2 курс / 2 семестр / Методы дистанционных исследований / Шалькевич Курс лекций

ния внешних условий и прохождения над определенными географическими районами Земли, кратное периоду обращения. ИСЗ в зависимости от их назначения подразделяются на исследова-

тельские è технические.

Ê исследовательским ИСЗ относятся: ресурсные, метеорологические, геодезические, астрономические и геофизические. К техническим относятся спутники связи и навигации.

Ресурсные ИСЗ предназначены для изучения природных ресурсов Земли. Ресурсные спутники, используемые для изучения природных ресурсов, в зависимости от оснащенности аппаратурой для съемок подразделяются на ИСЗ, оснащенные оптической аппаратурой дистанционного зондирования (американский Landsat, французский Spot, индийский IRS, японский Adeos, бразильский Mecb, китайский Cbers и российский «Ресурс-0»), и ИСЗ, оснащенные радиолокационными системами (европейские космические системы Ers и Envisat, японский спутник Jers-1, канадский Radarsat, российский спутник «Алмаз» и российский модуль «Природа»).

Различают три основных типа оптических датчиков дистанционного зондирования Земли: телевизионные камеры, оптиче- ские камеры с механическим сканированием, оптико-электрон- ные камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Телевизионные камеры работают в том же диапазоне (0,4—0,9 мкм), что и фотографические, и используются для получения изображений со средним разрешением. Съемочные оптические камеры с механи- ческим сканированием по сравнению с телевизионными имеют более широкий спектральный диапазон съемки: от ультрафиолетового до теплового инфракрасного (0,3—14 мкм). В оптико-элек- тронных камерах на приборах с зарядовой связью элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника. Срочная развертка изображения проводится путем последовательного электронного включения детекторов.

Ресурсные спутники, оснащенные радиолокационной аппаратурой, имеют ряд преимуществ над спутниками, оснащенными оптической аппаратурой, которые заключаются в возможности проведения съемки при любой освещенности и погодных условиях. Кроме того, с использованием радиолокационных станций бо-

22

кового обзора (РЛС БО) можно получить изображения не только земной поверхности, но и объектов, находящихся на определенной глубине.

Ресурсные ИСЗ, предназначенные для изучения глобальных изменений окружающей среды, созданы по программе США EOS. В рамках программы EOS до 2014 г. будет осуществлен запуск 21 ИСЗ, с помощью которых будут осуществляться всесторонние исследования атмосферы, океанов, криосферы, биосферы и поверхности суши, а также будет выполнен ряд экспериментов, связанных с изучением особенностей энергетического баланса планеты, глобального водооборота и биогеохимического цикла. При этом в ходе программы будут фиксироваться происходящие глобальные изменения, выявляться ключевые процессы, регулирующие состояние окружающей природной среды, а также совершенствоваться модели, позволяющие изучать и прогнозировать эти изменения.

Работы по программе ЕОS осуществляются по трем основным направлениям: развитие научных отраслей, связанных с изучением протекающих на планете глобальных, естественных и антропогенных процессов; создание глобальной информационной системы; а также последовательный вывод на орбиту космических аппаратов серии ЕОS. Обработку и архивирование поступающей информации, поступающей со спутников серии ЕОS, будут проводить 8 научно-исследовательских центров.

Метеорологические спутники в зависимости от вида их орбит можно разделить на две группы: ИСЗ, выведенные на низкие приполярные орбиты, и ИСЗ, работающие на геостационарных орбитах. Метеорологические системы с космическими аппаратами на низких приполярных орбитах обеспечивают решение следующих задач:

мониторинг облачного покрова Земли и других погодных явлений в видимом и инфракрасном диапазонах спектра;

измерение вертикального профиля температуры атмосферы, характеристики приповерхностного ветра и температуры поверхности моря;

заблаговременное предупреждение об опасных явлениях природы;

получение информации о состоянии околоземного косми- ческого пространства;

сбор информации с платформ геофизического мониторинга окружающей среды;

23

прием и ретрансляция сигналов бедствия в рамках системы поиска и спасения, а также определение местоположения источ- ников этих сигналов.

