Сверхнизкие орбиты: зачем нужны спутники на границе атмосферы

Фонд НТИ и Роскосмос подписали соглашение о проведении технологического конкурса «Сверхнизкие орбиты». Проект реализуют по итогам форума «Сильные идеи для нового времени», и он должен стать одним из ключевых шагов в развитии отечественных космических технологий. Расскажем, как идея, родившаяся на форуме, к которому сейчас участники платформы Leader-ID готовят заявки, получила вполне конкретное очертание и вышла на стадию конкурса с существенными денежными призами.

Главная задача конкурса — создать спутники, способные длительно и стабильно работать на высотах 100–280 километров, где атмосфера Земли все еще оказывает влияние на полет космического аппарата. Освоение этого диапазона считают одной из самых сложных инженерных задач современной космонавтики, но именно он может открыть новые возможности для спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли и сервисов, которые требуют низкой задержки сигнала, например интернет вещей.

Без постоянной компенсации тяги спутник начинает снижаться и в итоге сгорает в атмосфере. Эта область находится между плотными слоями атмосферы и привычными низкими орбитами, на которых сегодня работает большая часть спутников дистанционного зондирования Земли, связи и навигации. Обычно такие аппараты располагаются на высотах 300–500 километров, где остаточная атмосфера не оказывает заметного тормозящего воздействия. Благодаря этому спутники функционируют там годами и даже десятилетиями.

На высоте около 150 километров плотность атмосферы составляет примерно 2×10⁻⁷ кг/м³. Для космической техники это серьезный фактор. На более высоких орбитах, например на 250 километрах, плотность среды падает на несколько порядков — и проблема становится значительно менее критичной.

«Освоение сверхнизких околоземных орбит — это больше, чем просто технологическая задача. На сегодняшний день ни одной коммерчески устойчивой спутниковой группировки, работающей длительное время на высотах ниже 280 км, в мире не существует», — рассказал генеральный директор Фонда НТИ Вадим Медведев.

При этом сама идея сверхнизких орбит не новая. Она давно была понятна физически: чем ниже спутник летит над Землей, тем ближе он к объектам наблюдения и тем лучше могут быть некоторые характеристики связи или съемки. Но долгое время такая орбита выглядела как инженерная экзотика.

«На высотах порядка двухсот километров космос уже не совсем “пустой”: там есть очень разреженная, но все же ощутимая атмосфера. Она тормозит аппарат, меняет его орбиту и заставляет постоянно тратить рабочее тело на поддержание высоты. Поэтому раньше было проще и надежнее уйти выше — на привычные низкие околоземные орбиты», — пояснил задачу эксперт АэроНет НТИ и ведущий специалист компании «Восход — космические технологии» Александр Ильин.

Потерю в разрешении традиционно компенсировали более крупной оптикой, а проблемы радиолинии — более мощным передатчиком и крупными антеннами. Сейчас ситуация постепенно меняется. Появляются легкие спутниковые платформы, компактная электроника, доступные электрические ракетные двигатели, дешевая серийная элементная база. Кроме того, рынок стал иначе смотреть на группировки: заказчика интересует не отдельный спутник, а сервис — регулярные снимки, мониторинг, связь с небольшой задержкой сигнала, данные для аналитики.

Но у несомненных преимуществ есть и цена: сопротивление атмосферы, атомарный кислород, нагрев, быстрый расход ресурса двигателя, необходимость очень аккуратной аэродинамической компоновки. «Именно баланс этих плюсов и минусов сейчас пытаются проверить экспериментально», — добавил Александр Ильин.

Ключевой интерес бизнеса к VLEO объясняется сразу несколькими факторами. Прежде всего — возможностью получать детализированные изображения Земли. Чем ниже орбита, тем выше разрешение съемки при тех же размерах оптической системы. Спутник на высоте около 200 километров способен обеспечивать качественные снимки без необходимости использовать крупные и дорогие телескопические комплексы. Это особенно важно для мониторинга инфраструктуры, сельского хозяйства, картографии, экологического контроля и оперативного наблюдения.

Еще одно преимущество связано с энергопотреблением. На меньшем расстоянии до Земли спутнику требуется меньше энергии для передачи данных, а значит, можно уменьшать размеры космических аппаратов, снижать их массу и использовать более компактные антенны.

Кроме того, у сверхнизких орбит есть важный экологический плюс. Если такой аппарат выходит из строя, он сравнительно быстро тормозится атмосферой и сгорает. На более высоких орбитах космический мусор может оставаться десятилетиями.

Главная проблема — необходимость постоянно компенсировать торможение атмосферы. Для этого спутникам требуются сверхэкономичные двигательные установки, новые материалы, высокоэффективные системы энергоснабжения и аэродинамически оптимизированные корпуса.

Одним из перспективных направлений считают электрореактивные двигатели малой тяги. Особый интерес вызывают так называемые воздушно-прямоточные ЭРД. В отличие от классических ионных (их еще называют холловскими: основанные на принципах действия электромагнитного поля, открытых Эдвардом Холлом) двигателей, использующих запас ксенона или другого газа в баках. Такие системы могут использовать остаточные атмосферные газы — кислород и азот — в качестве рабочего тела.

Фактически спутник получает возможность «собирать» молекулы атмосферы для поддержания собственной орбиты. Это снимает одно из ключевых ограничений традиционных электрореактивных двигателей — конечный запас рабочего тела. Потенциально срок службы аппарата становится ограниченным уже не количеством газа в баллонах, а ресурсом солнечных батарей и бортовых систем.

