен на 2013 год.

китай: пилотируемая космонавтика на подьеме

Планомерное продвижение Китая в кос-мос вызывает уважение на фоне неудач и скан-далов в российской космической отрасли и долгой паузы после отставки шаттлов в США. В июне 2012 году на корабле «Шэньчжоу-9» в космос вместе с двумя коллегами-мужчинами отправилась первая китайская космонавт-ка Лю Ян. Члены этого же экипажа стали пер-выми гостями первой китайской космиче-ской станции «Тяньгун-1», к которой «Шэнь-чжоу-9» пристыковался 24 июня. Космонавты провели на станции полторы недели и благо-получно вернулись на Землю.

мировая космонавтика

Уходящий год ознаменовался появлением новых игроков в космонавтике — се-верная корея смогла вывести на орбиту свой первый спутник, опередив Южную корею, компания SpaceX впервые доставила груз на мкс, а американское NASA высадило на красную планету новый исследовательский марсоход. Для российской космонавтики череда неудач, которая началась еще в конце 2010 года, продолжились и в 2012 году. Потеря двух спутников привела к отставке гла-вы Центра имени Хруничева, а главный конструктор системы ГЛонасс Юрий Ур-личич был уволен на фоне заявлений мвД о хищениях при разработке системы.


китайский зонд в гостях у астероида

Еще об одном достижении китайской кос-мической отрасли мир узнал под занавес этого года —китайский лунный зонд «Чанъэ-2» посе-тил астероид Тутатис. Этот аппарат был пред-назначен для исследования Луны, однако по-сле того, как он успешно выполнил лунную про-грамму, китайские ученые направили его снача-ла в точку Лагранжа L2, а затем к четырехкило-метровому астероиду.

До сих пор побывать рядом с астероидами удавалось только космическим аппаратам США, Японии и ЕС. Китайские ученые заявляют, что теперь КНР доказала свою способность созда-вать межпланетные космические аппараты.

частный корабль в гостях у мкс Грузовой корабль «Дракон» в 2012 году стал

первым в истории частным космическим аппа-ратом, который добрался до Международной космической станции (МКС).

До этого момента к станции прибывали только «государственные» корабли — россий-ские, американские, европейские и японские.

Корабль, созданный американской компа-нией SpaceX, в 2012 году совершил два полета к МКС. Первый полет был пробным — он состо-ялся в конце мая. Участники проекта проверяли управляемость корабля, провели целую серию маневров в окрестностях станции, чтобы убе-диться в безопасности стыковки.

Второй полет состоялся в октябре — эта экс-педиция уже выполнялась в рамках контракта с NASA по доставке грузов на МКС.

Dragon доставил на станцию около 450 ки-лограммов груза — питание и одежду для экипа-жа, оборудование для научных экспериментов и обслуживания систем станции.

На Землю в возвращаемой капсуле верну-лось около 904 килограммов груза.

Потеря спутникаи отставка главы Центра Хруничева

Запуск 7 августа ракеты-носителя «Протон-М», выводившего на орбиту спутники связи российский спутник «Экспресс МД2» и ин-донезийский «Телком-3», закончился неудачей из-за сбоя в работе разгонного блока «Бриз-М» производства Центра имени Хруничева.

Двигатель «Бриза-М» выключился через семь секунд, а не через 18 минут, как должен был. В ре-зультате спутники остались на переходной орби-те, использовать их по назначению нельзя.



Премьер-министр Дмитрий Медведев про-вел совещание в связи с аварийным запуском и поручил правительству проработать вопросы организации работы Роскосмоса и контроля за качеством космической продукции.

После этого совещания гендиректор Центра имени Хруничева Владимир Нестеров написал заявление об уходе по собственному желанию. Чуть позже президент РФ Владимир Путин сво-им указом освободил Нестерова от занимаемой должности.

Роскосмос после отставки Нестерова объя-вил конкурс на замещение должности гендирек-тора Центра имени Хруничева, победителем ко-торого стал единственный претендент — быв-ший заместитель руководителя Центра Хруни-чева Александр Селиверстов.

«Прогресс» долетел до мкс за шесть часов В начале августа космический грузовик

«Прогресс М-16М» впервые пристыковался к Международной космической станции за рекор-дно короткое время — шесть часов вместо обыч-ных двух суток.

«Прогресс М-16М» привез на МКС стан-дартный набор грузов: компоненты топлива, кислород, оборудование для научных экспери-ментов, средства медицинского обеспечения, продукты питания и воду, а также посылки для экипажа МКС — всего более 2,5 тонны грузов.

Поскольку первый опыт оказался удачным, следующий космический грузовик — «Прогресс М-17М» — пристыковался к МКС также по «бы-строй» схеме.

российский ЦуП без связи Разрыв оптоволоконного кабеля, связыва-

ющего российский Центр управления полетами (ЦУП) ЦНИИМАШ со станциями слежения за космическими объектами, произошел в ноябре.

Кабель был перерезан по ошибке на терри-тории Мытищинской АТС при проведении ре-монтных работ. Поврежденный канал связи принадлежал оператору «Акадо Телеком».

Российский ЦУП из-за разрыва кабеля не мог передавать команды на гражданские спут-ники и российский сегмент МКС. Однако пред-ставители Роскосмоса заверили РИА Новости, что угрозы для МКС и других космических аппа-ратов нет — были задействованы резервные ка-налы связи, в частности, связь с МКС дублиро-валась через американские системы связи.

NASA сообщало, что переход на американ-скую систему связи, которая периодически и в рабочем порядке используется в дополнение к системе российских наземных станций, никак не сказался на работе МКС.

Позже выяснилось, что обрыв кабеля ни-как не повлиял на российские военные спутни-ки, некоторые спутники дистанционного зонди-рования Земли и спутники связи, а также на кос-мический радиотелескоп «Радиоастрон».

Меньше чем за сутки поврежденный канал связи был восстановлен, система управления функционировала в штатном режиме. При этом, по контракту с клиентом, на устранение подоб-ных аварий дается не более 48 часов.



Гендиректор ЦНИИмаш Геннадий Райку-нов, в свою очередь, заявил РИА Новости, что со своей стороны Роскосмос и ЦУП будут обсуж-дать возможные претензии к виновникам ава-рии. По мнению главы ЦНИИМаш, разрыв ка-беля мог произойти из-за неразберихи и воз-можных неправильных схем и чертежей комму-никаций у строителей.

Кроме того, по его словам, ЦНИИМаш на-мерен подготовить предложения о резервирова-нии канала связи.

отставка главы ркс Юрий Урличич был отправлен в отставку с

поста генконструктора ОАО «Российские кос-мические системы» (РКС) и написал заявление об уходе с поста гендиректора предприятия по собственному желанию.

Это произошло после заявлений со стороны МВД о хищении 6,5 миллиарда рублей в РКС при разработке навигационной системы ГЛОНАСС. По данному факту было возбуждено уголовное дело в отношении ряда руководителей, имена и должности подозреваемых не разглашались.

После этого решением военно-промышленной комиссии при правительстве РФ Юрий Урличич был освобожден от должно-сти генерального конструктора системы ГЛО-НАСС. Чуть позже Роскосмос направил в Ми-нэкономразвития материалы об освобождении Юрия Урличича с поста гендиректора РКС.

Роскосмос предложил избрать временно ис-полняющим обязанности генерального директо-ра РКС заместителя гендиректора по экономике Андрея Чимириса.

Не исключено, что полномочия генконструк-тора системы ГЛОНАСС могут быть поделены, чтобы один человек отвечал за использование си-стемы в ВПК, а другой — в народном хозяйстве.

Планы роскосмоса до 2030 года Роскосмос опубликовал

на своем сайте и направил в военно-промышленную ко-миссию и в правительство РФ стратегию развития косми-ческой деятельности до 2030 года и на дальнейшую пер-спективу.

Кроме того, глава Роскосмоса Владимир По-повкин озвучил планы ведомства о реформиро-вании отрасли, которые предполагают создание нескольких крупных холдингов.

В частности, 2015-й год обозначен в проекте стратегии как рубеж «восстановления возмож-ностей». Его достижение определяется выпол-нением действующих на момент принятия стра-тегии планов и программ по всем направлени-ям космической деятельности, отмечалось в до-кументе.

Затем, согласно проекту, следует рубеж «за-крепления возможностей» (2020 год). Его дости-жение определяется закреплением России в груп-пе ведущих космических держав по всем основ-ным направлениям космической деятельности.

После этого следует 2030-й год, который обо-значен в проекте как «рубеж прорыва». Его до-стижение определяется постановкой и началом реализации масштабных проектов по использо-ванию ближнего космоса, исследованию и осво-ению дальнего космоса, говорится в документе.

Наконец, период после 2030-го года назван в проекте стратегии «развитием прорыва». Этот период характеризуется практической реализа-цией масштабных проектов освоения ближне-



го космоса, Луны и созданием условий для осу-ществления пилотируемого полета на Марс.

Что касается реформирования, то, исходя из проекта реструктуризации отрасли, Роскос-мос планирует сформировать семь крупных ин-тегрированных структур.

уход великого астронавтаВ августе 2012 года ушел из жизни выдаю-

щийся астронавт, первый человек, высадивший-ся на Луну, Нил Олден Армстронг. Летчик ВМС, в 1962 году был включен в состав отряда астро-навтов NASA. В 1966 году он совершил свой первый полет в космос в составе миссии «Дже-мини-8». В 1971 году Армстронг покинул NASA и впоследствии занялся преподавательской дея-тельностью и бизнесом.

Нил Армстронг в последние годы актив-но поддерживал новые проекты исследования Дальнего Космоса, выступал с обращениями к руководству США о необходимости развития пилотируемой космонавтики. Его мнение было серьезным аргументом для всех специалистов, занимающихся практической космонавтикой.

мини-шаттлВ декабре уходящего года на космодроме

на мысе Канаверал (штат Флорида) с помощью ракеты-носителя Atlas 5 был совершен успеш-ный запуск экспериментального космоплана ВВС США X-37B. Беспилотный космоплан дол-жен был отделиться от носителя спустя несколь-ко минут после старта.

Произведенный пуск — третий в ходе реа-лизации программы разработки и испытаний X-37B. Впервые такой аппарат был запущен в 2010 году и провел на околоземной орбите семь месяцев. Его полет и приземление на авиабазе ВВС США Ванденберг проходили в автомати-ческом режиме и, по оценкам экспертов, были

удачными. Лишь при посадке после касания взлетно-посадочной полосы лопнула покрышка одного из колес шасси, при этом космоплан поч-ти не пострадал.

Как и ранее, никаких подробностей о за-дачах очередной миссии X-37B не сообщается. Астрофизик из Гарвардского университета Джо-натан Макдоуэлл предполагает, что на борту но-вого военного космического аппарата может на-ходиться разведывательная аппаратура.

Экспериментальный космоплан X-37B разра-ботан корпорацией Boeing. Его взлетная масса — почти 5 тонн, длина — около 8,9 метра, высо-та — 2,9 метра, размах небольших треугольных крыльев — 4,5 метра. Космический аппарат обо-рудован панелями солнечных батарей, которые при развертывании на орбите служат источни-ком электроэнергии.

Согласно изложенным ранее Пентагоном данным, космоплан X-37B предназначен для функционирования на высотах от 200 до 750 ки-лометров. Он способен быстро менять орбиты и маневрировать, может выполнять разведыва-тельные задачи, доставлять в космос небольшие грузы и использоваться для испытаний новых приборов, которые впоследствии можно при-менять, к примеру, на разведывательных спут-никах.

Некоторые эксперты видят в X-37B прото-тип будущего космического перехватчика, кото-рый сможет инспектировать и, при необходи-мости, выводить из строя спутники, а также на-носить ракетно-бомбовые удары с орбиты. Пен-



тагон эти предположения отрицает, заверяя, что экспериментальный аппарат является лишь платформой, предназначенной для отработки новых технологий.

кьюриоситиМарсоход «Кьюриосити», запущенный США,

находится на Красной планете с 6 августа. Основ-ными задачами миссии, помимо поисков воз-можных форм жизни, являются изучение геоло-гии и климата Марса. Он проанализировал образ-цы грунта, собранные на поверхности Красной планеты в районе кратера Гейла. Как сообщает NASA, анализы показали наличие большого ко-личества химических веществ, однако на данный момент доказательств наличия на Марсе органи-

ки нет. Среди найденных марсоходом веществ оказался перхлорат - простое соединение кис-лорода и хлора. После проведения ряда химиче-ских реакций «Кьюриосити» зафиксировал нали-чие ряда органических соединений метана, одна-ко, как подчеркнули ученые, входящая в них ор-ганика, возможно, была завезена с Земли самим марсоходом. Комментируя первый этап миссии «Кьюриосити» в целом, специалисты NASA отме-тили плановую работоспособность систем марсо-хода и выразили уверенность, что в течение сле-дующих месяцев «Кьюриосити» сможет сделать более важные открытия.

Эстек — 50 летВ Новый Год Европейскому центру косми-

ческих исследований и технологий (ESTEC, Ни-дерланды) исполнится 50 лет. В центре, на сегод-няшний день работает более 2600 человек, что со-ставляет основную часть персонала Европейско-го космического агентства. ESTEC является инку-батором европейских программ по освоению кос-моса. Центр поддерживает европейскую косми-ческую промышленность и тесно сотрудничает с университетами, исследовательскими центрами и космическими агентствами по всему миру.

Его задача — осуществлять научно-исследовательские разработки для развития тех-нологий, необходимых при выполнении задач аэрокосмической отрасли в будущем.

По материалам информационных агентств



Состояние экологии всех окружающих нас гео-сфер зависит не толь-ко от естественного

влияния природных факторов, но и в значительной степени от антропогенного воздействия. Поэтому геоэкологический про-

гноз и контроль за состоянием окружающей среды являются сегодня приоритетными для любых сфер человеческой де-ятельности. В особенности это относится к объектам нефтега-зового комплекса, начиная от разведки и организации добычи

и до транспортировки и пере-работки сырья. Практически на всех этапах выделенного про-изводственного цикла могут возникнуть ситуации, нарушаю-щие экологическое равновесие в природе, вплоть до катастроф или бедствий. Ярким примером последнего является авария на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе, произо-шедшая 20.04.2010 года, послед-ствия которой сейчас изучаются и, возможно, могут стать не-ообратимыми для целого ряда биологических и природных систем. В частности, в толще вод на глубине 1300 м было обнару-жено пятно нефти длиной 16 км и мощностью 90 м, которое по модельным расчетам попада-ло в петлю Гольфстрима (Loop Current), что неизбежно отраз-ится на скорости этого течения и вызовет негативные измене-ния климата в Европе.

Аналогичная ситуация мо-жет сложиться на месторожде-ниях Казахстанского сектора Каспийского моря, в частности на месторождении Кашаган, промышленная разработка ко-торого планируется на конец 2012 года. Освоение ресурсов

Геофизика

Ж.Ш. Жантаев, президент ао «нЦкит»,а.Ж БиБосинов, н.Г. БреУсов, Б.к.кУрманов, а.Г. фремДДтоо «институт ионосферы» ао «нЦкит»

Проблема геодинамической

безопасностипри разработке и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса


этого месторождения может вывести Казахстан к 2019 голу на уровень добычи 75 млн.тонн в год и позволит ему войти в пятерку крупнейших нефтяных держав. Однако, по мнению экс-пертов, последствия возможной аварии могут погубить Каспий-ское море. И вероятность такой аварии достаточно высока, так как по утверждению Махамбета Хакимова, руководителя НПО «Каспий Табигаты», на Каша-гане предполагается пробурить 240 скважин.

Муфтах Диаров, член На-циональной Академии Наук, го-ворит, что добыча нефти в море опасна для всего моря. «За по-следние годы произошло пять случаев загрязнения Каспия нефтепродуктами, — говорит он. — Когда начнется разработ-ка Кашагана, может стать еще хуже. Давление в казахстан-ских месторождениях нефти в море имеет большую силу, бо-лее высокую температуру. На-личие сероводорода в каспий-ской нефти очень высокое по показателям». Диаров напом-нил об огромном выбросе неф-ти в 90-х годах на месторожде-нии Тенгиз, который сопрово-ждался пожаром: «Этот выброс не могли остановить более 300 дней, горящую нефть тушили всем миром». По словам Диа-рова, «ликвидировать разли-вы будет практически невоз-можно, Каспийское море пре-вратится в токсичную лужу». В таком случае «другие стра-ны Каспийского бассейна — Туркменистан, Иран — будут предъявлять иски и претензии к Казахстану, надеясь на огром-ную компенсацию».