Метеоинформация поступает из трех ярусов. Первый ярус — долговременные орбитальные станции — визуальное наблюдение за приливами, обвалами, пыльными и песчаными бурями, цунами, ураганами. Второй — автоматические спутники типа «Метеор», NOAA — поставляет информацию для прогнозирования погоды в глобальном и локальном масштабах, а также ведутся наблюдения за среднемасштабными и локальными процессами в атмосфере. Третий — спутники с геостационарной орбитой для непрерывного наблюдения за глобальными динамическими процессами в атмосфере Земли.

К первой группе относятся спутники метеорологической системы NОАА (США), российской метеорологической спутниковой системы «МЕТЕОР» и китайский спутник серии FY-1.

Ко второй группе относятся спутники, выведенные на высокие геостационарные орбиты. Геостационарными метеорологи- ческими спутниками обладают США (система Geos), Европейское космическое агентство (система Meteostat), Россия (ИСЗ «Электро»), Индия (система Insat) и Япония (система GMS).

Геостационарная система Geos базируется на двух геостационарных космических аппаратах типа Geos и обеспечивает получе- ние оперативной информации о состоянии погоды, заблаговременное выявление опасных природных явлений, типа ураганов и сильных штормов, сбор и ретрансляцию в наземный центр, обработку данных с наземных, морских и воздушных платформ мониторинга окружающей среды, а также получение информации о состоянии околоземного космического пространства.

Геодезические ИСЗ предназначены для построения геодези- ческих сетей — пространственной триангуляции, для определения фигуры Земли и изучения ее строения. Для этих целей используются американские ИСЗ серии Geos.

Астрономические ИСЗ позволяют изучать другие планеты и избежать при этом влияния атмосферы, т. е. исследования можно проводить в более широком диапазоне спектра, чем с Земли.

В США разработан ряд астрономических спутников. Это в первую очередь Орбитальная астрономическая лаборатория (ОАО), при помощи которой проводились исследования в ультрафиолетовом диапазоне Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и Урана. Спутник SAS предназначен для исследования космического

24

пространства в рентгеновском и гамма-диапазонах спектра. Кроме того, 2 декабря 1995 г. Европейским космическим агентством (ЕКА) и американским Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) была запущена орбитальная солнечная лаборатория «Сохо», предназна- ченная для изучения солнечно-земных связей и процессов, происходящих в гелиосфере.

Геофизические спутники применяются для изучения верхних слоев атмосферы и ближайшего к Земле космического пространства. К ним относятся ИСЗ серии «Космос».

Спутники связи относят к техническим и обеспечивают ретрансляцию радиосигналов между наземными станциями, расположенными на большом расстоянии друг от друга. В России для этих целей используются спутники серии «Орбита», «Экран», «Горизонт». В США для обеспечения коммуникационной связи используются спутники серии Intelsat, которые обеспечивают связь с 73 наземными станциями в 55 странах и позволяют обслуживать до 30 000 каналов телефонной связи. Для телевизионного вещания НАСА был разработан специальный спутник ATS, в число задач которого входит ретрансляция телепрограмм, а также решения метео- и навигационных задач.

Навигационные спутники предназначены для определения положения кораблей и самолетов относительно навигационного ИСЗ в нескольких точках орбиты. Для этих целей используются американские спутники серии «Транзит» и «Секор».

Космические аппараты для полетов к Луне. Для изучения поверхности Луны использовались советские автоматические межпланетные станции (АМС) «Зонд» и автоматические лунные станции серии «Луна».

АМС «Зонд» использовались для отработки техники полета к Луне и возвращения на Землю, а также фотографирования лунной поверхности. Впервые фотографирование обратной стороны Луны было выполнено АМС «Зонд-5», а при возвращении на Землю 21 сентября 1968 г. было проведено фотографирование Земли с расстояния 90 000 км. АМС «Зонд-6—8» выполняли фотосъемку поверхности Луны с окололунных орбит с расстояния около 3000 км, с целью картографирования в первую очередь невидимой стороны Луны.

Автоматическая лунная станция «Луна» предназначалась для взятия проб лунного грунта и его доставки на Землю, а также доставки на лунную поверхность подвижной лаборатории «Луноход».

