Орбітальний моніторинг ракетних загроз та майбутнє оборонних супутникових технологій

Розв’язавши війну з Україною, Росія виклала свої карти на стіл. У якості однієї з них росіяни обрали ракетний терор цивільного населення, який реалізувався ударами по критичній інфраструктурі України. Це позбавило багатьох мешканців країни базових побутових потреб у теплі, світлі, воді. 

Московські ракети змусили країни, що стали на бік України, потурбуватися про створення потужної багаторівневої космічної архітектури протиракетної оборони, яка використовує механізми супутникового спостереження за Землею (Earth Observation, EO). Супутники раннього попередження про ракетну загрозу стали першою частиною цієї великої роботи з виявлення пусків бойових ракет і створення умов для їхнього подальшого перехоплення.

Моніторинг теплового спектра: старт програми MIDAS

Перші системи раннього сповіщення про ракетну загрозу з’явилися в США у розпал Холодної війни. У період з 1960 до 1966 року Америка запустила на геосинхронну орбіту дев’ять із 12 запланованих супутників системи MIDAS (Missile Defense Alarm System).

Основним завданням супутників попередження стало відстеження хвиль в інфрачервоному (ІЧ) спектрі, характерних для теплового випромінювання ракетного двигуна при запуску (>1000°C). Тепловий трек, який залишає ракета, у поєднанні з інформацією про локацію її пуску давав можливість розрахувати траєкторію польоту ракети, дозволяючи американським силам протиракетної оборони (ПРО) заздалегідь підготуватися до перехоплення загрози.

Оскільки теплове випромінювання, що походить від ракети, добре видно в інфрачервоному діапазоні, головним елементом конструкції супутників MIDAS був саме інфрачервоний датчик. Дані, які вловлював цей датчик, оброблялися бортовим комп’ютером супутника. Важливим елементом роботи комп’ютера стало вміння аналізувати отриману інформацію та відрізняти помилкові тривоги, на кшталт сонячних відблисків від Землі чи хмар.

Супутники MIDAS розміщувалися на геосинхронній орбіті Землі (GEO). Вдало відстежити запуск можна було лише на ранніх етапах польоту ракети, коли активні її маршові двигуни. У середньому на те, щоб побачити перший спалах можливої ракетної загрози, у американців було всього три хвилини. Коли цей час спливав, двигуни основних ступенів ракети виключалися, і вона переходила на бриючий політ, роблячи неможливим подальший супутниковий трекінг.

ІЧ-моніторинг у деяких аспектах був надійнішим за радарне виявлення, яке надавало інформацію про загрозу на пізніх етапах польоту ракети, коли до її зближення з ціллю залишалося менше 20 хвилин. Методологія супутникового ІЧ-моніторингу давала також наочну (хоча для перших апаратів і досить неякісну) візуальну інформацію про локацію та напрям пуску. Попри низку якісно нових рішень, програму MIDAS так і не прийняли на озброєння, проте саме вона поклала старт розвитку майбутніх супутникових систем попередження про ракетні загрози. Результатом цих покращень стали система Defense Support Program (DSP) і наступна за нею Space-Based Infrared System (SBIRS).

Датчики, оптика та лазерна комунікація: DSP та SBIRS

Удосконалені ІЧ-супутники системи раннього попередження програми DSP, що з’явилися в 1970-х роках, були ідейними продовжувачами супутників MIDAS. Вони прослужили США 37 років, доки на початку нульових їм на зміну не прийшли нові покоління супутників попередження угруповання SBIRS.

Система DSP відіграла важливу роль в американських військових кампаніях минулого. Так, під час проведення операції “Буря в пустелі” система відстежила запуски іракських ракет “Скад” по території Ізраїлю та Саудівської Аравії. Як результат — сотні, якщо не тисячі врятованих цивільних життів, а також вціліла громадська та критична інфраструктура, яка була основною метою іракських ракетних пусків.

Чіткість зображення в супутниках системи DSP досягалася за допомогою потужного ширококутного телескопа Шмідта, який забезпечував орбітальним знімкам високу роздільну здатність. За період з 1970 до 2007 року США запустили на геосинхронну орбіту 23 супутники системи DSP, побудовані Northrop Grumman Aerospace Systems. Перші супутники DSP мали порівняно невелику вагу (900 кг) і могли перебувати на орбіті лише 1,25 року. Пізні версії ІЧ-супутників DSP підвищили свій експлуатаційний період вже до 10 років та стали набагато важчими (2380 кг проти 900 кг) і потужнішими (1275 Вт замість 400 Вт на ранніх моделях). Багато в чому підвищення потужності було зумовлене збільшенням кількості інфрачервоних детекторів стеження, розташованих на супутниках.