По данным Oil&Gas Journal (Кайзер, Пулцифер, 2007), ко-личество аварийных ситуаций на платформах, сооружени-ях для добычи и хранения не-фтеуглеводородов, скважинах, трубопроводах и др., составля-ет около 3000 случаев, а эконо-мический ущерб превысил 34

Геофизика


млрд $. Анализ влияния раз-личных факторов на возникно-вение аварийных ситуаций на морских нефтегазоразработках в Европе показывает, что наи-большее число аварий прои-зошло за счет потери устой-чивости, повреждений и раз-рушений конструкций (36 %), тяжелых погодных условий (7 %), удара (5 %) и др. факторов. При этом отмечается, что фак-тически по каждой пятой и бо-лее аварийной ситуации при-чина неизвестна (22 %) (Мель-ников Н.Н. и др., 2009).

Очевидно, что для предот-вращения возможных аварий и выбросов нефти необходи-мо принять адекватные меры, в число которых входит «ге-одинамическое сопровожде-ние», выражающееся в прове-дении мониторинговых наблю-дений за ходом деформацион-

Геофизика


ных процессов как на земной поверхности, так и на поверх-ности дна моря.

Наиболее ярким приме-ром просадок, связанных с разработкой месторождения, является месторождение Эко-фиск, разрабатываемое в Се-верном море, на котором за более чем 30 лет добычи про-

изошло проседание морско-го дна над центральной ча-стью месторождения на глуби-ну более 7 м, приведшее к зна-чительным техническим и эко-номическим последствиям. Вследствие этого проседания морского дна основания ряда платформ и внешняя стен-ка нефтехранилища оказались

недопустимо низкими по от-ношению к уровню моря, и потребовалось провести рабо-ты по наращиванию и подъе-му оснований платформ и воз-ведению дополнительной, бо-лее высокой, внешней стены нефтехранилища. По разным оценкам, затраты на выпол-нение этих работ превысили

Геофизика

рисунок 1Модельноеотображениегеодинамическихпроцессовпри отработке морских нефтегазовыхместорождений(Мельников Н.Н.

и др., 2009)


400 млн $ (Мельников Н.Н. и др., 2009) .

Другим характерным при-мером является разработ-ка нефтяного месторождения Уилмингтон (США) в течение более 40 лет, которая приве-ла к оседанию земной поверх-ности над месторождением до 8,7 м. Это создало угрозу зато-пления военно-морской базы Лонг-Бич, которая была по-

строена без учета возможно-сти просадок. Ориентировоч-ная стоимость работ и защит-ных мероприятий по предот-вращению затопления состави-ла в ценах 70-80-х гг. прошлого столетия более 6 млн $ (Кашни-ков, Ашихмин, 2007).

Не менее важным, а по-рой и определяющим, геоди-намическим фактором на объ-ектах нефтегазоразработок яв-

ляется наведенная сейсмич-ность. Макропроявления сейс-мичности в виде техногенных и индуцированных землетря-сений относительно редки, но их разрушающее влияние, а также вызываемый социально-экономический и экологиче-ский ущерб, очень велики. Анализ данных, проведенный Н.Н. Мельниковым и др. (2009) показал, что землетрясения, ин-дуцированные добычей неф-ти и газа с магнитудой от 3 до 7 и выше баллов происходят как на газовых, так и на не-фтяных месторождениях и мо-гут приводить к катастрофи-ческим разрушениям (Газлий-ское (Узбекистан), Нефтегор-ское (Россия), Лак (Франция) и др. (Адушкин, Турунтаев, 2005).

Таким образом, определя-ющим фактором, приводящим к разрушительным последстви-ям, является недооценка влия-

рисунок 2Мульда оседания

земной поверхности над месторождением

Тенгиз за период с2007 по 2010 год,

зарегистрированная по данным ALOS,

отображенная в средеGoogle Earth (А)

и результирующаямодель вертикальных смещений за этот же

период в цветовомкодировании.

Зеленый цвет — поднятия,

красный цвет — оседания.

Изолинии смещений

подписаны в миллиметрах

(«+» — поднятия,

«-» — оседания)

Геофизика


ния геомеханических процес-сов. Именно недооценка влия-ния геомеханических процес-сов приводит к формирова-нию условий возникновения необратимых геодинамических явлений, разрушающих сква-жины, трубопроводы и добы-вающие устройства и соору-жения (Калашник, 2008; Адуш-кин, Турунтаев, 2005; Кашни-ков, Ашихмин, 2007; Касьяно-ва, 2003). Рисунок 1 (Мельни-ков Н.Н. и др., 2009) иллюстри-рует формирование опасных геодинамических явлений, свя-занных с разработкой место-рождений на дне моря.

Чтобы предотвратить или уменьшить опасность возмож-ных последствий геокатастроф представляется крайне важным проводить мониторинговые на-блюдения, направленные на по-лучение своевременной, объек-тивной и достоверной инфор-

мации о характере наведенной сейсмичности и состояния сре-ды в целом. А также принимать своевременные меры по кон-тролю над ее уровнем (в случае добычи полезных ископаемых) или упредительного автомати-ческого отключения особо опас-ных производств.

Однако организация мо-ниторинговых наблюдений за развитием геодинамических

процессов в Прикаспийском регионе немыслима без ясно-го представления о местополо-жении тех элементов структу-ры земной коры, в которых эти процессы протекают наиболее интенсивно. Такими структу-рами являются зоны относи-тельного разуплотнения — де-латансии земной коры.

На данном этапе НЦ КИТ разработано геодинамическое

Геофизика


обоснование и проект системы мониторинговых GPS наблю-дений, учитывающий распре-деление зон разуплотнения в Прикаспийском регионе.

Начиная с 2011 года, в практику геодинамических ис-следований НЦ КИТ вошел метод РСА интерферометрии. Метод позволяет получать площадные оценки вертикаль-ных и плановых смещений земной поверхности с точно-

стью до первых миллиметров независимо от условий осве-щенности и облачности. Наи-более эффективно он может быть использован при контро-ле за развитием деформацион-ных процессов на объектах до-бычи углеводородного сырья, обнаружении просадок грун-тов в районах угольных шахт, в районах высокой сейсмиче-ской активности, а также горо-дах с высотной застройкой или

объектах потенциально опас-ного экологического бедствия (ГЭС, АЭС и пр.).

На рис.2 показаны резуль-таты интерферометрической съемки месторождения Тенгиз, полученные НЦ КИТ и компа-нией «Совзонд» (Россия), по-зволившие выявить просад-ки земной поверхности и дать оценку динамики происходя-щих деформационных процес-сов, обусловленных его разра-боткой (Жантаев Ж.Ш., Фремд А.Г.и др. 2012). Анализ резуль-татов мониторинга смещений земной поверхности, произо-шедших над месторождени-ем Тенгиз с 2007 по 2010 годы и зарегистрированных в ходе интерферометрической обра-ботки радарных данных ALOS, показал наличие ускоряющих-ся во времени оседаний земной поверхности над районом ак-тивной добычи углеводородов из этого месторождения. Ско-рость оседаний в центре основ-ной зарегистрированной муль-ды достигает 30 мм в год. На момент окончания анализируе-мой цепочки данных ALOS (ко-нец 2010 года) западная грани-ца мульды (нулевая изолиния смещений) достигла берего-вой линии. Поэтому дальней-шее наблюдение за оседания-ми необходимо, чтобы предот-вратить возможное неожидан-ное подтопление объектов на-земной инфраструктуры добы-чи углеводородов.

Не менее важным направ-лением является выявление за-грязнений окружающей сре-ды, связанной с разработкой месторождений углеводоро-дов. Разливаясь, нефть загряз-няет почву и воды, и требуют-ся огромные усилия и средства, чтобы ликвидировать нанесен-ный природе ущерб. Разлив особенно опасен на шельфе, поскольку нефть очень быстро распространяется по поверх-ности моря и при больших вы-бросах заполняет водную тол-

Геофизика


Литература1. Абросимов А.В., Беленов А.В., Брагин Е.А. Совместный проект компании «Совзонд» и ГП НАЦРН им. В.И.

Шпильмана — новое слово в космическом контроле недропользования и природопользования. Геоматика № 4, 2009, с. 64-79.

2. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). — М.: ИНЭК, 2005. — 254с.

3. Жантаев Ж.К., Фремд А.Г.,Иванчукова А.В. и др. Космический радарный мониторинг смещений земной по-верхности над нефтегазовым месторождением Тенгиз. «Геоматика», № 1, 2012, с. 61-71.

4. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. – 467с.

5. Мельников Н.Н. и др. Техногенные геодинамические процессы при освоении нефтегазовых месторождений шельфа Баренцева моря. Вестник МГТУ, том 12, № 4, 2009, с. 601-608.

щу, делая ее непригодной для жизни. Здесь также практиче-ски безальтернативными пред-ставляются методы дистанци-онного зондирования земной поверхности. Причем совре-менные технологии позволяют проводить выявление и карто-графрование нефтезагрязнен-ных территорий по результа-там анализа космических сним-ков в автоматическом режиме (Абросимов А.В. и др., 2009).

Геоэкологические пробле-мы, связанные с разработкой месторождений углеводородов на шельфе Каспийского моря, успешно решаются благодаря разработанной в ИО РАН тех-нологии многоуровневого эко-логического мониторинга. Эта разработка позволяет в масшта-бе времени, близком к реаль-ному, осуществлять контроль и прогнозировать негативные по-следствия техногенных загряз-нений акватории (а в сейсмоо-пасных районах — геодинами-ческую активность) и обеспечи-вать необходимой информаци-ей процесс принятия адекват-ных управленческих решений для минимизации ущерба.

Сотрудничество с ИО РАН позволило НЦ КИТ развер-нуть на территории Мангиста-уской области систему сейсмо-логического мониторинга, ко-торая должна обеспечить уве-ренный контроль над проявле-ниями местной сейсмичности, в том числе и техногенной.

Геофизика


астрофизика

Мир носит иерархиче-ский характер. Верх-ней иерархической ступенью является

Вселенная. Она состоит из га-лактик. Галактики, в свою оче-редь, также состоят из струк-турных элементов. На нижних иерархических уровнях нахо-дятся молекулы и атомы. Но они также являются система-ми, состоящими из «элементар-ных» частиц. Сегодня трудно сказать, насколько глубоко вниз уходит эта иерархическая лест-ница. Предел делимости мате-рии не найден. То есть мир — это иерархия систем. Поэтому можно утверждать: в основе мира лежат системы. Следо-вательно, чтобы при изучении природных объектов избежать возможных ошибок, связанных с ограничениями используе-мых моделей, чтобы объяснить процессы их возникновения и развития, следует опираться на модели тел в виде систем, а не в виде элементарных частиц.

Эволюция мира определя-ется тем, что он открыт. Все си-стемы в нем взаимосвязаны, а сам процесс развития является нелинейным, диссипативным и неустойчивым. Исключе-ние из рассмотрения одного из этих трех факторов приведет к исключению процесса эволю-ции мира. Но современная на-ука пока не в силах учесть все эти основополагающие фак-торы эволюции. Сегодня уро-вень знания законов эволюции уже не удовлетворяет требова-ниям эффективного развития картины мира.

До последнего времени из-учение природы строилось при выполнении условий консерва-тивности систем, когда систе-мы замкнуты и когда справед-ливы законы сохранения энер-гии и вещества. Это сильно упрощало изучение многих яв-лений в природе [1]. В резуль-тате для случаев, когда систе-мы можно считать элементами или материальными точками

Механика систем и эволюция микро и макромира

А сам закон Ньютона? Простота его, так долго оставав-шаяся скрытой, быть может, просто кажущаяся. Кто зна-ет, не лежит в основании управляемых им явлений некото-рый сложный механизм (может быть, соударения тонкой ма-терии, возбужденной беспорядочными движениями), и не есть ли простота этого закона лишь следствие игры средних вели-чин и больших чисел? Во всяком случае, трудно удержаться от мысли, что истинный закон содержит добавочные члены, ко-торые делаются значительными на малых расстояниях.

А. Пуанкаре.

в.м. сомсиковИнститут ионосферы, Алма-Ата, Казахстан



(МТ), развиты такие дисципли-ны, как классическая механи-ка, квантовая механика, элек-тродинамика и т.д. А для изу-чения физических процессов в макроскопических неравно-весных системах, для которых в настоящее время нет стро-гих теорий и методов исследо-ваний, используются такие фе-номенологические дисципли-ны, как термодинамика, ста-тистическая физика, кинетика. С помощью этих дисциплин в рамках заданных в них ограни-чений и гипотез удается объяс-нять некоторые физические за-кономерности в поведении не-равновесных систем.

В целом, развитые в насто-ящее время физические тео-рии, хотя и позволяют изучать достаточно широкий круг явле-ний, не дают ответа на вопрос о физической природе возникно-вения материи, систем и меха-низмах эволюции. Как заметил по этому поводу И. Пригожин, современная физика описывает

существующее, но она не в си-лах описать процессы возник-новения и эволюции в приро-де. Однако сегодня физика по-дошла к той черте, когда для ее дальнейшего развития тре-буются теории, позволяющие описывать динамику систем с учетом их неравновесности, от-крытости и структурности. И пока не будут созданы такие те-ории, вряд ли удастся продви-нуться дальше в построении эволюционной картины мира. В чем же состоят основные трудности создания таких тео-рий, и по какому пути их мож-но преодолеть?

Фундаментом физики яв-ляется классическая механика, поскольку она изучает движе-ния, а движения — это способ существования материи. Глав-ными объектами изучения ме-ханики являются пространство и время. Именно пространство и время служат и сценой, на ко-торой разворачивается эволю-ционная картина мира, и са-

мой сущностью мира. Но имен-но в понимании сущности про-странства и времени физика на-ходится в глубоком противоре-чии с природой. Так, современ-ная механика обратима. В ней время выступает только как па-раметр, который никак не свя-зан с процессами эволюции ма-терии. В тоже время в природе все объекты рождаются, живут и умирают. То есть все природ-ные процессы являются эво-люционными и необратимы-ми, хотя современная механика оставляет возможность возвра-та в прошлое.

Все попытки решить про-блему необратимости, т.е. опи-сать процессы эволюции в рамках классической механи-ки, начиная от Больцмана и до последних лет, не дали желае-мого результата [2-5]. Наибо-лее общепринятое в настоя-щее время объяснение меха-низма необратимости в своей основе опирается на свойство экспоненциальной неустойчи-


вости систем и существование сколь угодно малых флуктуа-ций. Суть объяснения заклю-чается в следующем. Теорема Пуанкаре об обратимости га-мильтоновых систем (т.е. си-стем, которые подчиняются законам классической механи-ки) утверждает, что существу-ет, хотя и очень большое, но конечное время, в течение ко-торого система пройдет сколь угодно близко около началь-ной точки, из которой она вы-шла [2]. Но если усреднить по сколь угодно малой окрест-ности любой точки фазового пространства, в которой нахо-дится система, то из-за экспо-ненциальной неустойчивости она не вернется в исходное со-стояние. Такому усреднению

эквиваленты сколь угодно ма-лые флуктуации в системе. Т.е. наличие флуктуаций в гамиль-тоновых системах обеспечива-ет им необратимость. Но ис-пользование постулата о флук-туациях в объяснении необра-тимости чуждо детерминизму классической механики. Более того, это накладывает ограни-чения на глубину и горизонт познания мира. К счастью, оказалось, что можно прий-ти к объяснению необратимо-сти в рамках законов механики Ньютона без использования каких-либо вероятностных ги-потез о флуктуациях [6-9]. Для этого необходимо сделать сле-дующее: учесть структуриро-ванность тел, заменив МТ на структурированные частицы (СЧ); представить энергию СЧ в виде суммы энергии движе-ния и внутренней энергии; по-лучить уравнение движения СЧ из представленной таким образом энергии. Это уравне-ние в общем случае будет не-обратимо. Поясним процесс построения механики СЧ.

как строится механикаструктурированных частиц

Поставим следующую за-дачу: на основе законов ме-ханики МТ определить дви-жение структурированного, в общем случае неравновесно-го тела. Т.е. наша задача найти уравнение движения неравно-весной системы (НС). Для ре-шения задачи будем исходить из того факта, что НС в при-ближении локального равно-весия можно задать в виде со-вокупности перемещающихся относительно друг друга взаи-модействующих равновесных подсистем, каждая из которых состоит из достаточно боль-шого числа потенциально вза-имодействующих МТ (см. рис. 1). Эти равновесные подсисте-мы, из которых состоит НС и будем называть СЧ. В принци-пе, такими СЧ могут быть мо-

лекулярные кластеры и сами молекулы. Чтобы определить поведение НС, нужно знать уравнение движения СЧ. Это уравнение может быть получе-но из энергии СЧ.

Энергия каждой СЧ рав-на сумме энергии ее движения в поле внешних сил и ее вну-тренней энергии. Энергия дви-жения СЧ состоит из кинетиче-ской энергии движения центра масс (ЦМ) и потенциальной со-ставляющей энергии взаимо-действия с другими СЧ. Кине-тическая энергия СЧ опреде-ляется суммой скоростей всех МТ. Эта сумма соответству-ет скорости ЦМ СЧ. Потенци-альная энергия движения СЧ определяется суммой внеш-них сил, действующих на все ее МТ. Внутренняя энергия СЧ определяется суммой кине-тических энергий движения МТ относительно ЦМ и сила-ми их взаимодействия. Т.е. вну-тренняя энергия СЧ обусловле-на возможностью существова-ния таких движений МТ, кото-рые не вносят вклада в энергию движения СЧ.