25

Американцами для исследования Луны использовались МАС Surveyor и пилотируемые космические корабли серии Apollo. 20 июля 1969 г. завершилась 10-летняя американская программа подготовки высадки человека на Луну. 19 июля 1969 г. к Луне был запущен пилотируемый космический корабль Apollo-11 с астронавтами на борту. После четырехсуточного полета космиче- ский корабль с командиром экспедиции Нилом Армстронгом, пилотом командного отсека Майклом Коллинзом и пилотом лунного отсека Эдвином Олдрином произвел посадку на лунную поверхность. Спустя 6 часов после посадки первым на лунную поверхность ступил Нил Армстронг и произнес следующие слова: «Этот маленький шаг одного человека — огромный прыжок для всего человечества». Основная задача первой экспедиции заключалась в доставке и установке на лунной поверхности различных приборов и отбор лунного грунта (22 кг).

Всего в период с 19 июля 1969 г. по 7 декабря 1972 г. на Луну было осуществлено 7 экспедиций, шесть из которых завершились успешно. В результате было выполнено фотографирование лунной поверхности, проведено изучение геологического строения лунной поверхности и установлено высокое содержание в лунном грунте изотопа гелия-3, который может использоваться в качестве топлива для экологически чистых термоядерных электростанций.

В 1998 г. в США запущена МАС «Лунар-проспектор» для съемки и изучения лунной поверхности.

Космические аппараты для полетов к планетам Солнечной

системы. Космические аппараты данного типа классифицируют по планетам, особенности которых существенно влияют на построение КА, особенно на КА, совершающие посадку на планету. Эти аппараты имеют существенно большие по сравнению с лунными удаления от Земли и продолжительность полета.

Для исследования планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс) использовались советские межпланетные автоматические станции «Вега», «Венера» и «Марс» и американские «Mariner», «Викинг» и «Марс — Патфайндер».

Наибольший интерес у ученых вызывает изучение планеты Марс с точки зрения наличия на ней жизни. Всего в СССР к Марсу было осуществлено 18 экспедиций, 10 из которых были неудачными, 7 выполнили задачу лишь частично и одна была очень успешной. В США было осуществлено 11 экспедиций, три из которых были неудачными. Самым продуктивным оказался последний запуск МАС «Марс — Патфайндер», который стартовал в де-

26

кабре 1996 г. и примарсился в день независимости США 4 июля 1997 г. На марсианскую поверхность был доставлен марсоход весом 20 кг, с помощью которого проводилась съемка поверхности

èхимический анализ грунта.

Âсоответствии с американской программой НАСА планируется в 2005 г. доставить на Землю марсианский грунт, а в 2012 г. осуществить первый пилотируемый полет на Марс.

Для исследования планет юпитерской группы использовались американские МАС «Пионер» и «Кассини».

Â1996 г. специалистами НАСА впервые был запущен зонд «Shoemaker» для изучения астероидов, который успешно вывели на орбиту, а затем и осуществили посадку на поверхность астероида Эрос.

Космические аппараты для полетов с выходом за пределы Солнечной системы. В настоящее время только один аппарат преодолел пространство Солнечной системы, покинул ее пределы. Таким аппаратом является американская МАС Pioner 10, которая была запущена 2 марта 1972 г. для исследования межпланетной среды, астероидного пояса и свойств атмосферы Юпитера.

Выполнив программу исследований, МАС Pioner 10 в 1999 г. покинула пределы Солнечной системы. На случай попадания МАС на планетную систему другой звезды и обнаружения ее внеземной цивилизации, создатели МАС Pioner 10 поместили на ней пластинку из алюминия, анодированного золотом, размером

15 23 см с символическим рисунком, который сообщает о цивилизации на Земле.

3.2.2. Пилотируемые космические аппараты

Пилотируемые космические корабли. Пилотируемый косми- ческий корабль — это космический аппарат, предназначенный для полета людей и имеющий все необходимые средства для работы при выведении на орбиту, выполнения задач полета в космосе и возвращения экипажа на Землю.

Полеты пилотируемых космических кораблей в зависимости от назначения полета подразделяются на следующие виды.

