Промышленное освоение космоса

Космическая система радиолокационного мониторинга ледовой обстановки «Север»

Вопрос о промышленном освоении космоса в наше время стал очень актуальным. Но К.Э. Циолковский работал над ним еще с 70-х годов XIX века – тогда его идеи воспринимались как фантазии ученого-мечтателя.

В своих работах Циолковский предложил последовательную программу космической индустриализации, которая, по его мнению, должна изменить качество жизни. «Я надеюсь, — писал ученый, — что мои работы, может быть скоро, а может быть в отдаленном будущем дадут обществу горы хлеба и бездну могущества… Вселенная будет открыта для нас, как Земля…»

Как же обстоят дела сейчас? Реализована хотя бы часть идей Циолковского?

В прикладной космонавтике в настоящее время существуют три основных направления: космические информационные комплексы, космические научные системы, космическая индустриализация. О них сегодня и поговорим.

Космические информационные комплексы

Современные системы связи

Спу́тниковая свя́зь — один из видов космической радиосвязи. Этот вид связи основан на использовании искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть стационарными или подвижными. Ретранслятор выносится на очень большую высоту (от десятков до сотен тысяч км), в результате чего зона его видимости становится огромной: почти половина Земного шара, поэтому необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в основном, достаточно и одного.

Спутник связи Syncom-1

Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи. В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала, не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.

Применение спутниковой связи

Магистральная спутниковая связь. Первоначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объёмов информации. С развитием волоконно-оптических сетей они стали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи. Системы VSAT предоставляют услуги спутниковой связи клиентам, которым не требуется высокая пропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с. В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию. Спутниковый Интернет.

Но у спутниковой связи есть и недостатки: слабая помехозащищенность, влияние атмосферы, поглощение в тропосфере, задержка распространения сигнала, влияние солнечной интерференции (накладывание волн).

Метеорология

Метеорологическая ракета

Метеорология - наука о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах. Значительная часть метеорологов занимается моделированием прогноза погоды, климата, исследованием атмосферы (с помощью радаров, спутников и др.). Другие работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, мореплавание, сельское хозяйство, строительство, а также передают их по радио и телевидению.

Технические средства метеорологии:

  • Метеостанция
  • Метеозонд
  • Метеорологическая ракета
  • Дистанционное зондирование Земли

Метеорологическая ракета - беспилотная ракета, совершающая полёт по баллистической траектории в верхних слоях атмосферы с исследовательскими целями. Высота апогея может составлять от 40 до 100 км. Ракеты с высотой полёта более 100 км обычно называют геофизическими.

Конструкция исследовательской ракеты: один или несколько разгонных блоков и контейнер с аппаратурой. Данные могут передаваться по радио или же записываться локально и изыматься после приземления контейнера с аппаратурой (в этом случае он опускается на парашюте).

Советские метеорологические (слева) и геофизические (справа) ракеты

Метеорологические ракеты в настоящее время остаются практически единственным способом непосредственного (не дистанционного) изучения слоёв атмосферы на высоте от 40 до 100 км. Геофизи́ческая раке́та — беспилотная ракета, совершающая суборбитальный полёт и предназначенная для геофизических, физических, астрофизических, химических и медико-биологических исследований верхних слоев атмосферы и близлежащего космоса. Высота апогея может составлять от 100 до 1500 км. Ракеты с высотой полёта менее 100 км обычно называют метеорологическими.

Дистанционное зондирование Земли

Дистанционное зондирование Земли — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. На космических аппаратах используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения и времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

NAVSTAR

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

GPS (принадлежит министерству обороны США. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Известна под более ранним названием NAVSTAR); ГЛОНАСС (принадлежит министерству обороны России. Система будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы); Бэйдоу азвёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите); Galileo (европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году); IRNSS (индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране); QZSS (была задумана как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии.

ГЛОНАСС

К космическим информационным комплексам относятся также системы контроля использования природных ресурсов, охрана окружающей среды.

Искусственные спутники Земли будут все более активно использоваться для исследования природных ресурсов в интересах горнодобывающей промышленности, сельского, лесного, водного хозяйства, морского рыболовства. С помощью спутников будут регулярно и детально контролироваться сезонные изменения растительности, снеговой покров, состояние почв, посевов, возникновение опасных природных явлений, в частности лесных пожаров, ураганов, наводнений.

Для наблюдения за Землей будут использованы приборы видимого, инфракрасного и СВЧ-диапазонов. Ожидается переоснащение космических аппаратов новой техникой получения и обработки информации, это поведет к резкому повышению их технико-экономической эффективности.

Будут введены в строй национальные и межгосударственные глобальные навигационные спутниковые системы.