Полная работа, совершае-мая полем внешних сил по пе-ремещению СЧ, идет на изме-нение как ее внутренней энер-гии, так и энергии движения. Поэтому она больше или рав-на работе, которая идет только на перемещение системы МТ. Действительно, изменение ско-рости ЦМ обусловлено суммой сил, приложенных к каждой МТ. Но эта сумма меньше сум-мы модулей внешних сил, при-ложенных к МТ, т.к. имеет ме-сто очевидное условие:

Равенство выполняется тогда, когда все МТ движутся с рав-ными скоростями. Это воз-можно в том случае, когда СЧ является твердым телом.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение СЧ про-



порционально сумме потенци-альных сил, приложенных ко всем МТ. Точкой приложе-ния сил является ЦМ СЧ. Эти силы обеспечивают изменение энергии движения СЧ. Из за-кона сохранения импульса сле-дует, что сумма сил взаимодей-ствия МТ равна нулю. Поэтому движения МТ внутри СЧ отно-сительно ЦМ, определяющие внутреннюю энергию, не дают вклада в работу по перемеще-нию СЧ. То есть работа сил, ме-няющих внутреннюю энергию, не связана с работой по изме-нению энергии движения СЧ. Эти силы нельзя выразить че-рез градиент от какой-либо ска-лярной функции. Но их можно определить через величину из-менения внутренней энергии СЧ. Для этого энергию СЧ надо представить в виде суммы энер-гии движения СЧ и внутренней энергии. Это можно сделать в независимых макроперемен-ных, определяющих энергию движение ЦМ СЧ, и микро-переменных, определяющих энергию движение МТ относи-тельно ЦМ. В этих переменных полная энергия системы пред-ставляет собой сумму энергии движения и внутренней энер-гии [6]. Следовательно, закон сохранения энергии для систе-мы таков: энергия системы, движущейся вдоль траекто-рии ее ЦМ, меняется так, что сумма кинетической энергии движения СЧ, ее внутренней энергии и энергии внешнего поля постоянна.

Силы между МТ не зави-сят от внешних сил. Поэтому и внутренняя энергия, опре-деляемая движением МТ от-носительно ЦМ, не зависит от энергии движения. Дифферен-цируя энергию по времени, на-ходим уравнение для измене-ния энергии [7]. В это уравне-ние войдут члены определяю-щие изменение энергии дви-жения СЧ и изменение вну-тренней энергии СЧ. Т.е. силы,

осуществляющие изменения того или иного типа энергии, находятся через величину из-менения соответствующего типа энергии.

Пусть размер СЧ значи-тельно меньше характерного масштаба пространственной неоднородности, действующей на нее внешней силы. Тогда силу можно разложить по ма-лому параметру, которым яв-ляется размер СЧ. Сохраняя в разложении члены нулевого и первого порядка малости, най-дем, что изменение внутренней энергии СЧ определяется чле-ном, зависящим от микро- и макропеременных. Этот член пропорционален разности сил, действующих на различные МТ. То есть он подобен члену,

определяющему возмущение струны, и зависит от лапласиа-на силовой функции.

Из уравнения для измене-ния энергии СЧ находим урав-нение ее движения [7]:

(1)

где — коэффициент, определяемый изменением внутренней энергии.

Первый член в правой части (1) это потенциальная сила, меняющая кинетиче-скую энергию СЧ. Второй член определяет изменение вну-тренней энергии СЧ. Так как СЧ равновесна, то ее динамика будет определяться внутрен-ней энергией и не должна за-висеть от хаотического движе-ния индивидуальных МТ [11].



Сравним динамику МТ и СЧ. Если работа внешних сил идет только на ускорение МТ, то для СЧ работа внешних сил идет как на ее ускорение, так и на изменение внутрен-ней энергии. Поэтому пол-ная энергия движения СЧ, в отличие от МТ, неоднознач-но определяется положением ЦМ СЧ в пространстве. При-чем, если энергия движения СЧ изменяется за счет сум-мы сил, действующих на все ее МТ, то внутренняя энер-гия меняется за счет разно-сти этих сил. В силу закона со-хранения импульса, внутрен-няя энергия не может преоб-разовываться обратно в энер-гию ее движения. Это означа-ет необратимость динамики СЧ. Если пренебречь измене-нием внутренней энергии, то уравнение (1) переходит в об-ратимое уравнение Ньютона для МТ. Таким образом, необ-ратимость движения СЧ свя-зана с «включением» внутрен-

них степеней свободы систе-мы, которые определяют вну-треннюю энергию.

Формализм классической механики для систем МТ стро-ится на основе уравнения Нью-тона и принципа Даламбера при условии потенциальности всех сил [1]. Но условие потен-циальности сил исключает ра-боту сил, меняющих внутрен-нюю энергию системы МТ. Т.е. условие потенциальности сил эквивалентно учету только той части работы, которая идет на изменение энергии движения тела. Поэтому с помощью это-го формализма нельзя описы-вать процессы диссипации в неравновесных системах, так как эти процессы связаны с из-менением внутренней энергии СЧ. Но если при построении формализма вместо уравне-ния Ньютона для МТ исполь-зовать уравнение (1) для СЧ, то получим обобщенные урав-нения Гамильтона и Лиувилля [8]. Эти уравнения в правой ча-

сти содержат члены, учитыва-ющие преобразование энергии движения СЧ в их внутреннюю энергию. Поэтому они приме-нимы для описания диссипа-тивных систем.

Необратимость трансфор-мации энергии движения СЧ в их внутреннюю энергию по-зволяет ввести в механику СЧ понятие энтропии, определяя ее как величину, задающую увеличение внутренней энер-гии СЧ. Т.е. энтропия пропор-циональна энергии движения СЧ, уходящей в их внутрен-нюю энергию. Прирост энтро-пии задается формулой [9]:

(2)EL— внутренняя энергия СЧ; NL— число частиц в L —СЧ;L =1,2,3…R— количество СЧ;s — внешние МТ, взаимодей-ствующие с k-й МТ L— СЧ; FL

k s — сила, действующая на k-ю МТ СЧ со стороны s-ой МТ другой СЧ;vk — скорость k-й МТ.

Таким образом, в неодно-родном внешнем поле сил про-исходит нелинейная, необра-тимая трансформация энергии движения СЧ в ее внутреннюю энергию (см. [4]). Эта транс-формация обусловлена нели-нейной взаимосвязью двух не-зависимых групп макро- и ми-кропеременных, определяю-щих движение СЧ. Система приходит в равновесие, когда энергия относительных дви-жений СЧ целиком перейдет в их внутреннюю энергию. Ско-рость увеличение внутренней энергии СЧ, пропорциональ-ная лапласиану внешних к ним сил. Эта скорость уменьшается по мере уменьшения энергии движения СЧ.

Рассмотрим, как можно обобщить механику СЧ на ме-ханику НС. Как и в случае СЧ, работа внешних сил идет на движение НС и изменение ее



внутренней энергии. Но энер-гия НС уже равна сумме энер-гий СЧ. Энергии СЧ, из кото-рых состоит НС, состоит из ее энергии движения во внешнем поле сил и энергии, обуслов-ленной взаимодействиями СЧ. Схема такой НС представлена на рис. 1.

Наличие у НС неодно-родной внутренней структу-ры приводит к необходимо-сти учета новой ступени раз-биения энергии, обусловлен-ной этой неоднородностью. Так, внутренняя энергия НС разбивается на два типа: энер-гию движения и внутреннюю энергию СЧ. Это означает, что энергия внешнего поля идет как на изменение энергии дви-жения НС, так и на изменение энергии движения и внутрен-ней энергии СЧ. Последние два типа энергии составляют внутреннюю энергию НС. Т.е. возникает иерархия энергий НС, заданных совокупностью СЧ. Соответственно возникает иерархия и энтропии. Для НС энтропия связана как с энер-гией относительных движений СЧ, так и с их внутренними энергиями. Очевидно, что, как и в случае СЧ, уравнение дви-жения НС можно получить из уравнения энергии. При этом в соответствие с новыми типами энергии возникнет иерархия переменных и иерархия сил.

Отметим, что и модель НС также является опреде-ленной степенью приближе-ния к реальности. Действи-тельно, в природе нет эле-ментарных частиц. Т.е. сами МТ, совокупностью которых нами были заданы СЧ, на са-мом деле должны быть под-системами, хотя потенциаль-ные силы между элементами подсистем, могут быть другие. В природе существующая ие-рархия сил выстраивается в соответствии с молекулярны-ми, атомными, ядерными си-лами. Отличие этих сил опре-деляет иерархию материи: мо-лекул, атомов, ядер, нуклонов и т.п. Чем больше энергия вза-имодействия систем, тем глуб-же по иерархической лестни-це сил будет идти изменение ее внутренней энергии и соот-ветствующая перестройка си-стемы. Но в любом случае при достаточно больших энергиях взаимодействия систем, кото-рые приводят их к перестрой-ке или разрушению, динами-ка системы будет определять-ся принципом дуализма энер-гии. Т.е. на любом иерархиче-ском уровне материи имеется энергия движения системы и ее внутренняя энергия

Рассмотрим, как в рам-ках вытекающего из динами-ки СЧ механизма необратимо-сти объяснить парадоксы Цер-мело и Лошмидта. Суть пара-докса Цермело состоит в том, что согласно теореме Пуанка-ре о возврате, гамильтонова система, рано или поздно, из-за сохранения фазового объе-ма сколь угодно близко прой-дет около начального состоя-ния [1]. Но доказательство те-оремы Пуанкаре выполнено при условии потенциальности сил. Это условие исключает возможность учета изменения внутренней энергии СЧ, сово-купностью которых представ-ляют НС, поскольку внутрен-няя энергия меняется за счет

непотенциальных сил. Имен-но работа непотенциальных сил приводит к трансформа-ции энергии относительного движения СЧ во внутреннюю энергию и, в конечном счете, к исчезновению относительно-го движения СЧ, что эквива-лентно установления равнове-сия [11].

Парадокс Лошмидта выте-кает из требования обратимо-сти уравнений движения Нью-тона МТ в системах. Однако это требование, как уже было сказано, в общем случае не вы-полняется. Нередко этот пара-докс трактуется, как необходи-мость возвращения системы в исходное состояние при обра-щении скоростей ее элементов. Не будем здесь заострять вни-мание на том, что для систем МТ такое обращение потребу-ет бесконечной негэнтропии и потому сам процесс обраще-ния скорости всех МТ физи-чески неосуществим. Примем только, что в природе все тела,

рисунок 1Схема НС, представленнойсовокупностью СЧ.

Исаак Ньютон



сколь угодно малыми они бы не являлись, имеют структуру. Т.е. модель частиц в виде со-вокупности СЧ гораздо ближе к реальности, чем их модели в виде МТ. Динамика СЧ подчи-няется уравнению (1), которое не инвариантно относительно обращения их скоростей. Т.е. в классической механике для МТ необратимость исчезает при пренебрежении структу-рой тел. Т.о., главным факто-ром, обуславливающим необ-ратимость динамики тел, яв-ляется структурность материи.

заключениеВ процессе построения

механики СЧ стало очевид-ным, что возможность описа-ния диссипативных процес-сов, ответственных за возник-новение и эволюцию систем, была исключена в результа-те использования в механике моделей МТ и бесструктурных тел, а также гипотезы о потен-циальности коллективных сил. Но если бы Ньютон не исполь-зовал эти упрощения, то ему

бы не удалось раскрыть сущ-ность законов движения. Ведь второй закон Ньютона спра-ведлив строго только для МТ. Очевидно, чтобы вернуть воз-можность описания диссипа-тивных процессов, нужно най-ти, как исключить используе-мые Ньютоном ограничения при условии, что найденные им законы для МТ должны со-блюдаться. Как здесь было по-казано, это можно сделать за-меной МТ на СЧ. Именно учет структуры тел и возможно-сти изменения их внутренней энергии при взаимодействиях позволяет включить в описа-ния динамических процессов диссипативность. Более того, это позволяет ввести в меха-нику понятие энтропии и рас-крыть ее детерминированную природу стремления к макси-муму в соответствии со вто-рым законом термодинамики.

Уравнение движения СЧ вытекает из закона сохране-ния энергии при условии вы-полнения законов Ньютона для МТ. Принципиальным при

его получении является учет того обстоятельства, что энер-гия систем представляет собой инвариантную сумму энергии движения и внутренней энер-гии системы. Этот учет удается сделать с помощью введения независимых макроперемен-ных, определяющих движение СЧ и макропеременных, опре-деляющих движение МТ отно-сительно его ЦМ. Из-за нали-чия двух типов энергии суще-ствует два типа сил: потенци-альные силы, перемещающие СЧ в пространстве, и непотен-циальные, изменяющие ее вну-треннюю энергию. Как выяс-нилось в процессе получения уравнения движения СЧ, ду-ализм энергии и сил являет-ся следствием того, что дина-мика тел определяется дуализ-мом симметрии тел и симме-трии пространства. Дуализм симметрии, означает зависи-мость динамики тел от их вну-тренних симметрий и от сим-метрий пространства. Именно дуализм обуславливает беско-нечную делимость материи, ее фрактальность [12] (см. рис. 2).

Т.о., механика позволя-ет описывать процессы эволю-ции только в том случае, если она построена на основе моде-ли систем, обладающих струк-турой с учетом дуализма сим-метрии. Этот результат имеет принципиальное значение для развития физики. Так, из него следует, что поскольку в при-роде имеются только взаимо-действующие системы, а не эле-менты, то диссипативность, а значит, нарушение симметрии времени, является неотъемле-мым свойством материи. Это означает, что многие пробле-мы в механике, физике элемен-тарных частиц, в квантовой ме-ханике, следует рассматривать с позиций взаимодействия си-стем, а не элементов. Действи-тельно, вопрос о том, как, зная законы динамики элементов, определить законы динамики



систем, являются наиболее ак-туальным для физики. Целое не есть простая совокупность частей. Кстати, Больцман, по-жалуй, был первым, кто обра-тил серьезное внимание на этот вопрос в классической механи-ке, попытавшись объяснить не-обратимость процессов в газах. Не вызывает сомнений, что для решения проблемы N тел также необходим подход с позиции взаимодействия систем.

Физика элементарных ча-стиц сталкивается с пробле-мой нарушения симметрий. Очевидно, что при достаточ-но сильных взаимодействиях часть энергии неизбежно будет уходить на перестройку струк-тур частиц. Если при этом не рассматривать частицы, как си-стемы, то возникнет неопреде-ленность в законе сохранения объема фазового пространства, проблемы объяснения наруше-ния симметрии времени.

Не сложно заметить, что в рамках законов классической механики нет ограничений на увеличение внутренней энер-гии СЧ. В соответствии с за-конами классической механи-

ки она может увеличиваться до бесконечности в результате пе-рехода в нее энергии движения систем. Однако с учетом закона излучения черного тела можно предположить наступление та-кого состояния, когда возника-ет баланс поглощаемой и излу-чаемой энергий. Как и когда та-кое состояние возникает, пока не ясно. Отсюда, в частности, встают важные для космофи-зической теории вопросы: ка-кова часть энергии Вселенной, которая находится во внутрен-нем связанном состоянии ма-терии, как эта энергия может высвобождаться, как электро-магнитная энергия переходит в массу и наоборот, какова при-рода фундаментальных взаи-модействий и почему Вселен-ная фрактальна. Очевидно, что для решений этих вопросов не-обходимо объекты Вселенной считать системами.

В целом механика СЧ слу-жит тем «мостом», который связывает механику Ньютона с термодинамикой, статистиче-ской физикой, кинетикой. Она открывает путь к изучению за-конов построения динамиче-

ских систем на основе свойств элементов и законов их ди-намики. А это, в свою очередь, создает предпосылки к созда-нию основ физики эволюции, необходимой для построения современной картины мира.