Полеты одиночных кораблей (автономные полеты) по орбитам ИСЗ начинали освоение космического пространства. Для таких полетов были специально разработаны космические корабли: советский «Восток» и американский «Меркурий». Для автономных полетов иногда использовались КК, созданные для других целей. Например, при полете КК «Ñîþç-22» (1976 г.) проводилось

27

фотографирование территории Советского Союза в народнохозяйственных целях.

Экспериментальные орбитальные полеты имеют целью проведение технических экспериментов. Например, на КК «Восход»

è«Джемини» отрабатывались средства выхода человека в косми- ческое пространство (1965 г.), а при полете КК «Союз-4» и «Со- юз-5» (1969 г.) была выполнена их стыковка и переход двух космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.

Полеты кораблей многоразового использования. Предназначе- ны для многократных космических полетов экипажей и доставки аппаратуры на орбитальные станции в исследовательских целях. Орбитальный корабль (ОК) многоразового использования, представляющий собой гиперзвуковой летательный аппарат с дельтовидным крылом, является носителем полезного груза со средствами его развертывания и обслуживания на орбите и обеспечивает необходимые условия для жизнедеятельности и работы экипажа до 10 человек. По своей массе и габаритным характеристикам ОК сравним с современными транспортными самолетами.

Первые испытания американского КК многоразового использования начались ровно через 20 лет после полета в космос Гагарина. В серию КК «Спейс Шаттл» (космический челнок) вошли четыре однотипных корабля с именами в честь знаменитых исследовательских судов: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери» и «Атлантис». Общая длина КК 40 м, грузоподъемность 30 т.

ÂСоветском Союзе единственный испытательный полет в беспилотном режиме КК многоразового использования серии «Буран» состоялся 15 мая 1987 г. Длина КК 36,4 м, размах крыльев 24 м, грузоподъемность до 30 т.

Транспортные полеты пилотируемых КК к долговременным орбитальным станциям предназначены для доставки на борт станций экипажа и его возвращения на Землю, а также транспортирования груза. К таким полетам относятся: полеты КК «Союз»

è«Прогресс» к орбитальным станциям «Салют» и «Мир», транспортного корабля КК «Аполлон» к станции «Скайлэб» и КК «Прогресс» и кораблей многоразового использования к орбитальной станции «Альфа».

Дальние полеты КК проводились по американской программе «Аполлон», в ходе которой была осуществлена первая посадка на Луну пилотируемого КА. В Советском Союзе в качестве пилотируемого КА для полетов на Луну планировалось использовать МАС «Зонд», однако эта программа не была осуществлена.

28

Космические корабли-спасатели предназначены для спасения экипажей, терпящих бедствие, пилотируемых КК и орбитальных станций. Например, в задачи совместной программы «Союз» — «Аполлон» входила разработка и проверка в полете экспериментальных совместных средств сближения и стыковки, необходимых не только для совместных полетов, но и для операции по спасению.

Полеты пилотируемых кораблей для ремонта и сборки на

орбите больших конструкций. Примером может служить доставка на орбиту отдельных модулей и их сборка для строительства международной орбитальной станции «Альфа», а также осуществления будущих программ по строительству на орбите электростанций, обсерваторий, антенн и др.

Пилотируемые орбитальные станции. Они служат для проведения исследований и экспериментов, освоения длительных полетов человека в условиях невесомости, отработки технических средств космической техники для ее совершенствования на околоземных орбитах. Станция состоит из пяти отсеков (рабочего, переходного, промежуточной камеры, отсека научной аппаратуры и негерметичного агрегатного отсека).

По времени нахождения на орбите экипажа станции подразделяются на обитаемые и посещаемые. Экипаж на станции необходим для выполнения наблюдений, проведения научных исследований, управления работой аппаратуры, для прикладных и экономических задач, технических экспериментов, монтажно-де- монтажных работ, освоения длительных полетов в условиях невесомости и т. д.