Еще один вызов связан с аэродинамикой. Если для обычных космических аппаратов форма корпуса долгое время не имела принципиального значения, то на сверхнизких орбитах ситуация меняется. Инженеры вынуждены проектировать спутники с учетом обтекания разреженной атмосферой, стремясь минимизировать сопротивление.

«Топливо из атмосферы не делает двигатель “бесплатным”: чтобы превратить этот поток в тягу, нужна электрическая мощность, и часто именно она становится главным ограничением. Солнечные батареи дают электричество, но одновременно увеличивают площадь аппарата и его сопротивление, на некоторой высоте добавление новых панелей уже перестает помогать. Я бы сказал так: обычный электрореактивный двигатель с запасом рабочего тела — более близкий путь к первым демонстраторам, а прямоточный электрореактивный двигатель — следующий уровень, который может открыть существенно более низкие высоты, если будет доведен до надежной работы», — раскрыл сложности проекта эксперт АэроНет.

Развитие VLEO тесно связано и с глобальным трендом на миниатюризацию космической техники. Современные технологии позволяют создавать компактные спутники с высокой вычислительной мощностью и сложной полезной нагрузкой. Это делает сверхнизкие орбиты особенно привлекательными для систем наблюдения Земли, оперативного мониторинга, интернета вещей и связи с низкой задержкой сигнала.

«Освоение сверхнизких орбит получило новые драйверы: прогресс в двигательных установках и появление обтекаемых спутниковых форм. Тот, кто добьется продолжительного существования аппарата на такой высоте, сделает первый шаг к созданию дешевых и эффективных орбитальных группировок», — рассказал управляющий директор Центра развития системы технологических конкурсов Up Great Фонда НТИ Юрий Молодых.

На фоне удешевления запусков и перехода космической отрасли к массовому производству аппаратов сверхнизкие орбиты могут стать следующим этапом развития коммерческой космонавтики — как когда-то многоразовые ракеты изменили рынок космических запусков. Если, конечно, инженерам удастся решить проблему длительного пребывания спутников на таких высотах.

Основная задача технологического конкурса Up Great «Сверхнизкие орбиты» — провести на земле и в космосе испытание концепций малых космических аппаратов для сверхнизких околоземных орбит. В рамках конкурса исследуют, в частности, возможности аппаратов с улучшенной обтекаемостью (например, в форм-факторе DiskSat), а также перспективных двигательных установок.

«Конкурс станет местом, где будут разработаны совершенно разные космические аппараты — и самые высокотехнологичные из них будут запущены в космос. В конце апреля начался отборочный этап конкурса, получили более 20 заявок и концепций по развертыванию спутниковых группировок. В заявках отражены различные подходы в поиске оптимального решения по разработке и выбору двигателя и аэродинамического дизайна для длительной работы аппаратов на таких орбитах», — рассказал о первых результатах Юрий Молодых.

Технологический барьер, который будут преодолевать участники: разработать платформу малого космического аппарата, которая обеспечивает стабильное функционирование на сверхнизких орбитах в течение не менее одного месяца и имеет доказанный потенциал для оказания коммерчески востребованных услуг — дистанционного зондирования Земли, связи и навигации.

В 2026 году участникам предстоит разработать облик аппарата, провести испытания двигательной установки, смоделировать аэродинамику и определить расчетное время существования спутника на орбите. Призовой фонд первых двух этапов составит 60 миллионов рублей. В 2027 году команды перейдут к полному циклу наземных испытаний подсистем и готового аппарата. Размер премий за успешное выполнение заданий увеличится до 120 миллионов рублей.

«По сути, конкурс — это создание технологического задела для первой в России, а возможно, и в глобальной истории орбитальной группировки на высоте ниже 280 километров. Такие спутники превращаются в ценный, но ограниченный ресурс, за разработку которых идет острая конкуренция во всем мире. Способность предложить устойчивую, экономически эффективную услугу — приоритет техконкурса. Сотрудничество Фонда НТИ с Роскосмосом ускорит трансфер технологий: от фундаментальной науки к практической эксплуатации», — сообщил Вадим Медведев.

Фактически речь идет о попытке открыть для массового использования новый слой околоземного пространства. Если технологии длительной работы спутников на высотах ниже 300 километров удастся довести до практического применения, это может серьезно изменить рынок дистанционного зондирования Земли, спутникового интернета, связи для беспилотных систем, IoT-инфраструктуры и навигационных сервисов.

Самая понятная область применения — дистанционное зондирование Земли. «Снижение высоты дает прямой физический выигрыш: можно получить более детальное изображение при той же оптике или, наоборот, сделать оптическую систему меньше и дешевле при сохранении нужного качества», — пояснил эксперт АэроНет.

Спрос сформируют не только классические государственные заказчики, но и отрасли, которым нужны частые и достоверные данные: сельское хозяйство, мониторинг инфраструктуры, трубопроводов и ЛЭП, лесное хозяйство, контроль ЧС, страхование, логистика, городское планирование.

Связь и интернет вещей тоже выглядят перспективно, но здесь картина менее однозначная. Низкая высота улучшает радиолинию: сигналу нужно пройти меньшее расстояние, можно снижать требования к терминалу или получать меньшую задержку. Это хорошо для датчиков, дронов, транспорта, некоторых промышленных задач. Но сверхнизкая орбита дает меньшую зону видимости одного спутника и требует больше аппаратов для непрерывного покрытия.

«Кроме того, аппараты могут жить меньше и требовать более частого пополнения группировки. Поэтому экономика связи на таких орбитах появится только там, где выигрыш по терминалам и качеству канала перекрывает цену поддержания орбиты и обновления группировки», — сказал Александр Ильин.