рисунок 2Дуализмэволюции систем

Людвиг Больцман

Литература:1. Ланцош К. Вариационные принципы механики. Мир, М., 1962, 408 с. 2. Заславский Г.М. Стохастичность динамических систем. М. Наука, 1984, 273 с. 3. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., Наука, 1980, 342 с.4. Lebowitz J.L. Boltzmann’s entropy and time’s arrow. Phys. Today. Sept., 1999, p.32-38;5. Пуанкаре A. О науке. М., Наука, 1983, 559 c. 6. Somsikov V.M. The restrictions of classical mechanics in the description of dynamics of non-equilibrium systems and the way to get rid of them. New Advances in Physics, Vol. 2, No 2, September 2008, p. 125-140. 7. Somsikov V. M. Principles of Creating of the Structured Particles Mechanics. Journal of material Sciences and Engineering A(1). 2011, p.731-740.8. Somsikov V.M. The equilibration of an hard-disks system. IJBC, 2004, November, V 14, N11, p. 4027-4033.9. Somsikov V.M. Thermodynamics and classical mechanics, Journal of physics: Conference series. 23, 2005, p.7-16.10. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, Стат. Физика и Кинематика. M, Наука, 1977, 552 с. 11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. M, Наука, 1976, 583 с.12. Grujiґc P. V., Pankoviґc V. D. On the Fractal Structure of the Universe. arXiv:0907.2127v1 [physics.gen-ph] 13 Jul 2009



Солнце — источник энергии или прогноз космической погоды и климата

В настоящее время, в эпоху развития спут-никовых средств связи, когда космос стал не

только средой деятельности, но и средой обитания человека, мало факторов, которые бы в нашей жизни по своей важно-сти могли бы превзойти роль космической погоды и климата и, соответственно, роль влияния солнечной активности на косми-ческую погоду и климат. Пред-лагаемый читателю материал — это краткий обзор проблем и направлений исследования по этой теме, обсуждению которых был посвящен Симпозиум по солнечно-земной физике и ра-бочее совещание, состоявшиеся в г. Пуна (Индия) в ноябре 2012 г. Проведение Симпозиума про-ходило под эгидой Научного Ко-митета по солнечно-земной фи-зике (SCOSTEP) при поддержке NASA (National Aeronautics and Space Administration) в рамках программы Международных инициатив по Космической По-годе (ISWI — International Space Weather Initiative), Комитета по космическим исследованиям

О Солнце, ты живот и красота природы,Источник вечности и образ божества, Тобой жива земля, жив воздух, живы воды,Душа времeн и вещества!Тобою всякое дыханье ликовствует,Встречает радостно лицо твоe вся тварь,Пришествие твоe вседневно торжествует,Небесных тел ты — вождь и царь!

Сумароков А.П., 1760 год

Бейбит ЖУмаБаевдиректор Института ионосферы АО «НЦКИТ»Галина ГорДиенковедущий научный сотрудник Института ионосферы АО «НЦКИТ»

меЖДУнароДное сотрУДничество


(COSPAR) и других организа-ций с широким участием уче-ных различных специальностей, что свидетельствует о расшире-нии работ в этом направлении. Целью проведения Симпозиума было представить и обсудить на международном форуме резуль-таты недавних исследований и идей, касающихся вопросов влияния Солнца на погоду и климат Земли, степени влияния и механизмов.

В работе Симпозиума приняло участие свыше 100 человек из 10 стран, их науч-ные и профессиональные ин-тересы охватывали широкий диапазон от практических за-дачи изучения воздействия экстремальной солнечной активности на околоземное



космическое пространство и технологические системы до разработки моделей Солнца , магнитосферы Земли и про-гноза космической погоды.

Безусловно, исследование солнечно-земных связей и по-иск их механизмов следует про-должать, и еще предстоит раз-вивать методы практическо-го использования данных по наблюдению Солнца как «ин-струмента» для прогноза кос-мической погоды. Однако уже есть доказательства того, что основными факторами, опре-деляющими космическую по-году, являются выбросы коро-нальных масс Солнца и коро-нальные «дыры», когда высво-бождается большой поток сол-нечной энергии от Солнца в виде электромагнитного излу-



чения и облаков замагничен-ной плазмы. Электромагнит-ное излучение приводит к вне-запному увеличению электрон-ной концентрации в ионосфе-ре, воздействуя таким образом на системы спутниковой свя-зи и навигации. Облака плаз-мы, достигая Земли в течение 2-3 дней, воздействуют на маг-нитосферу Земли, вызывая гео-магнитные бури. Но если такая связь уже доказана, то вопросы о структуре и динамике Солн-ца, то есть о том, как и где фор-мируются активные области на Солнце, их геоэффективность, что является спусковым меха-низмом для выброса корональ-ных масс, какова плотность



этих облаков, состав, эволюция по мере продвижения к Земле, скорость и другие характери-стики, необходимые для моде-лирования солнечной динами-ки, остаются в большей части открытыми. В настоящее вре-мя эти вопросы исследуются в рамках различных текущих и будущих проектов. С 2011 г. такие исследования проводят-ся, например, в рамках между-народного проекта COMESEP (The Coronal Mass Ejections and Solar Energetic Particles), сформированного на пери-од фазы роста уровня солнеч-ной активности, 2011-2013 гг. (http://www.comesep.eu). На-блюдения ведутся наземны-ми методами и с космических аппаратов с использованием различных приборов, таких как коронографы, спектрогра-фы и др. Как пример наземных наблюдений можно назвать гигантский радиотелескоп ме-трового диапазона, работаю-щий в Индии в 80 километрах севернее города Пуна, на вы-соте в 588 метров над уровнем моря. Он известен под назва-нием Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), является



радиоинтерферометром, со-стоит из тридцати 45-метро-вых антенн, составляющих 25-километровый массив, и является самым мощным теле-скопом для исследований ра-диоизлучения Солнца в метро-вом диапазоне. Научные ис-следования на GMRT ведутся под руководством мумбайско-го Института фундаменталь-ных исследований Тата. Теле-скоп имеет приемные антенны для частот в 151, 235, 325, 610 и 1000—1420 MHz. В перспекти-ве, в Индии планируется в 2016 г. установить наземный сол-нечный телескоп NLST (The National Large Solar Telescope) c целью изучения генерации магнитного поля и солнечно-го цикла, динамики магнит-ных областей, гелиосейсмоло-



гии, долговременных вариа-ций солнечной активности, ак-тивных процессов на Солнце и других явлений.

Таким образом, в наблюда-тельном плане приоритеты на 2013-2022 гг. устанавливают-ся на наземные и спутниковые эксперименты. Рекомендуе-мые задачи на этот период: из-учение природы солнечной ак-тивности и прогноз состояния околоземного космического пространства, изучение дина-мики области магнитосфера-ионосфера-атмосфера Земли и ее отклика на изменения сол-нечной активности, разработ-ка моделей Солнца и земной магнитосферы, формирование баз экспериментальных дан-ных для международного об-мена и научной кооперации.



Broadband Ka band satellite communications:System approach and solutions

AbstrAct — This paper overviews and discusses system issues for the design of a Ka band broadband GEO satellite communication system. It ad-dresses the major advantages that are obtained by exploiting this range of frequencies, con-sidering both space and ground improvements, and discusses the countermeasures against the possible impairments deriv-ing from the use of Ka band.

Index terms — Ka-band, satellite communications, High Throughput systems.

1. introductionSince the launch of the pio-

neering Italsat F1, the first Ka band satellite built more than two dec-ades ago by Selenia Spazio, a dra-matic progress has been witnessed in the use of Ka band for satellite communications. Today, Ka Band is exploited for satellite missions covering the full range of needs, from pure commercial businesses aimed at providing broadband sat-ellite connectivity, to Dual Use and Military missions.

This progress has been made possible by the development of a new generation high perform-

ance space qualified equipment and by the progress of ground segment manufacturers, in most cases relying on the progress in the definition of standards, such as the most recent DVB-S2 and DVB-RCS. The European Space Agency, National Space Agen-cies, such as ASI and CNES in Italy and France, have funded R&D and Satellite Missions and several national MoD’s are al-ready exploiting Ka band for their communication needs.

This paper overviews the ma-jor characteristics of Ka band sat-ellite communications in view of their entrance in new Countries — such as Kazakhstan — already widely exploiting telecommuni-cation satellites and interested in the perspectives open by the use of this new technologies.

The paper is organised as follows:

The section 2 introduces the advantages of Ka band from the point of view of Radio-Frequen-cy performance;

The section 3 presents the status in terms of bandwidth availability as per Radio-Regula-tions;

The section 4 overviews the services available taking ad-

vantage of the large bandwidth and presents the satellite system architectures that may be realised for a sounding communication service matching;

The section 5 addresses the issue of channel fading and presents the state of the art coun-termeasures

Last, section 6 overviews recent TAS developments for Ka band on board equip-ments, showing how technology progress can constitute the pillar for expanding the exploitation of Ka band missions.

2. Radio Frequency performancebenefits of ka band satellitecommunication systems

Satellite antennas are a key constituents of the communica-tion payload and their character-istics are a key discriminator for the overall Mission performance.

An antenna’s directivity is a component of its gain, being the other component its electri-cal efficiency. Directivity is an important metric because emis-sions are intended for a particu-lar direction, as other directions are energy wasteful. The Figure 1 plots the antenna directivity and its 3dB beamwidth: the higher

SpAce commuNicAtioN

R. WiNkleRThales Alenia Space Italia, Via Marcellina 11, 00131 Rome, ItalyG. mAtARAzzoThales Alenia Space Italia, Via Marcellina 11, 00131 Rome, Italyo. GuilbeRtThales Alenia Space France, 26 avenue J.F. Champollion,Toulouse, France


the frequency the higher the di-rectivity is, with a peak for small diameter antennas and a satura-tion for very large antenna reflec-tors. While the plot is derived from well known theory formu-las, its validity is widely accepted and optimisation at design stage introduce small difference.

The Figure 2 depicts the re-lation between the antenna gain and its diameter, vs. frequency: the higher the frequency the higher the gain becomes. This states the over-all performance advantage of Ka band, resulting in the improvement of payload EIRP and G/T, with a reduction of antenna dimensions, beneficial for development, inte-gration, testing and compatibility with launcher fairing.

Three additional advantages of Ka are introduced below:

The high directivity performance makes Ka band well suitable to design and operate multi-spot coverage over the serv-ice area, allowing for bandwidth increase due to spatial reuse.

The higher Ka band satellite EIRP and G/T to reduce the EIRP and G/T of gateway and satellite terminals, by ap-portioning performance between space and ground segment for the given performance targets. The advantage in reducing sat-ellite terminal and earth station dimension is significant for mis-sions involving thousands of us-ers, in which equipment and in-stallation cost play a significant contribution to the overall mis-sion financial budget.

3. Ka band satellitecommunication systemsFrequency spectrum

Radio-regulation play an key role in the design of a satellite system. Available orbital slots, al-located frequency ranges and co-ordination among satellites with possible mutual interferences are part of the project life-cycle, from the user needs conception to the operational post launch phase.

The Regulatory Bodies have allotted to Ka band Fixed Satellite Systems spectrum as follows:

2 GHz allocated to co-ordinated services (i.e. Feeder Link, TX, RX):

[27.5 — 29.5] GHz, RX by satellite [17.7 — 19.7] GHz, TX

by satellite 500 MHz allocated to

high EIRP satellite terminals (HEST) with exemption from individual licensing if using an EIRP not exceeding 60 dBW (i.e. User Link TX, RX):

[29.5 — 30.0] GHz, RX by satellite [19.7 — 20,2] GHz, TX

by satellite 1 GHz allocated for ex-

clusive use to satellite services: [30.0 — 31.0] GHz, RX

by satellite [20,2 — 21.2] GHz, TX

by satellite

This results in a maximum availability of 3,5 GHz of Ka band range, which increases by exploit-ing multi-spot coverage with fre-quency reuse and polarization dis-crimination. Considering state of the art waveforms, this may to state of the satellite missions traffic pro-files ranging from several Gbit/s up to tens Gbit/s in multi-spot areas.

4. service portfolio andcommunication architecturesof Ka band satellite systems

The availability of wide spec-trum resources and the resulting large traffic throughput are the enabling factors to extend the serv-ice portfolio with respect to tradi-tional Ku band telecom satellites.

The Table 1 summarizes the main service types and matches them to target user families.

This list, not intended to be ex-haustive, introduces a new topic for the design a broadband multiserv-ice Satellite Communication Sys-

Figure 1Antenna directivity vs. its 3dB beamwidth, varying frequency and antenna diameter

Figure 2Antenna gain vs. its diameter, varying frequency band

SpAce commuNicAtioN SpAce commuNicAtioN


tem, i.e. the best matching between satellite service and the adopted communication architecture.

While different services entail specific needs in terms of tolerated delay and guaranteed throughput,

these requirements need to be ana-lyzed and translated into effective architecture and communication topology. A combination of mesh and star networks (Figure 3) is an effective platform for multiserv-

ice multiuser communications. Mesh network have increasing relevance for Intranet and Virtual Private Networks for secure data exchange. Star networks constitute the legacy architectures for Inter-

table 1Broadband

Communication Services and User Families

Figure 3Mesh and Star networks in a

broadband Ka band satellite system

communication service target End User(s) End User family

Broadband Internet AccessSchools, Universities

Institutional Communications

Distance learningSecure Virtual Private Network (VPN)

Governmental InstitutionsVideo-SurveillanceDistance healthcare Hospitals, Medical Centers

Professional Internet Access

Enterprises and Small OfficesBusiness Communications

Intranet and VPN Site interconnection

Machine to Machine Supervisory Control and Data Acquisition

Internet BackhaulingSatellite News Gathering

News agenciesData Gathering

High throughput InternetConsumers, families Commercial

CommunicationsInternet TVWeb-casting

SpAce commuNicAtioN


net Access and TV or other mul-timedia distribution services. The benefit of mesh architecture is an overall saving of bandwidth and a reduced latency resulting from the single hop needed by terminals to exchange data. Star networks relax performance of satellite terminals but require the involvement of the central Gateway for traffic ex-change, which is performed with a double hop that wastes bandwidth and increases delay.

5. channel propagationand Fading effects i ka band

An issue on the suitability of Ka band is the effect of fad-ing and the suitability of possible countermeasures.

The Figure 4 shows the fade statistics vs. frequency: for a giv-en attenuation, the probability of “long” fades increases with fre-quency, while there is little differ-ence for short fades. This means that there is significant margin for reactive control to manage Ka band fading.

The Figure 5 depicts the rain statistics of Kazakhstan. Overall, the Country shows non critical figures, with few spots of limited geographical extension charac-terised by higher rain intensity.

These two figures bring the information that Ka band is a well suited to Kazakhstan rain profile.

Techniques have been de-vised to mitigate fading effects and are already put in place by satellite Operators and Service Providers; they are introduced below.

Uplink Power Control (UPC):

The terminals and gateways increase the transmit power, with mitigation capability ranging from few to several dBs.

UPC compensates up-link fades only.

Adaptive Coding And Mod-ulation (ACM):

the MODCODE, i.e. the combination of modulation type and forward error correc-

tion code, of each terminal is adapted to meet the current ter-minal requirements, determined by channel conditions.

Adaptation gives each terminal the highest possible data rate that the link may sup-port, while preserving operating margin enough to compensate short term fluctuations.

Terminals in the same beam may use different MOD-CODE values, because rain fades tend to be highly localized.

Adaptive Coding (AC): the forward error cor-

rection code rate of terminals is tuned keeping constant the mod-ulation type, to meet the current terminal requirements deter-mined by channel conditions.

Figure 4Fade durations statistics vs. frequency according to ITU-R P.1623-1

Figure 5Kazakhstan rain intensity statistics

SpAce commuNicAtioN SpAce commuNicAtioN


Adaptation gives ter-minals the highest possible data rate that the link may support, while preserving operating mar-gin enough to compensate short term fluctuations.

Terminals in the same beam may use different code val-

ues, because rain fades tend to be highly localized.

Dynamic Rate Adaptation (DRA):

the terminal Symbol Rate is tuned to meet the cur-

rent terminal requirements, de-termined by channel conditions changes.

Adaptation gives ter-minals the highest possible Sym-bol Rate that the link may sup-port, while preserving operating margin enough to compensate short term fluctuations.

Terminals in the same beam may use different Symbol Rate values, because rain fades tend to be highly localized in space.

In practice: ACM and UPC coun-

teract link fades adapting data rate and TX power:

UPC increases TX power to mitigate the fade at-tenuation and bring the Signal to Noise ration (SNR) to a level that possibly keeps the MODCOD unchanged and, so, the data rate;

when the maximum UPC compensation range is reached, the residual SNR reduc-tion due to fading is counteract-ed by ACM, which changes the MODCOD to reduce the data rate to the level that matches the link conditions;

ACM and UPC do not change the communication sym-bol rate.

AC and DRA counter-act link fades adapting data rate and symbol rate:

AC reduces TX data rate to bring SNR to a level that possibly keeps the MODCOD unchanged and, so, the data rate;

AC does not changes the symbol rate;

when the maximum AC compensation range is reached, the residual SNR reduc-tion is in charge to DRA, which reduces the symbol rate; accord-ingly, the terminal “moves” to a smaller carrier.

6. Ka band state of the art tasdevelopments

This section shows TAS state of the art developments for Ka band satellites.

Agile Ka band frequency con-version (see Figure 6 left side) ad-justs the central channel frequency for new mission needs during the satellite lifetime. The Figure 6 (right side) shows an agile Com-mand receiver, providing frequen-cy agility in the uplink path of the TTC link, for interference man-agement and increased robustness against disturbs, intentional or un-intentional.