Технологія інфрачервоного орбітального моніторингу не стояла на місці, і вже починаючи з 2007 року, супутники системи DSP замінили на більш потужні та надійні космічні апарати системи SBIRS.

Частина супутників сузір’я ПРО SBIRS розміщувалася вже на високоеліптичній орбіті (HEO), яка дозволяла розширити область покриття моніторингових супутників, насамперед у районах земних полюсів. SBIRS зробила перші кроки і для виведення своїх супутників на низьку навколоземну орбіту (LEO). Супутники угруповання SBIRS Low мали забезпечуватися двома типами датчиків: інфрачервоного сканувального датчика (для початкової фіксації пуску) і датчика інфрачервоного стеження (для відстеження подальшої траєкторії польоту ракети). Надалі стало зрозуміло, що саме за подібними системами — майбутнє космічної ПРО, проте на початку 2000-х років це було зовсім не очевидно, і від програми SBIRS Low у її первісному вигляді вирішили відмовитися. Утім, напрацювання SBIRS Low не були забуті — багато з них втілилися вже у Системі космічного стеження та спостереження (STSS).

Що ж до вже виведених на GEO супутників SBIRS, то основною їхньою перевагою стала багатопрофільність. Завдяки впровадженню високочутливих датчиків оптичного спостереження супутники SBIRS отримали можливість здійснювати не лише ІЧ-моніторинг ракетних пусків, а й успішно проводити точково спрямовану розвідувальну діяльність.

Нові модифікації інфрачервоних датчиків дозволяли використовувати супутники для моніторингу як пусків стратегічних міжконтинентальних ракет (що вміла і DSP), так і крилатих ракет ближнього й середнього радіусу дії, які застосовували локально. Відтепер навіть дуже тьмяний ракетний слід, що надходив від тактичних ракет противника, був помітний для нових датчиків угруповання SBIRS. Високошвидкісними каналами супутникового зв’язку ця інформація надходила до наземних центрів обробки даних, де відбувався аналіз отриманої інформації для подальшого прийняття рішень щодо перехоплення.

Система SBIRS стала чудовим і функціональним орбітальним куполом від балістичних ракетних загроз, але новітній час ознаменувався розвитком більш досконалих типів крилатих ракет. Нові гіперзвукові ракети, здатні маневрувати та змінювати свою польотну траєкторію, стали справжнім викликом для фахівців у галузі космічної ПРО та змусили переосмислити усю технологію систем попередження про ракетні пуски.

Ставка на низьку орбіту: трекінг і перехоплення гіперзвуку

Супутники системи MIDAS (як і DSP зі SBIRS) запускалися на високу геосинхронну орбіту (GEO), що дозволяло лише одному апарату відразу охоплювати до 50% площі земної поверхні. У такого технічного рішення були й негативні сторони: супутники стеження за ракетними пусками були надто громіздкими і дорогими.

Ці супутники проєктувалися для відстеження міжконтинентальних балістичних ракет, які, хоча і рухаються з колосальною швидкістю, позбавлені можливості змінити траєкторію свого польоту, що дає силам ПРО більше часу для підготовки до їхнього перехоплення. Гіперзвукові ракети нового типу змінили правила гри. Їхня швидкість, як і раніше, перевищувала гіперзвук мінімум уп’ятеро (6100 км/год), проте тепер ракети отримали можливість маневрувати, змінюючи не тільки напрям, але й висоту свого польоту.

Перед розробниками супутникових систем оповіщення постало непросте завдання, ідеальне рішення якого не знайдене й досі. Можливою відповіддю на нові види ракетних загроз може стати створення систем, що базуються на комплексному використанні супутників раннього попередження про ракетні пуски, спільно з космічними системами перехоплення ракет (SBI від space-based missile interceptor).

Переосмислення зазнала і орбітальна стеля, на яку слід виводити такі системи для їхньої ефективної роботи. Замість GEO подібні сузір’я сьогодні все частіше пропонують розміщувати на LEO, тому що з неї можна більш швидко та точно відстежувати зміни в траєкторії польоту гіперзвукової ракети.

Для трекінгу нових типів гіперзвукових ракет збираються використовувати супутники, оснащені датчиками HBTSS (hypersonic and ballistic tracking space sensor), перший запуск яких планується здійснити вже у 2023 році. Передбачається, що ці супутники будуть взаємодіяти з системою SBIRS, функціонально розширивши її архітектуру.

Після виявлення пусків ІЧ-супутниками та передачі відповідної інформації каналами лазерного зв’язку для знищення ракети можуть бути задіяні системи SBI — оснащених протиракетним озброєнням супутників. При належному знанні про локацію запуску, а також попередньому трекінгу траєкторії польоту ракети SBI-супутник може зблизитися з нею для подальшого перехоплення.