Космические научные системы

Переход от опытно-промышленного производства материалов в космосе к созданию орбитальных производственных комплексов потребует решения целого ряда непростых задач, в частности создания бортовых энергоустановок повышенной мощности - до 25-100 кВт, разработки технологических модулей (сборных элементов производственной аппаратуры), специальных компактных и облегченных технологических установок, лабораторий для экспресс-анализа образцов и т. д.

Долговременная орбитальная станция

Существуют проекты создания крупногабаритных долговременных орбитальных станций с массой до 100 т и мощностью солнечной электростанции 150 кВт. Экипаж станции возьмет на себя обслуживание автономных космических платформ, на которых будут размещаться приборы для дистанционного зондирования Земли, установки для производства материалов и препаратов, системы космической связи и другое оборудование. Возможно, к тому времени будут созданы и космические ядерные энергоустановки с термоионными преобразователями энергии мощностью до 500 кВт и больше, предназначенные для энергоснабжения автономных космических аппаратов и выполнения межорбитальных транспортных операций. Широкое распространение при проведении таких операций получат электрические ракетные двигатели.

Карт: DOS

Для развития космической индустриализации необходимо создание нового поколения высокоэффективных транспортных космических систем, многоразовых ракет-носителей, обеспечивающих доставку на околоземную орбиту больших грузов. Для обеспечения большей величины межорбитальных грузовых перевозок (1000 т в год и более) целесообразно использовать электрические теплообменные или плазменные ракетные двигатели, принципиальные схемы которых уже известны. Энергию к этим двигателям можно подводить от внешнего, неземного источника с помощью, например, хорошо сфокусированного лазерного излучения.

Космическая индустриализация

Космическая индустрия — это общий термин, который иногда используется для характеристики различных форм будущей человеческой деятельности в космическом пространстве, в том числе промышленного освоения астероидов, космического производства, космической торговли, строительства в космосе, например, строительства орбитальных станций и космических кораблей, организация похорон в космосе и создания рекламы.

Космическая индустриализация

Космическая индустриализация — производство фармакологических препаратов, новых материалов для электронной, электротехнической, радиотехнических и других отраслей. В перспективе — разработка ресурсов Луны, других планет Солнечной системы и астероидов, удаление в космос отходов вредных промышленных производств, переход к опытно-промышленному производству в космосе некоторых полупроводниковых материалов и биомедицинских препаратов с улучшенными свойствами.

Планируется использование космических аппаратов для управления потоками энергии. Расположенные на космических орбитах антенны, переизлучающие хорошо сфокусированные пучки СВЧ-излучения, обеспечат передачу энергии из удаленных районов ее производства на Земле в районы потребления. Орбитальные отражатели солнечного излучения будут использоваться для освещения отдельных районов Земли. Строительство космических солнечных электростанций для энергоснабжения Земли. Активно обсуждаются устройства прямого преобразования солнечного излучения в лазерное.  Формирование единой информационной и энергопроизводственной глобальной системы.  Новое развитие получит система орбитальных отражателей солнечного излучения. Увеличивая с их помощью световой поток либо продолжительность светлого времени суток, можно будет уже непосредственно повышать производительность сельскохозяйственных комплексов, интенсифицировать выход биомассы в специально выделенных участках Мирового океана.

В планы индустриализации космоса входит и промышленное освоение Луны. На Луне имеются запасы минерального сырья, пригодные для строительства сооружений космического энергопроизводственного комплекса и для его функционирования (кремний, кислород, алюминий, железо, никель, цирконий, вольфрам, уран, свинец, золото и другие). Причем доставка многих материалов с Луны после ее индустриального освоения обойдется намного дешевле, чем с Земли; будет исключена также опасность вредных экологических воздействий на атмосферу нашей планеты в случае резкого роста грузопотока в космос. Космическая экоиндустрия: полное удовлетворение энергетических и материальных потребностей цивилизации в условиях сбалансированного равновесия с окружающей средой, включая околоземное космическое пространство, сохранение и восстановление природных ресурсов. Суммарное потребление природных неорганических ресурсов на планете составляет в настоящее время порядка 10 миллиардов тонн в год. На их переработку расходуется 1019 Дж энергии в год, иными словами, около трети всего, что производится на Земле. Запасы неорганического сырья на Земле ограничены, и поэтому встанут задачи активного использования вслед за Луной вещества других космических тел, например, астероидов путем их транспортировки на удобные околоземные орбиты, а затем освоение планет, в первую очередь Венеры и Марса.

Космическая индустриализация

Вероятнее всего, это очень долговременный прогноз промышленного освоения космоса. Достоверность его будет зависеть от глобального развития цивилизации в целом.

Космическая индустрия в настоящее время находится в зачаточном состоянии. Для реализации подобных планов требуется длительное присутствие человека в космосе и относительно недорогой доступ в космос. Большинство из этих проектов потребует также технологических и конструкторских разработок в таких областях, как робототехника, солнечная энергетика и системы жизнеобеспечения.