The Figure 7 shows Ka band input and output filtering equip-ment with advanced properties for filtering and power handling.

A Ka band Micro-wave Switch Matrix has been qualified. This equipment routes any input port to any output port with non blocking and multicasting; it is a successful solution for missions in which the payload serves a multi-spot area with traffic rela-tions among multiple spots.

The Figure 8 (left) shows the Earth Antenna Module to embark on the top floor Ka band antennas steerable over the vis-ible hemisphere and Figure 8 (left) shows one such antennas. This consitutes a solution to serve theatre spots which may change according to specific mission needs.

Figure 6Agile frequency

converter(left) and agile command receiver

(right)рисунок 6

Преобразовательчастоты (слева) и при-емник команд (справа)

Figure 7Ka IMUX (left) and

Ka OMUX (right)рисунок 7

Ka IMUX (слева) и Ка OMUX (справа)

Figure 8Module for Ka band

steerable antennas (left) and a steerable antenna

with its mechanisms (right)

рисунок 8Модуль для Ka

диапазонных управля-емых антенн (слева)

и управляемойантенны с ее

механизмами (справа)

SpAce commuNicAtioN


SpAce commuNicAtioN космическая связь

Широкополосный Kaдиапазон спутниковой связи:Системный подход и решения

R. WiNkleRThales Alenia Space Italia, Via Marcellina 11, 00131 Rome, ItalyG.mAtARAzzoThales Alenia Space Italia, Via Marcellina 11, 00131 Rome, Italyo.GuilbeRtThales Alenia Space France, 26 avenue J.F. Champollion,Toulouse, France

В работе представлен обзор и обсуждение вопросов проекти-рования широкопо-

лосного Ka диапазона GEO системы спутниковой связи. Рассматриваются основные преимущества, получаемые за счет использования этого диа-пазона частот, с учетом совер-шенствования как космиче-ских так и наземных систем, и обсуждаются контрмеры про-тив возможных нарушений, связанные с использованием внешнего Ka.

Ключевые слова — Ka — диапазон, спутниковая связь, системы высокой пропуск-ной способности.

1. введениеПервый Ка диапазонный

спутник Italsat F1 был постро-ен более двух десятилетий назад компанией Selenia Spazio, что явилось значительным прогрес-сом для спутниковой связи. Се-годня Ка диапазон применяется для спутников, охватывающих весь спектр потребностей, от чисто коммерческих предпри-ятий, направленных на обеспе-чение широкополосного спут-никового доступа, до функций


двойного назначения и военных миссий. Этот прогресс стал воз-можным благодаря развитию высокопроизводительного кос-мического оборудования ново-го поколения и прогрессу про-изводителей наземного сегмен-та, основанного на стандартах DVB-S2 и DVB-RCS.

Европейское космическое агентство, национальные кос-мические агентства, такие как ASI и CNES в Италии и Фран-ции, уже используют Ka диапа-зон для своих нужд связи.

Эта статья — обзор основ-ных характеристик современ-ной Ka диапазонной спутнико-вой связи в связи с их возмож-ным распространением в но-вых странах, таких как Казах-стан — уже широко использу-ющих телекоммуникационные спутники и заинтересованных в перспективах, открываю-щихся с использованием этих новых технологий.

В разделе 2 представлены преимущества Ka диапазона с точки зрения радиочастот;

В разделе 3 представлены данные по пропускной способ-ности согласно радио-правилам;

Раздел 4 — обзор услуг, доступных при использовании широкой полосы пропуска, где представлена структура спут-никовой системы;

Раздел 5 касается вопроса затухания канала и современных мерах противодействия этому.

Заключительный раздел 6 — обзор последних разра-боток TAS, показывающий, как технический прогресс мо-жет стать основой расширения эксплуатационных миссий.

2. радиочастотныепреимущества в сегменте Kaдиапазона системспутниковой связи

Спутниковые антенны яв-ляются ключевыми составляю-

щими коммуникационной по-лезной нагрузки и их харак-теристики важны для общей производительности космиче-ских программ.

Направленность антен-ны является одним из компо-нентов его коэффициента уси-ления, другим компонентом — является его электрическая эффективность. Рисунок 1 по-казывает участки направлен-ности антенны и ее 3dB ши-рину луча: — чем выше часто-та, тем выше направленность с пиком для антенн малого ди-аметра и насыщенностью для очень больших отражателей антенны. Хотя схема является производной от известных те-оретических формул, она ши-роко признана и оптимизиро-вана на стадии проектирова-ния и ввода с небольшими от-личиями.

Рисунок 2 показывает со-отношение между коэффици-ентом усиления антенны и ее диаметром в зависимости от частоты: — чем выше частота, тем выше усиление. Это указы-вает на общее преимущество в производительности Ka диа-пазона в результате совершен-ствования полезной нагруз-ки EIRP и G/T с уменьшением размеров антенны, полезной для разработки, интеграции, тестирования и совместимо-сти с головным обтекателем.

Три дополнительные пре-имущества Ка представлены ниже:

высоко направленная производительность делает Ka диапазон подходящим для разработки и эксплуатации не-скольких по охвату зон обслу-живания, что позволяет повы-сить пропускную способность за счет повторного простран-ственного использования.

Более высокий Ka ди-апазон спутниковой EIRP и G/T позволяет уменьшить EIRP и G/T шлюза и спутниковых терминалов путем пропорци-

рисунок 1Направленность

антенныпо отношению к 3dB

ширине луча при различной частоте и

диаметре антенны

рисунок 2Коэффициент

усиления антенны по отношению к ее

диаметрупри различных

диапазонах частот

космическая связь


онального распределения про-изводительности между косми-ческими и наземными сегмен-тами. Преимущество состоит в сокращении размеров спут-никового терминала и земной станции, что имеет большое значение для миссий с участи-ем тысяч пользователей, в ко-торых стоимость оборудова-ния и установки играют важ-ную роль в общем бюджете.

3. Kа диапазонные системыспутниковой связирадиочастотного спектра

Вопросы регулирования радиочастотного спектра игра-ют ключевую роль в разработке спутниковой системы. Доступ-ные орбиты, выделенные диа-пазоны частот и координация между спутниками с миними-зацией взаимных помех явля-ются частью жизненного цикла проекта, начиная от концепции потребностей пользователей к этапу эксплуатации после офи-циального запуска системы.

Регулирующими органами были выделены следующие Ka диапазоны спектра фиксиро-ванной спутниковой системы:

2 ГГц, распределен-ных между скоординирован-ными службами (например, это фидерные линии, TX, RX):

[27.5 — 29.5] ГГц, RX через спутник

[17.7 — 19.7] ГГц, TX через спутник

500 МГц, выделен-ных для высоких EIRP спут-никовых терминалов (HEST) с освобождением от уплаты ин-дивидуального лицензирова-ния при использовании EIRP не более 60 dBW (т. е. Пользо-ватель Link TX, RX):


[19.7 — 20,2] ГГц, TX через спутник

1 ГГц, выделенных на исключительное использова-ние спутниковых услуг:


[20,2 — 21.2] ГГц, TX через спутник.

Это обеспечило макси-мальную доступность 3,5 ГГц Ка диапазонного спектра, ко-торая увеличивается за счет использования в нескольких местах охвата с повторным ис-пользованием частоты и поля-ризации. Учитывая современ-ные формы сигнала, спутни-ковый трафик может быть от нескольких Гбит/с до десят-ков Гбит/с в различных местах зоны покрытия.

4. Портфолио-сервис и связьархитектуры ка диапазона спутниковых систем

Наличие широкого спек-тра ресурсов и в результате большая пропускная способ-ность трафика являются бла-гоприятными факторами, по-зволяющими расширить порт-фель услуг по отношению к традиционным Ku диапазон-ным телекоммуникационным спутникам.

Служба связи Цель конечногопользователя (ей) Конечный пользователь

Широкополосный доступ в ИнтернетШколы, университеты

Институциональные связи

Заочное обучениеБезопасная виртуальная частная

связь (VPN) Правительственныеучреждения

Видео-наблюдение

Здравоохранения на расстоянии Больницы, медицинские центры

Профессиональный доступв интернет

Предприятия и небольшие офисы

Бизнес коммуникации

Интранет и VPNВзаимосвязь сайтов

Машины для наблюденияУправление и сбор данных

Интернет транзитной передачиСпутниковый сбор новостей

Информационные агентстваСбор данных

Высокая пропускная способностьинтернета

Потребители, семьи Коммерческие связиИнтернет-телевидениеВеб-кастинг

таблица 1Широкополосная связь для различных видов услуги пользователей

космическая связькосмическая связь


В таблице 1 приведены основные виды услуг и соот-ветствующие целевые пользо-ватели.

Этот список не является исчерпывающим, могут быть введены новые позиции для разработки спутниковой ши-

рокополосной мультисервис-ной системы связи в целях лучшего соответствия между спутниковой службой и при-нятой структурой связи.

В то время как представля-емые услуги требуют гаранти-рованную пропускную способ-

ность, эти требования должны быть проанализированы и пе-реведены на эффективную ар-хитектуру и топологию связи. Сочетание сети и звезды сетей (Рис. 3) является эффективной платформой для многопользо-вательской мультисервисной

рисунок 3Сеть и звезды сетей

широкополоснойсистемы спутникового

Ka диапазона



связи. Структура сети оказыва-ет все большее значение для ин-транета и виртуальных частных сетей для безопасного обме-на данными. Звезда сетей пред-ставляют собой наследие архи-тектуры для доступа в Интер-нет и телевидение или в другие мультимедийные услуги рас-пределения. Преимуществом подобной архитектуры явля-ется общая экономия полосы пропускания и сокращение за-держки в результате одного им-пульса, необходимого термина-лам для обмена данными. Звез-да сетей ослабляет функциони-рование спутниковых терми-налов и требует участия цен-трального шлюза для обмена трафиком, который выполня-ется с двойным импульсом, что снижает полосу пропускания и увеличивает задержку.

5. канал распространенияи затухания эффектовка диапазонаВопросом о пригодности Ка

диапазона является эффект за-тухания и соответствие воз-можных контрмер.

Рисунок 4 показывает ста-тистику затухания в зависимо-

сти от частоты: при заданном за-тухании, вероятность «длитель-ного» затухания увеличивает-ся с частотой. Это означает, что есть значительный резерв для активного контроля и управле-ния затуханием КА диапазона.

Методология была разра-ботана для смягчения эффекта затухания и уже внедрена с по-мощью спутниковых операто-ров и поставщиков услуг, ко-торая представлена ниже.

Управление питанием вос-ходящей линии связи (UPC):

Терминалы и шлюзы увеличивают мощность пере-дачи с возможностью смягче-ния последствий от несколь-ких единиц до нескольких dBs.

UPC компенсирует только восходящее затухание.

Адаптивное кодирование и модуляция (ACM):

MODCODE, т.е. соче-тание типа модуляции и ожи-даемого кода коррекции оши-бок каждого терминала, адап-тированного для удовлетворе-ния текущих требований тер-минала, определенного усло-виями канала.

Адаптация дает каж-дому терминалу максимально

возможную скорость передачи данных, которую связь может поддерживать, сохраняя при этом операционную маржу до-статочно, чтобы компенсиро-вать краткосрочные колебания.

Терминалы могут ис-пользовать различные значе-ния MODCODE, потому что они при снижении осадков, как правило, сильно локализованы.

Адаптивное кодирование (AC):

Скорость кода тер-миналов прямого исправле-ния ошибок настроена для поддержания постоянного типа модуляции, для удовлет-ворения текущих требова-ний терминала, определяемых условиями канала.

Адаптация дает тер-миналам максимально возмож-ную скорость передачи данных, которую связь может поддер-живать, сохраняя при этом опе-рационную маржу достаточно, чтобы компенсировать крат-косрочные колебания.

Терминалы могут ис-пользовать различные значе-ния MODCODE, потому что они при снижении осадков, как правило, сильно локализованы.

космическая связькосмическая связь


Динамическая адаптация скорости (DRA):

Оценка терминально-го символа настраивается для удовлетворения текущих тре-бований терминал, определен-ного условиями канала.

Адаптация дает тер-миналам максимально воз-можную скорости потока, ко-торую связь может поддержи-вать, сохраняя при этом опе-рационную маржу достаточно, чтобы компенсировать крат-косрочные колебания.

Терминалы могут ис-пользовать различные значе-ния скорости потока, потому что они при снижении осад-ков, как правило, сильно лока-лизованы в пространстве.

На практике: ACM и UPC противо-

действуют скорости передачи данных затухания и мощности передатчика:

UPC увеличива-ет мощность передатчика по смягчению ослабления затуха-ния и довести сигнала до уров-ня шума (SNR), возможно-го сохранения MODCOD без изменений и, таким образом, скорости передачи данных;

При максимальной компенсации UPC диапазон будет достигнут, остаточные сокращения SNR из-за затуха-ния противодействует ACM, которые изменяют MODCOD, уменьшая скорость передачи данных до уровня, которая со-ответствует условиям;

ACM и UPC не меня-ют скорость передачи символа.

АС и DRA противо-действуют скорости передачи данных адаптации затухания и скорости передачи символов:

AC снижает скорость передачи данных TX, доводя SNR до уровня, что возмож-но сохранение MODCOD без изменений и, таким образом, скорости передачи данных;

AC не изменяет ско-рость передачи символов;

При максимальной компенсации AC диапазон бу-дет достигнут, остаточные со-кращения SNR является от-ветственным за DRA, которая уменьшает скорость переда-чи символов, соответственно, терминал «движения» к мень-шему носителю.

6. ка диапазон, современное состояние tas разработок

В этом разделе показаны TAS современные разработки для спутников Ка диапазона.

Преобразователь (см. Рисунок 6 слева) регулиру-ет центральную частоту ка-нала. Рисунок 6 (справа) по-казывает приемник команд, обеспечивающий перестрой-ку частот по восходящей ли-нии связи ТТК для управле-ния помехами и повышения надежности.

На рисунке 7 представлен Ka диапазонное входное и вы-ходное фильтрующее оборудо-вание с расширенными свой-ствами.

С е р т и ф и ц и р о в а н н ы й Ka диапазонный микровол-новой коммутатор-матрица. Это оборудование для любого входного порта на любой вы-ходной порт без блокирова-ния и многоадресной рассыл-ки. На рисунке 8 (слева) пока-зан модуль наземной антен-ны, установленной на верхнем этаже Ka антенн, управляе-мых на видимой полусфере. На рисунке 8 показана одна из таких антенн.

Неофициальный перевод на русский язык.

рисунок 4Статистика

длительностизатухания

в зависимостиот частоты

в соответствиис ITU-RP.1623-1




LaunchersLaunchersПриложение к журналу «Космические исследования и технологии»

космодромыи носители

Как построить «супертяж»

Малые космические аппараты

Что будет с космодромом


Бюджетный «супертяж»

В последние два-три года в России оживленно обсуждается тема пи-лотируемой лунной

экспедиции и связанных с ней технических средств. Интерес к Луне не случаен: на самом близ-ком к Земле небесном теле че-ловек уже побывал, доказав его достижимость.

Ученые рассматривают бу-дущую колонизацию Луны как неизбежный этап экспансии в межпланетное пространство. На начальном этапе наша со-седка может служить «платфор-мой» для научных исследований (например, для создания астро-номических обсерваторий, не подверженных влиянию зем-ных полей), а затем стать источ-ником ресурсов, в том числе и для полетов к другим планетам. Инженеры видят в Луне поли-гон для отработки технологий межпланетных полетов.

Есть и противники, счита-ющие, что этот процесс отбира-ет ресурсы от более перспектив-ной задачи колонизации Мар-

са. Как бы то ни было, очевид-но, что ключевыми элементами любой экспедиции на небесные тела (в том числе и на Луну) яв-ляются средства доставки, в на-шем случае — ракета-носитель, вокруг которой и идут основ-ные дебаты.

С точки зрения баллисти-ки возможно множество схем полета на Луну. Рассмотрим некоторые.

Прямая однопусковая схе-ма предусматривает старт меж-планетного комплекса с Зем-ли на одной ракете, и посад-ку корабля на Луну с перелет-ной траектории либо с проме-жуточным выходом на около-лунную орбиту. Миссия наибо-лее проста и надежна, но тре-бует большой энергетики: при условии доставки на Луну и возвращении назад экипажа из 3-4 человек нужен носитель 170-200-тонного класса.*

* Под классом здесь и в дальней-шем будем подразумевать массу по-лезного груза, выводимого на исходную низкую околоземную орбиту.