У статті “Що 24 супутники можуть зробити для ракетного захисту США?“, опублікованій у жовтні 2018 року, розглядалася низка нюансів та спірних моментів SBI-систем. Небезпечною наразі вважається перспектива розміщення на орбіті такої великої кількості боєприпасів, які при детонації здатні спричинити справжню катастрофу орбітального забруднення, поставивши під загрозу всі телекомунікаційні та наукові супутники, що розташовані на LEO. Почасти цю проблему можна вирішити створенням нових систем перехоплення, які будуть використовувати не конвенційне, а лазерне озброєння. Лазерний промінь можна навести на оптичні датчики, що відповідають за орієнтацію ракети. За інформацією, опублікованою в липні цього року в The Space Review, росіяни вже почали розробки наземних лазерних установок, здатних створювати перешкоди оптичним датчикам на супутниках стеження, тому робота у цьому напрямку стає все більш актуальною.

Ще одним слабким місцем подібного сузір’я супутників космічного перехоплення є необхідність їхнього масового перебування на орбіті. Для створення надійної зони покриття, здатної гарантувати захист від гіперзвукових ракет, можуть знадобитися тисячі супутників-перехоплювачів. Але й тут є вдалі приклади, зокрема SpaceX з її супутниковим угрупованням Starlink. За кілька років компанія довела, що навіть 3000 супутників єдиної системи на орбіті — це не межа. Зрештою, питання полягає в тому, скільки оборонні відомства готові витратити на створення систем подібного типу.

Вочевидь, що нова війна, розв’язана Росією, змушує конгресменів куди легше розлучатися з грошима на оборону. У липні 2022 року Пентагон оголосив, що має намір витратити $1,3 млрд на те, щоб до 2025 року вивести на орбіту 28 нових супутників відстеження ракетних пусків. Половину з цих апаратів буде розроблено зусиллями Northrop Grumman Strategic Space Systems, інші 14 — флоридською L3Harris Technologies, Inc.

Майбутнє протиракетних EO-систем

Сьогодні стає все більш очевидним, що основна ставка при створенні нових поколінь супутникових систем ПРО робиться саме на впровадження комплексної багатофункціональної архітектури. Супутники, розташовані на різних орбітах, можуть забезпечувати більш стійку присутність і гарантувати надійну зону покриття, мінімізуючи час, необхідний на відстеження пуску.

Принципи лазерної міжсупутникової комунікації, реалізовані в подібних системах, помітно підвищать швидкість сполучення космічних апаратів як один із одним, так і зі станціями прийому та обробки даних, розташованими у центрах управління на Землі.

Попри тенденцію поступового переходу на LEO, розробники нових систем не відмовляються від присутності й на GEO. Так, ідейним продовжувачем системи SBIRS у майбутньому виступить OPIR (Overhead Persistent Infrared Block), розробкою якого займаються в Центрі космічних і ракетних систем (Space and Missile Systems Center, SMC). Нове покоління систем OPIR дозволить надавати американським ВПС та ПРО актуальну інформацію про зони польоту ракет у найкоротші терміни завдяки використанню супутникової шини LM 2100 виробництва Lockheed Martin. Основною відмінністю систем ракетного попередження нового покоління стане безперервний інфрачервоний моніторинг планети, який дозволить реагувати на ракетні загрози в режимі 24/7. Очікується, що вже до 2025 року на орбіті з’явиться перший блок супутників системи OPIR, три з яких розмістяться на GEO і два — на HEO.

Зусилля щодо зміцнення орбітального протиракетного купола докладає і Агентство космічного розвитку (Space Development Agency, SDA). Фахівці агентства виступили з ініціативою орендувати комерційні станції сполучення з супутниками, які перебувають на LEO. Це дозволить заощадити мільйони доларів, які знадобилось би виділити на будівництво аналогічних об’єктів з нуля. Головними орендодавцями подібних наземних станцій можуть стати компанії на кшталт Amazon, яка свого часу побудувала їх під потреби своєї Amazon Web Service.

Війна в Україні продемонструвала, що в сучасних військових протистояннях лінія фронту проходить через територію всієї країни, оскільки перед ракетними загрозами вразливі абсолютно всі підприємства, інфраструктура та цивільне населення, незалежно від їхнього віддалення від фактичної зони ведення бойових дій. Від своєчасного розвитку та впровадження нових типів орбітальних систем раннього попередження про ракетні загрози залежатиме безпека та нормальне існування мільйонів українців вже у зовсім близькому майбутньому.