По способу создания конструкции на орбите станции могут быть моноблочными, многоблочными (модульными) и сборными. К моноблочным станциям относятся советская станция «Салют», советско-российская «Мир» и американская «Скайлэб» с численностью экипажа до 4 человек. К многоблочным станциям относятся Международная орбитальная станция «Альфа», создание которой начато в июне 1998 г. Она будет состоять из служебного и трех научных модулей, а также трех кораблей-эвакуаторов. Одним из модулей будет американский модуль под названием «Сад на орбите» объемом 1200 м3. Основное его предназначение — обеспечение космонавтов овощами. Одновременно на станции смогут находиться до 13 членов экипажа.

По профилю решаемых задач станции могут быть универсальными и специализированными.

29

В зависимости от задач, решаемых орбитальной станцией, и способов их решения могут использоваться различные средства, в том числе отдельные КА.

Для доставки экипажа на станцию и возвращения его на Землю используются пилотируемые КК.

Для материально-технического снабжения используются грузовые корабли «Прогресс» или транспортные, способные доставлять груз с экипажем — «Союз Т» и корабли многоразового использования.

Результаты работ и небольшие грузы доставляются на Землю вместе с экипажем на КК.

Для перемещения грузов с орбиты на орбиту применяются специально созданные буксиры.

3.2.3.Перспективные космические аппараты

Âнастоящее время в различных странах продолжаются работы по созданию новых перспективных летательных аппаратов. Рассматриваются возможности развертывания системы малых спутников, совмещающих функции обеспечения радиосвязи и зондирования.

ÂРоссии подходит к завершению разработка космического комплекса «Ресурс-ДК». Он предназначен для многозонального дистанционного зондирования земной поверхности с целью полу- чения в масштабе времени, близкому к реальному, высокоинформативных изображений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра с обеспечением оперативной доставки информации по радиоканалу и последующим представлением ее широкому кругу потребителей. Срок существования КА не менее трех лет. Полоса обзора КА — от 780 до 1040 км, полоса захвата съемкой — от 48,5 до 78 км. Разрешение на местности — от 1,8 до 3 м. Существенной особенностью данного КА является то, что при съемке в полосе обзора можно осуществлять перенацеливание съемочной аппаратуры. Съемка одного и того же участка местности со смежных орбит позволяет получать стереоскопическую модель местности.

К перспективным средствам доставки полезных грузов, а также средств дистанционного зондирования на околоземную орбиту следует отнести российский проект многоцелевой авиационнокосмической системы (МАКС). Идея создания этой системы зародилась в связи со сложностью строительства и эксплуатации ста-

30

ционарных стартовых комплексов. С помощью данной системы появилась возможность доставки космического аппарата для запуска в любой заданный удаленный регион, например на акваторию океана, пустыню и т. д.

МАКС состоит из самолета-носителя АН-225 (Мрия) и установленного на нем орбитального самолета (в пилотируемом или беспилотном варианте) или грузового контейнера с внешним топливным баком. Бак заправляется криогенными компонентами топлива. МАКС базируется на обычных аэродромах первого класса. Основные элементы данной системы выполняются в многоразовом исполнении, кроме внешнего топливного бака и блока выведения.

МАКС предназначен для решения следующих задач:

выведения на околоземную орбиту и возврат с орбиты полезных грузов;

транспортно-технического обеспечения космических объектов различного назначения;

проведения на орбите аварийно-спасательных работ;

решения на орбите научно-технических и технологических задач;

осуществления экологического контроля;

дистанционного зондирования с целью изучения природных ресурсов Земли.

В Европейском космическом агентстве подходит к завершению проектирование космического корабля многоразового использования под названием «Гермес». В Германии разрабатывается орбитальный самолет «Зенгер». В Великобритании разрабатывается техническая идея самолета «Хотол», который не нуждается в ракете-носителе, а разгоняется с помощью собственного двигателя, использующего кислород воздуха, для этого на борту будет установка по снижению воздуха с последующим отделением жидкого кислорода.

3.3. Орбиты космических летательных аппаратов

Космические летательные аппараты движутся вокруг Земли по определенным орбитам. В отличие от самолета они имеют ограниченные возможности маневрирования. Для математического описания движения КЛА служат определенные элементы орбит. При характеристике эллиптических орбит используют шесть основных элементов: — долгота восходящего узла, i — наклоне-

31