В 1920-х годах советский инженер Юрий Кондратюк (Александр Шаргей) разра-ботал (а 1960-70-х годах аме-риканцы применили) схему со стыковкой на окололун-ной орбите. В соответствии с ней на орбиту спутника Луны доставляется межпланетный комплекс, от него отделяет-ся сравнительно небольшой десантный модуль, на кото-ром космонавты высаживают-ся на лунную поверхность, а потом возвращаются назад, к основному кораблю. В послед-нем весь экипаж летит к Зем-ле. Для такой схемы полета по-требуется один носитель клас-са «всего лишь» 120-150 т. Не-достаток способа — усложнен-ность комплекса (нужно фак-тически два корабля) и риско-ванные операции (в том чис-ле стыковки и перестыковки), которые снижают надежность миссии по сравнению с пря-мой схемой.

Обе описанные выше схе-мы можно реализовать и при

Дмитрий воронЦов, независимый эксперт в области ракетно-космической техники,Россия

игорь афанасьев, независимый эксперт в области ракетно-космической техники,редактор журнала «Новости космонавтики»,Россия

носитеЛи


использовании не одного, а не-скольких носителей, со сты-ковкой блоков в космосе. Сей-час такие операции достаточно отработаны. Правда, при этом возрастают проблемы и затра-ты массы, связанные с члене-нием комплекса на функцио-нальные модули (разгонные блоки, орбитальный и поса-дочный корабли). При этом можно рассмотреть две схемы полета.

Первая — со сборкой меж-планетного комплекса у Земли. В этом случае для полноценной экспедиции с экипажем из 3-4 человек требуется беспилот-ный носитель класса 100-130 т для выведения на орбиту раз-гонного блока, и пилотируемая ракета класса 20-25 т для запу-ска корабля. Поскольку разра-ботка двух разных носителей — недостаток, возможны и вари-анты, например, сборка кора-бля из двух блоков аналогич-ной массы в 60-75 т. Из нее ло-гически вытекает вторая схе-ма — с промежуточной сты-ковкой на окололунной орби-те. Она потребует двух носите-лей 70-тонного класса: на пер-вом запускается разгонный** блок и пилотируемый корабль, на втором — разгонный блок и посадочный модуль. На лицо сокращение номенклатуры ра-кет и требований к их грузо-подъемности и стоимости.* * Или разгонно-тормозной

Вариант данной схемы — развертывание [около]лунной орбитальной станции (ЛОС), своеобразного ресурсного мо-дуля на орбите вокруг нашего естественного спутника. Схема позволяет доставлять на ЛОС расходные материалы (топли-во, продукты питания, воздух, запчасти и т.п.) носителями сравнительно небольшой раз-мерности класса 20-30 т, а так-же применить многоразовый — один на несколько экспеди-ций — посадочный комплекс («лэндер»). Здесь вновь не-

носитеЛи


плохо смотрится носитель — 70-тонник. Между прочим, именно на такую грузоподъ-емность рассчитывался исхо-дный вариант Н-1 в эскизном проекте 1962 года: в один пуск ракета могла обеспечить экс-педиции в облет Луны, Мар-са или Венеры, в два-три пуска — посадку на Луну, а в 5-10 пу-сков — на Марс.

Разумеется, описанные схе-мы не исчерпывают всего мно-гообразия возможных миссий в окололунное пространство. Можно, к примеру, лететь че-рез точки Лагранжа, экономя энергетику, но затрачивая до-полнительное время. Или рас-смотреть трех- или четырехпу-сковые экспедиции, позволяю-щие использовать небольшие носители, но рисковать из-за большого числа стыковок...

Неопределенность в схе-мах ставит перед разработчи-ками сложную проблему выбо-ра средств выведения. Чтобы решить задачу с наименьшими затратами, необходимо верно определиться с типом экспеди-

ции и назначить рациональную размерность и основные про-ектные параметры носителя.

В первой половине 1960-х годов американские и совет-ские инженеры работали «с чи-стого листа», проектируя со-вершенно новый носитель. Для первых оптимальным оказа-лось использование перспек-тивных достижений в области двигателестроения, электро-ники, материаловедения и тех-нологий. Вторым со всем этим приходилось туго: они сделали ставку на умеренный прогресс и... как мы знаем, проиграли.

Сейчас на первый план выходит выбор общей страте-гии, которая определяет всю техническую сторону вопроса.

Наилучшее решение для случая, если первоочередная за-дача — срочное развертывание обитаемой базы на лунной по-верхности, это прямая однопу-сковая схема. Если рассматри-вать концепцию ЛОС, то, ве-роятно, более привлекательно выведение станции на поляр-ную окололунную орбиту, что

позволит исследовать недавно открытые «вечно темные» рай-оны, богатые водяным льдом, и осуществлять периодические высадки именно в них.

Однако на стоимость меж-планетной пилотируемой про-граммы прямо влияет размер-ность носителя, вытекающая из схемы экспедиции. Чем выше стартовая масса и грузоподъ-емность ракеты, тем больше за-траты на разработку. Эти день-ги необходимо отдать «разом», и они оказывают значитель-ное давление на бюджет. При этом чем мощнее носитель, тем сложнее найти ему применение при решении «рутинных» за-дач, не связанных с основной целью, для которой он разраба-тывался. Saturn-5 или Н-1 были «заточены» под энергетиче-ски затратные миссии к Луне и плохо приспособлены для все-го остального. Как только лун-ная программа была выполне-на (или закрыта), они оказа-лись не у дел.

Меньший носитель дешев-ле в разработке, «легче» для

носитеЛи


носитеЛи

бюджета и гибче в решении разнообразных повседневных задач. Кроме того: проектиро-вание крупной ракеты на базе самых передовых технологий длится дольше. За это время могут поменяться политиче-ская конъюнктура и концеп-ция космической деятельно-сти, что подвергает программу дополнительному риску.

Отсюда вывод — размер-ность тяжелого (или сверхтя-желого) носителя должна вы-бираться особенно тщательно, с учетом необходимости реше-ния «ординарных», в том чис-ле коммерческих, задач. Толь-ко в этом случае программа может получить обществен-ную и политическую поддерж-ку и станет экономически це-лесообразной.

Внимательный читатель, вероятно, уже догадался, к чему мы клоним. Правильно: к пред-ложению создать носитель нужной размерности с исполь-зованием уже имеющихся ре-шений, технологий и элемент-ной базы. Этот подход особен-но актуален для России и дру-гих стран СНГ. Мало того, что полноценное освоение Луны не под силу отдельно взятому го-сударству — мы к тому же огра-ничены финансовыми, техно-логическими, а сейчас уже и людскими ресурсами. Именно поэтому все проекты сверхтя-желых ракет с середины 2000-х годов закладывались с учетом максимального использова-ния ранее созданного задела, в первую очередь по таким про-граммам, как «Энергия-Буран» и «Зенит».

Российские разработчи-ки рассматривают два подхода к формированию облика «су-пертяжа».

Первый — создание носи-теля 130-тонного класса путем максимального заимствования технических решений «Энер-гии». Это проекты ГКНПЦ имени М.В.Хруничева («Ени-

сей-5» грузоподъемностью 125 т), «ЦСКБ-Прогресс» («Русь-МСТ», более 100 т) и недав-но представленная концепция сверхтяжелой ракеты от РКК «Энергия» (95-150 т). Они харак-терны использованием круп-ного центрального блока с 2-4 кислородно-водородными дви-гателями РД0120 и четырьмя-шестью блоками с кислородно-керосиновыми РД-171.

К сожалению, воспроиз-ведение «Энергии» в том или ином виде в ближайшем бу-дущем крайне проблематич-но. Во-первых, утрачены мно-гие технологии, утилизирова-на оснастка. Даже в середине 1990-х годов восстановление производства только РД0120, по некоторым оценкам, об-ходилось примерно в 1 млрд $. Во-вторых, разработка са-мой «Энергии» встала пример-но в 5-7 млрд $, заняла более 10 лет и выполнялась силами нескольких десятков мощных организаций всего Советско-го Союза. С учетом техноло-гического состояния ракетно-

космической отрасли нынеш-ней России затраты на реше-ние аналогичной задачи могут в современных ценах достичь 15-20 млрд $, что сейчас совер-шенно нереально.

Поэтому более предпо-чтительным выглядит второй путь, переход к которому на-метился лет 5-7 назад. Он за-ключается в разработке ракеты 65-75-тонного класса с мини-мальным использованием во-дородных технологий.

Еще в самом начале 2000-х Центр Хруничева сформировал концепцию сверхтяжелого но-сителя класса 100-110 т на базе конструктивно-компоновочной схемы «Ангары-А5» с соответ-ствующим увеличением габа-ритов: был выбран «протонов-ский» диаметр керосиновых ра-кетных блоков первой и вто-рой ступени (4.1 м). Третья сту-пень — водородная, хотя и срав-нительно небольшая, с одним РД0120. По аналогичной схеме компоновался и «Амур-5», про-ект которого был анонсирован ГКНПЦ в 2008 году.


В 2006 году ГРЦ «ОКБ име-ни В.П.Макеева» представил на суд публики проект сверх-тяжелой ракеты «Виктория-К» 100-тонного класса, имею-щей три керосиновые ступе-ни, включающие семь блоков «протоновского» диаметра с двигателями РД-171, РД-180 и РД-190. Для разгона к Луне предлагалась четвертая сту-пень с двигателем РД0124. Та-

ким образом, впервые за мно-гие годы российские проек-танты предложили «супертяж» вообще без водорода. Цена — стартовая масса, превышаю-щая 3000 т.

В 2009 году Роскосмос, официально инициировав про-ект «Русь-М», заставил раз-работчиков ориентироваться на элементную базу «ракеты-носителя среднего класса по-

вышенной грузоподъемности» (РН СКПГ, она же «Русь-МП») – универсальные керосиновые ракетные блоки (УРБ) с запа-сом рабочего топлива 180 или 240 т, и сравнительно неболь-шую криогенную верхнюю сту-пень с четырьмя водородны-ми РД0146. Совокупность ре-шений позволяла скомпоно-вать носитель класса 55 т, кото-рой хватало для запуска к Луне пилотируемого корабля ново-го поколения (ПТК НП) мас-сой 16 т. Увы, последний в про-цессе проектирования «приба-вил в весе», и его масса зашла за 20 т. Для отправки к Луне нужна была еще более мощная ракета. Сначала заговорили о 60-тоннике, затем и этот вари-ант признали недостаточным. В 2010-11 годах РКК «Энергия» предложила сверхтяжелый но-ситель на базе своего проекта «Энергия-К». Последний рас-сматривался для летных испы-таний ПТК НП с космодрома Байконур. «Супертяж» старто-вой массой около 1850 т и гру-зоподъемностью 74 т состоял из четырех керосиновых ракет-ных модулей, окружавших кри-огенный центральный блок с одним РД0120. Все вновь упер-лось в водород и восстановле-ние производства мощного во-ронежского двигателя.

Таким образом сошлись две тенденции — «урезание осе-тра» с учетом реальных техниче-ских возможностей, и необхо-димость повышения энергетики носителей до уровня, достаточ-ного для выполнения крупных проектов в космосе. Их пересе-чение и породило размерность «супертяжа» ближайшей пер-спективы — около 70 т на низ-кой орбите. Как показано выше, для решения многих задач это-го достаточно. Осталось опре-делить окончательный техниче-ский облик бюджетного вариан-ты сверхтяжелой ракеты.

Итак, что мы имеем? Как ни странно, но для создания

носитеЛи


носитеЛи

подобного носителя за разу-мные деньги и в относительно короткие — 7-10 лет — сроки есть... практически все!

В серийном производ-стве находятся современные ракетные двигатели РД-171М (первая ступень «Зенита»), РД-180 (Atlas-5), РД-191 («Ан-гара»), РД0124 (верхние сту-пени «Союза-2» и «Ангары»). Заканчиваются огневые стен-

довые испытания криоген-ного РД0146/0146Д с высоки-ми параметрами (увы, более мощный «водородник» может появиться нескоро). Досту-пен (производится в коопера-ции с Украиной) прекрасный РД-120 (вторая ступень «Зе-нита»). Освоено производство топливных баков и отсеков ди-аметром 4.1 м («Протон») и 3.9 м («Зенит-2»).

Днепропетровское КБ «Южное» одним из первых предложило сочетать указан-ные возможности. Украинский проект трехступенчатого носи-теля (условное обозначение «Зе-нит-5») включал модифициро-ванный «Зенит-2», к которому крепятся четыре боковых бло-ка на базе первой ступени исхо-дной ракеты. Чтобы централь-ный блок работал и после сбро-


носитеЛи

са «боковушек», его двигатель со старта должен дросселировать-ся до уровня примерно 50% но-минальной тяги. Разумеется, все блоки надо усилить. По прикид-кам, такая ракета при стартовой массе примерно 1950 т может вывести на низкую орбиту око-ло 67 т. Но предложенная схе-ма неоптимальна: тяга РД-171М избыточна, а для падения цен-трального блока требуется еще одна зона отчуждения.

Более интересным пред-ставляется решение на базе опыта, полученного в «Южном» в 1976-1990 годах при проекти-ровании двухступенчатой раке-ты 11К37. Первую ступень об-разуют четыре боковых блока «зенитовского» диаметра с РД-171М и несколько большей то-пливной заправкой. Централь-ный блок (тех же размеров, что и боковые) оснащается высот-ной модификацией РД-191 (ее, правда, надо еще разработать). Полезный груз выводится на не-замкнутую траекторию, что обе-спечивает падение второй сту-пени в нейтральные воды Ти-хого океана. Довыведение на опорную орбиту осуществля-ется кислородно-водородным разгонным блоком с четырь-мя РД0416Д. Такой вариант при стартовой массе как у «Зени-та-5» выступает в классе 72 т.

Однако за кадром оста-лась проблема стартового ком-плекса. Между тем, абстракт-ное, оторванное от земли (или точнее, от «наземки») проекти-рование «супертяжа» бессмыс-ленно. В настоящее время един-ственный имеющийся объект инфраструктуры, пригодный для пусков ракет размерностью в два-пять раз выше «протонов-ской» — Универсальный ком-плекс «стенд-старт» (УКСС) на Байконуре. В этом смысле роль Казахстана в любом РЕАЛЬ-НОМ проекте сверхтяжелого носителя может оказаться клю-чевой. Строительство объекта аналогичных масштабов за пре-

РисунокД. Воронцова


носитеЛи

делами Байконура на постсо-ветском пространстве — непо-зволительная роскошь. Если мы хотим осваивать Луну не толь-ко «на бумаге», но и в реально-сти, единственным способом сделать это будет объединение усилий всех заинтересованных стран СНГ, в первую очередь России, Украины и Казахстана.

Пример реалистичного подхода к созданию доступного «супертяжа» — проект «Содру-жество», анонсированный РКК «Энергия» в августе 2012 года. Его предлагается осуществить в кооперации России (общее про-ектирование, поставка двигате-лей), Украины (детальное про-ектирование и производство ра-кеты на «Южном машиностро-ительном заводе») и Казахста-на (наземная инфраструктура космодрома Байконур). Внеш-не носитель очень похож на «Зе-нит-5», но несколько крупнее: при стартовой массе более 2000 т он должен доставлять на низ-кую орбиту от 64 до 75 т. «На-поминаю, что самый лучший в мире носитель сверхтяжело-го класса «Энергия» был сде-лан еще в 1980-е годы. Два пу-ска этого носителя были успеш-ными. Мы на сегодня имеем са-мые современные технологии по управлению, по точности выведения, я бы сказал — тех-нологии по управлению каче-ством нашей продукции. Поэто-му я считаю, что наша корпора-ция сумеет быстро и качествен-но реализовать данный проект. Ну а как будет принято реше-ние — это зависит от Роскосмо-са», — отметил президент и ге-неральный конструктор РКК «Энергия» В.А.Лопота.

Хотя этот проект, скажем прямо, не блещет выдающими-ся параметрами, но он не тре-бует освоения каких-то новых технологий, и по концепции полностью отвечает требова-ниям к бюджетному «супертя-жу» (максимальное использо-вание готовых элементов). Все

системы ракетных блоков уже длительное время производят-ся серийно и неоднократно ис-пытывались в полете. Разуме-ется, надо провести усиление конструкции и комплексные огневые испытания. Последние возможно выполнить на том же УКСС — ведь он не только «старт», но еще и «стенд»!

По мнению В.А.Лопоты, при наличии амбиций и по-литической воли работу мож-но сделать за несколько лет (к 2018 году) «и при этом не усту-пать нашим американским

коллегам». Технические спе-циалисты КБ «Южное» с одо-брением отнеслись к проек-ту «Содружество». Разумеет-ся, его надо проработать еще глубже и получить поддерж-ку со стороны Казахстана. Но уже видно, что он позволяет каждому из участников внести посильный вклад, не слишком обременительный для госбюд-жета. Примеры такого подхо-да имеются — это реализация таких проектов, как Ariane-5 и Vega в рамках широкой меж-дународной кооперации.


От малых спутников — к большим задачам

В настоящее время, в зависимости от мас-сы, все космические аппараты делятся на

большие и малые (МКА). По-следние, в соответствии с со-временной классификацией, имеют массу не более 1000 кг. Аппараты массой менее 0.1 кг относятся к классу «фемто», от 0.1 до 1 кг — «пико», от 1 до 10 кг — «нано», от 10 до 100 кг — «микро», от 100 до 500 кг — «мини» и свыше 500 кг — соб-ственно «малые» аппараты.

Эта классификация ус-ловна и небезгрешна. Напри-мер, при наличии устойчивой тенденции к снижению массы низкоорбитальных спутников провести четкую границу меж-ду «большими» и «малыми» аппаратами невозможно — они не будут иметь существен-ных отличий по конструкции и характеристикам. Также, к примеру, нельзя разграничить микро- и миниспутники. Во всяком случае, представляется удобным расширить грани-цы зоны «микро», по крайней мере, до 200 кг.

Интересно, но первые ис-кусственные спутники Зем-ли относились к классу МКА,

и, в первую очередь, по при-чине ограниченности возмож-ностей средств выведения. Ситуация менялась по мере того, как росла грузоподъем-ность ракет. Однако с середи-ны 1970-х годов в ряде про-грамм наметился курс к умень-шению массогабаритных ха-рактеристик аппаратов и пере-ходу их в категорию «микро». Длительное время лидером по МКА был Советский Союз, запустивший большое число низкоорбитальных спутников связи «Стрела».

Вплоть до середины-конца 1980-х годов малые аппараты существенно уступали по ха-рактеристикам большим, по-скольку использовали ту же самую элементную базу. Од-нако успехи микроминиатю-ризации, выразившиеся в по-явлении больших интеграль-ных микросхем и миниатюр-ных электромеханических си-стем, позволили заложить се-рьезный функционал в аппа-раты малых масс и габаритов. Все это вызвало своеобразный «ренессанс» малых спутников, которые уже примерно чет-верть века развиваются доста-точно успешно.

В настоящее время счита-ется, что, кроме миниатюри-зации компонентов, интерес к МКА вызывают еще несколько тенденций, среди которых:

сокращение сложно-сти миссий и снижением за-трат на управление;

удешевление назем-ной инфраструктуры для по-лучения, обработки и распро-странения данных;

появление на рынке новых систем выведения.

В настоящее время МКА используются в таких прило-жениях, как подготовка студен-тов аэрокосмических специ-альностей, научные исследова-ния и технологические экспе-рименты, дистанционное зон-дирование Земли (ДЗЗ) и связь. Причем указанные тенденции в наибольшей степени реали-зовались в спутниках ДЗЗ, а в наименьшей — пожалуй, в ап-паратах низкоорбитальной свя-зи. Последнее объясняется тем, что наземные пользователь-ские терминалы должны стано-виться все легче и меньше, ис-ходя из потребностей рынка, а обеспечить это можно в основ-ном за счет наращивания мощ-ности (а значит и массы) пере-

pAyloAd

игорь афанасьев, независимый эксперт в области ракетно-космической техники, ре-дактор журнала «Новости космонавтики»,Россия

Дмитрий воронЦов, независимый эксперт в области ракетно-космической техники,Россия


датчиков и антенн спутников связи.

Развитие «умной начин-ки» МКА подчиняется закону Мура, единому для всей совре-менной электроники. Он гла-сит, что число транзисторов в интегральной микросхеме рас-тет, экспоненциально увели-чиваясь на порядок каждые шесть лет. Таким образом, эф-фективность бортового ради-оэлектронного оборудования спутника способна возрастать (или оставаться на необходи-мом уровне) при сохранении и даже уменьшении исходных размеров аппарата. В соответ-ствии с законом Мура, харак-теристики МКА в ряде случаев

становятся сопоставимы с воз-можностями «больших» со-братьев. Именно поэтому наи-более впечатляющие успехи на «малогабаритном фронте» заметны среди спутников на-блюдения Земли.

Тенденцию к снижению массы низкоорбитальных ап-паратов ДЗЗ подтверждают ра-боты фирмы Euroconsult в об-ласти анализа и синтеза дина-мики развития этого сегмен-та рынка. В соответствии с не-давним прогнозом, в 2009-2018 годах будет запущено 206 МКА дистанционного зондирова-ния, что почти вдвое больше по сравнению со 106 в предше-ствующее десятилетие. Сред-

няя масса спутника наблюде-ния Земли уменьшится с 1268 до 694 кг, а средняя стоимость сократится со 165 до 94 млн $ и меньше.

Тем не менее, снижение массы аппаратов ДЗЗ имеет свои пределы. Оптика прилич-ного сверхвысокого разреше-ния (0.5 – 2.0 м), наиболее вос-требованного в коммерческом секторе, не может иметь беско-нечно малую апертуру, массу и габариты. Кроме того, для по-лучения качественных косми-ческих снимков нужна высо-кая точность ориентации и ге-опривязки, что требует нали-чия на спутнике высокосовер-шенных систем навигации и

pAyloAd


ориентации. Анализ ситуации показывает, что пока спутни-ки классов «фемто», «пико» и «нано» пригодны, преимуще-ственно, для целей обучения, а также отработки различных технологий и технических ре-шений для применения в бо-лее крупных МКА. Практиче-ски — и коммерчески — зна-чимый результат удается полу-чить в аппаратах массой от 10 до 200 кг.

В частности, специали-сты Берлинского технического университета TUB (Technische Universität Berlin) считают, что в ближайшее время спутники класса «микро» обеспечат про-странственное разрешение 2.5 м, а для специализированных спутников массой порядка 100 кг этот показатель достигнет 1 м или даже лучше. Это мнение подтверждает и всемирно из-весная компания-разработчик МКА — британская SSTL (Surrey Satellite Technology Ltd), на взгляд специалистов кото-рой предел разрешения для спутников массой до 200 кг с обычной оптикой составит 0.5 м, что уже сопоставимо с пара-

метрами полноразмерных раз-ведывательных аппаратов клас-са американского КН-11 или российской «Персоны». Пару лет назад израильтяне презен-товали проект разведыватель-ного спутника массой около 85 кг, оснащенного камерой с раз-решением лучше одного ме-тра*. Но и это не предел.

* Российская инновационная компания «СПУТНИКС» предлага-ет, ограничив разрешение величиной 2.5 — 5 м, создать коммерчески при-влекательный МКА массой 50 кг

Рост характеристик обзор-ных МКА естественным обра-зом привлекает к ним внима-ние военных. Последним ин-тересны такие специфические качества «малышей», как срав-нительная дешевизна при раз-работке и запуске, что позво-ляет возможность разверты-вания и быстрого восполнения целевой орбитальной группи-ровки, обладающей повышен-ной устойчивостью к боевым воздействиям противника. Люди в погонах часто воспри-нимают МКА как разновид-ность многочисленных ныне

беспилотных летательных ап-паратов (БЛА) — «дронов».

Сейчас Минобороны США сосредоточено на МКА массой от 10 до примерно 180 кг, кото-рые легки для запуска, просты в обслуживании и дешевы в за-мене. Представители Пентагона считают, что космические сред-ства, необходимые для удовлет-ворения современных требова-ний, должны быть разработа-ны менее чем за полгода-год. Для сравнения: процесс созда-ния аппарата нормального раз-мера «занимает от двух до деся-ти с лишним лет при расходах в сотни миллионов долларов».

Спутники оптико-электронной видовой развед-ки представляют для армии основной интерес. Традицион-ные полноразмерные «шпио-ны» слишком дороги, а их дан-ные передаются в подразделе-ния недостаточно оперативно. Соответственно внимание во-енных привлечено к разведы-вательным МКА, способным предоставлять изображения «по требованию» на пользова-тельские терминалы типа план-шетников или смартфонов. В Соединенных Штатах в настоя-щее время разрабатываются не-сколько подобных спутников.

Kestrel Eye должен стать эффективным инструмен-том наблюдения за полем боя. МКА, проектируемый фирма-ми IntelliTech Microsystems Inc и Maryland Aerospace, осна-щенный телескопом с аперту-рой в четверть метра и каме-рой высокой четкости, дол-жен по запросу предоставлять тактическим подразделени-ям изображения необходимых участков поверхности с про-странственным разрешени-ем около 1.5 м. При этом МКА массой всего 8 кг будет иметь стоимость в разы (если не на порядок) меньше, чем у обыч-ного спутника — около 1 млн $. Группировка в 30 МКА обе-спечит круглосуточную опера-

pAyloAd


тивную выдачу информации. Полученные изображения бу-дут несекретными — союзни-ки смогут получать их по ради-оканалу без всяких проволо-чек. Запуск Kestrel Eye может осуществлять нано-ракетой прямо с поля боя. Экспери-ментальный МКА планирует-ся запустить в конце 2012 года.

Фирма Microcosm из Ка-лифорнии с 2009 году проекти-рует для армии США разведы-вательный спутник NanoEye, предназначенный для обеспе-чения быстрого доступа к по-лучению изображений задан-ного места. Для съемки объек-тов с разрешающей способно-стью до 0.5-0.7 м МКА будет об-ращаться по очень низкой ор-бите высотой 160-300 км. Раз-рабатываются различные вер-сии NanoEye, включая систему инфракрасного наведения. Ар-мейские подразделения смогут сами управлять спутниками и получать изображения с них на ноутбуки в течение десяти ми-нут после запроса. NanoEye ка-жется очень полезным в пло-хих погодных условиях, когда невозможно запустить обыч-ный авиационный БЛА. Мас-са NanoEye составляет всего 20 кг (без топлива). Конструктив спутника составят технологии и стандарты «кубсатов», разра-ботанные в Калифорнийском технологическом институте де-сять лет назад. По расчетам, на разработку и постройку опыт-ного МКА должно уйти при-мерно 18 месяцев и 1.73 млн $, а серийный аппарат будет стоить менее 1 млн $.

Еще один проект микро-спутника ДЗЗ — малый ма-невренный тактический аппа-рат SATS (Small Agile Tactical Spacecraft) — также разра-батывается в интересах Ар-мии США. По характеристи-кам он примерно аналогичен Kestrel Eye и NanoEye: имеет пространственное разрешение оптико-электронной аппара-

туры 1.5-2.0 м при цене около 3 млн $ за МКА. Спутник мас-сой около 32 кг будет иметь срок активного существования три года.

По замыслу разработчи-ков, в рамках указанных про-ектов можно будет разрабо-тать очень дешевые и манев-ренные спутники-шпионы но-вых поколений. Они обеспечат быструю доставку информа-ции военнослужащим на уров-не бригад или батальонов. В ко-нечном итоге ставится задача обеспечения доступа к тактиче-ской информации каждого сол-дата, что повысит ситуацион-ную осведомленность, и следо-вательно — боевую эффектив-ность, как отдельного бойца, так и подразделения в целом.

Важнейшая особенность МКА (прежде всего, военного назначения) — возможность формирования орбитальных группировок по типу «роя». В нем спутники могут разби-ваться на специализирован-ные группы: управления, энер-госнабжения, целевого назна-чения, связи и т.д. Это дает ряд ценных преимуществ:

способность рекон-фигурировать систему за счет оперативного перераспределе-ния функций;

высокую боевую устойчивость;

возможность син-тезирования очень больших оптических и радиолокаци-онных апертур, недоступных «нормальным» аппаратам.

Понятно, что со временем возможности МКА военного назначения станут доступны и коммерческим спутникам. По мнению некоторых специали-стов, в этом классе наблюдаются две тенденции: спутники массой 100-200 кг постепенно «теряют в весе» при сохранении основных характеристик, тогда как аппа-раты массой от 10 кг наращи-вают возможности, постепен-но тяжелея. В результате, через несколько лет это может приве-сти к стабилизации массы МКА в районе 50 кг. Возможно, на эту цифру и следует ориентиро-ваться. Во всяком случае, япон-ские специалисты считают воз-можным появление коммерче-ски привлекательных аппаратов такой массы уже к 2015 году.

pAyloAd


Разумеется, у МКА есть и недостатки.

Во-первых, проблема вы-ведения: сейчас «малыши» за-пускаются в качестве попут-ных нагрузок средних и тя-желых ракет, либо кластера-ми на легких носителях. И то и другое не слишком удобно — лететь приходится не тог-да, когда надо, а когда полу-чится. Военных это не устра-ивает, поэтому они и взялись за разработку разнообразных «нано-носителей». У граждан-ских спутников сейчас поя-вился шанс совершать регу-лярные полеты в качестве по-путных нагрузок грузовых ко-раблей Dragon и Sygnus.

Во-вторых, по разным причинам подавляющее боль-шинство аппаратов массой ме-нее 10 кг не имеют собствен-ных двигателей, и по оконча-нию ресурса становятся кос-мическим мусором, который нельзя свести с орбиты «по-простому». Приходится искать экзотические решения в виде миниатюрных двигателей не-традиционных схем или тор-мозных устройств типа разво-рачиваемых «парусов».

В-третьих, в подавляющем большинстве микроспутники используют любительские ча-стоты радиосвязи для переда-чи данных, что неприемлемо для коммерческих аппаратов.

Однако эти недостатки пе-ревешивает возможность ис-пользования МКА в незави-симой космической деятель-ности для стран с ограничен-ным бюджетом. Невысокая техническая стоимость и де-шевизна аппаратов позволя-ют войти многим развиваю-щимся странам в число косми-ческих держав. При этом надо учесть, что привлекательность малых спутников обеспечива-ют и те обстоятельства, что в большинстве случаев их мож-но создавать, избегая огра-ничений на распространение ракетно-космических техно-логий. В самом деле: МКА ра-ботают в основном на низких

pAyloAd


орбитах с небольшим балли-стическим сроком существова-ния — от нескольких месяцев до трех-пяти лет. А коли так, то незачем применять на них дорогую электронику класса «space», вполне можно обой-тись пользовательской эле-ментной базой, буквально взя-той с полки магазина радиото-варов. Это будет быстрее, про-ще и существенно дешевле, не-жели сразу замахиваться на космический «хайтэк».

На наш взгляд, именно тема МКА позволит развить в Казахстане космическую про-мышленность. Возможностей здесь открывается существен-но больше, нежели при раз-работке национального носи-теля. Понятно, что «своя» ра-кета обеспечивает независи-мый доступ в космос при лю-бых обстоятельствах. Но надо иметь в виду, что многие стра-ны, например, Германия, не имея собственных средств вы-ведения, вполне успешно ре-ализуют очень сложные и вы-сокоэффективные космиче-ские программы. Создание собственного носителя требу-ет освоения специфических технологий, которые не имеют практического «выхлопа» для обыденной жизни. Между тем, спутники начинают приносить пользу еще до запуска, не гово-ря уж о прямой коммерческой выгоде от работающего на ор-бите изделия. К тому же разра-ботка собственной ракеты вы-льется, минимум, в сотни мил-лионов долларов, тогда как МКА можно создать за суммы на один-два порядка меньшие.

Какие же малые спутники более всего могут пригодить-ся стране, обладающей огром-ной неравномерно заселен-ной территорией и протяжен-ными границами, в том чис-ле и с «неспокойными» сосе-дями? Очевидно, что в первую очередь потребуются аппара-ты ДЗЗ гражданского и воен-

ного применения. Можно рас-смотреть и связные спутники. Однако, поскольку низкоорби-тальные системы связи требу-ют формирования группиров-ки из десятков МКА, о необ-ходимости их разработки надо крепко подумать. В конце-концов, потребности Казахста-на в системах связи могут быть удовлетворены выведением одного-двух геостационарных спутников, что может оказать-ся проще и дешевле. Задачи же ДЗЗ являются «непреходящи-ми»: требуется постоянно мо-ниторить границы, сельскохо-зяйственные угодья, пастби-ща, леса, водные ресурсы, от-слеживать чрезвычайные си-туации.

Начать можно с закупки «кубсатов» на коммерческом рынке, а также с их производ-ства в вузах для подготовки национальных кадров. Следу-ющим этапом может стать за-купка одного-двух микроспут-ников в Европе, либо совмест-ная разработка аналогично-го аппарата с Россией или Украиной. Здесь в качестве примера можно рассмотреть российско-белорусскую си-стему ДЗЗ Союзного государ-ства (спутники «Канопус-В» и БКА). Цель данного этапа – развертывание необходимой наземной инфраструктуры и наработка практического опы-та разработки и эксплуатации подобных систем.

В последующем можно ор-ганизовать производство МКА массой 50-100 кг на собствен-ной базе. Такие спутники, осна-щенные оптико-электронной аппаратурой с разрешением 2-10 м, способны решить боль-шинство задач прикладного на-значения. По мере наработки опыта можно выйти и на аппа-рат с лучшими характеристика-ми, в первую очередь, для задач в интересах национальной обо-роны. В итоге страна сможеть иметь компактную качествен-

ную группировку спутников ДЗЗ как с оптико-электронной, так и с радиолокационной ап-паратурой, чтобы обеспечить оперативное получение спут-никовых снимков собственной территории.

Очевидным результатом данной концепции станет наци-ональная спутниковая платфор-ма малого класса, способная ре-шать самые разнообразные за-дачи — от создания технологи-ческих МКА-демонстраторов до постройки спутников ДЗЗ, связи и космической науки. На этой основе в перспективе воз-можно создание и значительно более сложных космических ап-паратов.

pAyloAd


космоДромы

Страсти по Байконуру

что собственно было сказаноСвое заявление Талгат Му-

сабаев сделал, сославшись на поручение руководства стра-ны — «сегодня глава государ-ства поставил задачу нам и ого-ворил этот вопрос уже с Влади-миром Путиным, когда дого-ворились проработать вопрос о разработке нового всеобъем-лющего договора по комплексу Байконур, который может под-разумевать под собой отход от арендных отношений. То есть, мы не говорим, что мы сразу аренду прекращаем. Это невоз-можно одним махом сделать, а вот частично, поэтапно».

Талгат Мусабаев пояснил, что договор аренды действу-ет до 2050 года, тем не менее, он может быть пересмотрен, в него могут быть введены но-вые статьи, его действие может быть прекращено, при этом вступает в действие механизм оповещения партнера о наме-рении расторгнуть договор.

Глава Казкосмоса обозна-чил основное направление,

в котором может развивать-ся ситуация. На первом этапе, из-под российской аренды мо-гут быть выведены пусковые площадки комплекса «Зенит» и сам город Байконур. Уже по-том в Астане рассчитывают стать наравне с Россией пол-ноценным пользователем все-го ракетно-космического ком-плекса. «Это будет огромный шаг вперед для Казахстана», — подчеркнул Мусабаев.

«И в интересах России, и в интересах Казахстана опреде-лить какие-то части комплек-са, которые российской сто-роне не нужны, а казахстан-ской могут пригодиться. «Зе-нит» стал нам интересен в свя-зи с тем, что проект создания космического ракетного ком-плекса «Байтерек» на базе раке-тоносителя «Ангара» затянул-ся на… 47 месяцев, подорожав при этом в семь раз. Теперь мы хотим перейти на «Зенит» – это и быстрее, и дешевле».

Россия и Казахстан еще в декабре 2004 года подписа-

нурлан асеЛканшеф-редактор журнала «Космические исследования и технологии»

10 декабря 2012 г. на правительственном часе руководитель казкосмоса талгат мУсаБаев рассказал депутатам казахстанского парламента о состоянии дел в космической сфере, в частности, о взаимодействии с российской федерацией по использованию космодрома Байконур и перспективах участия казахстана в со-вместных проектах. его выступление взорвало информационное пространство. сми на протяжении нескольких дней цитировали выступление, многочисленные эксперты комментировали возможные сценарии развития ситуации



ли соглашение о создании на паритетной основе комплек-са «Байтерек» для запуска пер-спективных ракет-носителей «Ангара», разрабатываемых в Центре им. Хруничева. Рос-сия должны была предоста-вить средства выведения, а Казахстан — профинансиро-вать строительство стартово-го комплекса на Байконуре. Серьезность намерений была подтверждена в апреле 2010 года: тогда Россия и Казах-стан ратифицировали согла-шение о развитии сотрудни-чества по эффективному ис-пользованию комплекса Бай-конур. Тогда Талгат Мусаба-ев отмечал, что подобный шаг позволит ускорить работы по созданию «Байтерека». Отме-тим, что ракета-носитель «Ан-гара» должна стать одним из средств выведения на строя-щемся сейчас в России космо-

дроме Восточный. Именно это во многом вызвало недоволь-ство Казкосмоса: там счита-ли, что с вводом в эксплуата-цию собственного космодрома с ракетой данного типа Россия откажется от аренды Байкону-ра. Впрочем, глава Роскосмоса Владимир Поповкин ранее не-однократно заявлял, что «два космодрома, Байконур и Вос-точный, должны взаимодо-полнять друг друга».

Еще одно громкое заяв-ление сделано и в отношении используемых Россией ракет-носителей. «По «Протону» мы будем пытаться делать все, что от нас зависит, чтобы ежегод-но сокращать количество пу-сков, — заявил Талгат Муса-баев. — Сейчас в год произво-дится порядка 20 пусков. Толь-ко что мы направили заклю-чение в правительство о пу-сках с космодрома Байконур

на 2013 год, где предусматри-вается сокращение пусков на две ракеты. И так же поэтап-но планируем сокращать в по-следующие годы». По его сло-вам, «Протоны» — это извеч-ная проблема», поскольку в ка-честве компонентов топлива ракеты используются высоко-токсичные компоненты гептил и амил.

Таким образом руковод-ство казахстанской космиче-ской отрасли озвучило свое видение перспектив Байко-нура и роли отечественных структур в его развитии.

По выражению газеты «Коммерсантъ», «Москва рез-ко отреагировала на заявление господина Мусабаева». Правда, сделала она это в анонимной форме. Некий «источник, близ-кий к российско-казахстанской межправительственной комис-сии», сказал в интервью газе-


астрономиякосмоДромы

те: «Это личная интерпретация Мусабаева о сути тех перегово-ров, которые ведутся на уровне руководства двух стран послед-ние месяцы. Его слова не от-ражают содержание и тональ-ность достаточно конструк-тивных консультаций». Прав-да, сам факт переговоров по во-просу будущего «Байконура» источник не отрицает.

Официально ситуацию прокомментировал глава дум-ского комитета по делам СНГ и связям с соотечественни-ками Леонид Слуцкий. И вот его комментарий как раз не очень сильно отличался от сказанного Талгатом Мусабае-вым. Слуцкий подчеркнул, что «речь идет именно о поэтап-ном переходе от аренды к со-

вместному пользованию»: «То есть сам формат еще абсолют-но непонятен, непонятны сро-ки. Очевидно, что это, скорее всего, будет иметь место после окончания действия соглаше-ния, то есть после 2050 года». Еще он выразил надежду, что договор «не будет расторгнут раньше времени».

ПоследствияСпустя два дня после вы-

ступления Талгата Мусабаева последовало заявление вице-премьера Кайрата Келимбето-ва, который возглавляет казах-станскую сторону в межправи-тельственной комиссии, соз-данной по поручению прези-дентов двух стран в октябре 2012 года: «Президенты Назар-

баев и Путин поручили меж-правительственной комис-сии проработать вопросы со-вместного использования кос-модрома Байконур и в следу-ющем году проработать со-ответствующие изменения в нормативно-правовой базе на-шего сотрудничества... Все воз-можные вопросы будут обсуж-даться в рамках межправи-тельственной комиссии… как это свойственно стратегиче-ским партнерам, соблюдая ин-тересы Республики Казахстан и Российской Федерации. При этом считаю, что не существу-ет моментов, которые нельзя решить путем конструктивных переговоров».

В недавнем интервью «Из-вестиям» Поповкин сказал:


астрономия космоДромы

«отдельно вопрос стоит по комплексу «Байтерек». Талга-том Мусабаевым было выска-зано много претензий россий-ской стороне, в том числе по смете строительства. Но ведь стоимость строительства стар-тового комплекса в $1,6 млрд была взята нами не с потол-ка. И если у наших партнеров здесь есть вопросы, то мы го-товы показать расходы на соз-дание аналогичного стартово-го комплекса для «Ангары» на космодроме Плесецк. Если же мы восстановим в памяти не-которые этапы обсуждений перспектив «Байтерека», то увидим, что там далеко не все упиралось в сумму. Например, долго не могли согласовать ме-сто под стартовый комплекс.

Казкосмос настаивал на 40-й площадке, наши специалисты аргументировано возражали, что это нереально. Потом не было согласия по техническо-му комплексу. И так по цело-му ряду вопросов. Сегодня мы с коллегами из Казахстана об-суждаем возможность замены в проекте «Байтерек» ракеты-носителя «Ангара» на «Зенит».

Относительно перспек-тив «Ангары», Владимир По-повкин сказал следующее: «мы не торопимся с принятием ре-шения о строительстве пози-ции для «Ангары» на Восточ-ном. Наш проектный инсти-тут ведет определенные рабо-ты в данном направлении, но мы их не форсируем до нача-ла летных испытаний ракеты».

По его словам летные испыта-ния «Ангары» пройдут на кос-модроме Плесецк в 2013 году.

Но главным приоритетом для России становится стро-ительство космодрома Вос-точный. «Очень важным ре-зультатом стало развертыва-ние полномасштабных работ по созданию космодрома Вос-точный в Амурской области. По стартовому комплексу и по техническому сегменту вы-полнен нулевой цикл: подня-ты фундаменты, очень актив-но ведутся работы по созда-нию обеспечивающей инфра-структуры — энергосистем, ав-томобильных и железных до-рог. Пока нет оснований гово-рить, что мы не успеем к 2015 году. Если сумеем сохранить


астрономия

нынешнюю динамику — уло-жимся в отведенные сроки» сказал глава Роскосмоса.

19 декабря, спецпредста-витель президента Казахстана на космодроме Байконур Са-бит Кожаметов заявил: «во-прос, касающийся города Бай-конур, будет обсуждаться меж-правительственной комисси-ей РК и РФ в первом квартале 2013 года. Тогда же начнут вы-рабатывать механизмы даль-нейшего использования горо-да и будут обсуждать вопрос о совместном управлении ком-плексом Байконур. По его мне-нию, окончательное решение по вопросу комплекса может быть принято минимум че-рез два года, максимум — че-рез три-четыре года». По пово-

ду изменений в базовый дого-вор аренды было сказано сле-дующее: «договор аренды ком-плекса Байконур был заклю-чен в 1994 году, аренда себя из-жила. Любой нормативный до-кумент требует внесения изме-нений и усовершенствования. Когда аренду продлили до 2050 года, в статье 6 соглашения было написано, что правитель-ства двух стран через какое-то время внесут изменения в до-говор аренды», — пояснил г-н Кожаметов. «Вместо аренды будет новое соглашение, пред-усматривающее совместное ис-пользование и управление ком-плексом, уточнил спецпредста-витель президента Казахстана на «Байконуре».

«Для того, чтобы Казах-стан начал здесь финансиро-вание, должно быть заключено соответствующее соглашение. На арендованные кем-то тер-ритории мы не можем вносить деньги. На сегодняшний день в городе Байконур не работа-ет ни одна казахстанская про-грамма, за исключением соци-альных, а Казахстан должен работать в городе Байконур. Но при этом с Россией мы как были вместе, так и будем», — отметил Сабит Кожаметов.

По его словам, для модер-низации стартовых площа-док будут созданы специаль-ные экономические зоны, куда можно будет завозить оборудо-вание без уплаты пошлин. Пи-лотным проектом может стать правый фланг космодрома — стартовый и технический ком-плекс ракет-носителей «Зенит». Кроме того, Сабит Кожаметов отметил, что отсутствие согла-шения о совместном использо-вании и управлении комплек-сом Байконур тормозит на-чало реализации совместного российско-казахстанского про-екта «Байтерек».

«Что касается аренды горо-да Байконур, то на сегодняшний день рассматривается возмож-

ность управлять им под юрис-дикцией Республики Казах-стан, даже если город будет вы-водиться из-под аренды, а та-кой вариант сегодня предпола-гается. Межправительственная комиссия сейчас рассматривает механизм, как действовать даль-ше в этом направлении», — ска-зал спецпредставитель.

«Главой Казахстана дано задание улучшить инфраструк-туру города с использовани-ем современных технологий. Но это тоже будет делаться со-вместно с Россией», — добавил Сабит Кожаметов.

Таким образом, мнения руководителей и специали-стов двух стран по проблема-тике космодрома были озвуче-ны. Позиции стали ясны.



астрономия астрономия

Но почему это произошло именно сейчас?

Независимые эксперты считают, что вопрос не всплыл неожиданно. Он очень дол-го тлел, и просто удивительно, что этого не произошло рань-ше. Дело в том, что ключевая проблема космодрома – это его сохранение, модернизация и дальнейшее развитие. Основ-ные фонды, построенные прак-тически в советское время, име-ют свои сроки эксплуатации. И примерно к 2018-2020 годам они будут полностью вырабо-таны. Поэтому уже давно заду-мывались над тем, как бы най-ти способ и методы привлечь ресурсы стран, которые рабо-тают на космодроме, и прежде всего Казахстана, как владель-

ца космодрома, и РФ, как арен-датора, с тем чтобы найти взаи-мовыгодную возможность вло-житься, обновить фонды и дать космодрому возможность раз-виваться и в дальнейшем.

И второй момент. Дело в том, что на космодроме экс-плуатируются ракеты, кото-рые остались из советского на-следства, точнее его военно-го сегмента, — ракеты, работа-ющие на токсичном топливе. Из этого вытекает другая зада-ча, которая уже давно назрела и даже перезрела, – это необ-ходимость замены их на более экологичные изделия. В по-следнее время произошли со-бытия, поставившие очень се-рьезные вопросы и породив-шие некоторые сомнения в

возможности сохранения, мо-дернизации космодрома и сме-ны поколения носителей. К сожалению, в силу ряда при-чин Казахстан и Россия до се-годняшнего дня не смогли до-стичь взаимоприемлемых до-говоренностей по Байкону-ру. И Россия приняла полити-ческое решение строить соб-ственный космодром на той же широте (51,6 градуса) на Даль-нем Востоке, в Амурской обла-сти. Теперь, объективно, инте-ресы и приоритеты РФ будут направлены на создание с нуля нового космодрома, в кото-рый потребуется долго и мно-го вкладывать. Но при этом он будет отвечать самым совре-менным требованиям, и, соот-ветственно, Байконуру рассчи-



астрономия

тывать на активное включение России в процесс обновления уже не приходится.

Оптимистично настроен- ные эксперты считают, что партнеры из РФ только выи-грают от адаптации догово-ра аренды к требованиям се-годняшнего дня. Не существу-ет угрозы площадкам и объ-ектам, которые Россия заин-тересована эксплуатировать и в дальнейшем. Это старто-вые и технические комплексы «Протон» и «Союз». И, вероят-но, именно вне рамок аренды будет найден механизм охра-ны собственности и защиты инвестиций в цивилизован-ном русле. При этом РФ всег-да была заинтересована в том, чтобы снять с себя затраты по охране и сохранению тех пло-щадок, которые давно не ис-пользуются. В свое время был передан целым комплексом весь бывший советский космо-дром, из которого использует-ся максимум одна треть. И во-прос об этих неиспользуемых площадках (содержание кото-рых обходится в кругленькую сумму) необходимо решать. Либо их забирает Казахстан, либо их необходимо утилизи-ровать, либо разобрать, либо использовать какими-то дру-

гими способами. Одним сло-вом, требуется не отягощать взаимоотношения арендатора и арендодателя неиспользуе-мыми площадками, отданны-ми как бы в нагрузку. Особен-но это касается города Байко-нур. В свое время он был пере-дан РФ в связи с тем, что у Ка-захстана практически не было средств содержать его. К тому же населенный пункт факти-чески обслуживал только пло-щадки, потому что он был за-крытым городом и в нем жили ракетчики. Сейчас же около половины населения Байко-нура — граждане Казахстана. Внушает оптимизм, что все со-гласны с тем, что, с точки зре-ния защиты их прав и исклю-чения конфликтов, связанных с социальной поддержкой, не-обходимо, чтобы собственно территориальный орган, соб-ственно населенный пункт находился в юрисдикции Ка-захстана. Необходимо пропи-сать очень четко и аккуратно весь комплекс политических, экономических и социаль-ных прав для испытателей-ракетчиков — граждан РФ и других государств, которые будут проживать и работать на территории казахстанского города Байконур.

Желание Казахстана выве-сти сейчас из договора аренды и использовать их — это, воз-можность, надежда и просто аб-солютное право Казахстана, не покушаясь на объекты, кото-рые использует Россия, взять на себя ответственность в пла-не содержания, использования и дальнейшего развития отдель-ных комплексов космодрома. Речь идет прежде всего о пра-вом фланге космодрома — ком-плексе «Зенит». Это на данный момент неактивно используе-мый комплекс. С него осущест-вляются запуски, но крайне ред-ко — один-два раза в год. При развитии ситуации по сцена-рию, который сейчас обсужда-ется сторонами, РФ всегда будет иметь возможность осущест-влять свою программу запусков в том объеме, в каком она осу-ществляется сегодня. В то же время в кооперации Казахста-на, России и Украины (притом, что львиную долю средств даст Казахстан), у каждого участника будет возможность внести свою лепту в развитие космодрома.

И Россия и Украина — это состоявшиеся члены «косми-ческого клуба». Теперь непро-стой экзамен на право вступле-ния в него предстоит сдавать и Казахстану.


Editorial staff of «Space Research & Technologies» congratulates

ESTEC experts with the fiftieth anniversary since the foundation

issn 2226-8731 space research & technologies смические 5.pdf · magazine «space...

Documents