Пульсар путеводный

Компания S2MARTS представила концепт навигационной системы, которая будет работать не только в приполярных областях, но и в открытом космосе. Фото с сайта www.s2marts.org

Военно-морские силы США проявили интерес к астрономическим навигационным системам, работающим на новых физических принципах. В частности, 10 апреля Главное управление ВМС США заказало компании Strategic & Spectrum Missions Advanced Resilient Trusted Systems (S2MARTS) разработку навигационной системы, которая отодвинет GPS на второй план. Как известно, новейшие средства РЭБ способны физически уничтожить спутники, а следовательно – сделать бесполезными целые платформы, оснащенные спутниковой связью на основе GPS (Satcom) и системой гарантированного местоположения, навигации и времени (A-PNT). В связи с этим американские военные заинтересовались технологиями, которые даже сейчас кажутся больше абстрактными, нежели реальными. Но обо всем по порядку.

Три веселые буквы

Глобальная система позиционирования (GPS) – наиболее распространенная навигационная система, применяющаяся как в гражданских, так и в военных целях. Однако она имеет базовый недостаток: при определенных условиях сигнал поступает со значительными искажениями или задержками. В худшем случае он может и вовсе не доходить до приемника, что в экстремальной ситуации оптимизма не добавит.

Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень сигнала от спутников напрямую зависит от физических помех: он может значительно снизиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Кроме того, GPS-приемники очень чувствительны к воздействию магнитных бурь, а также наземных радиоисточников, включая преднамеренно создаваемые средствами РЭБ. Так, к примеру, постановка помех приемникам GPS-сигналов применялась для борьбы со средствами наведения крылатых ракет во время операций США и Великобритании в Ираке, а также «Союзной силы» НАТО в Югославии. Это приводило к самоликвидации крылатых ракет, а также к отклонению от заданной траектории полета.

Еще один серьезный минус – недостаточная точность в приполярных районах Земли, вызванная невысоким наклонением орбит спутников GPS (около 55 градусов). А поскольку эти спутники пребывают в надгоризонтальной позиции, на луче зрения находится и большая воздушная масса, и возможные объекты вблизи горизонта, создающие слепые пятна. Мало того, погрешность напрямую зависит от положения видимого спутника относительно приемника и усиливается ионосферой и тропосферой Земли. И если для спутника в зените эти погрешности составляют 1 м и 2,3 м соответственно, то у надгоризонтного спутника эти величины могут достигать 100 м и 10 м соответственно.

Компания S2MARTS – крупнейший поставщик электроники для американской армии – представила концепт навигационной системы, которая будет работать не только в приполярных областях, но и в открытом космосе. При этом сигнал будет передаваться на гипервысокой частоте: рентгеновские лучи имеют гораздо более короткие длины волн, чем инфракрасное и радио. Это означает, что рентгеновская навигационная система XNAV (X-ray Navigation) может отправлять больше данных при той же мощности передачи, что и при применении радиоизлучения. Кроме того, рентгеновские лучи могут передаваться более узкими пучками, что позволяет использовать меньше энергии при передаче на большие расстояния. Это крайне важно, учитывая, что в военной сфере стабильный высокоскоростной обмен информацией играет решающую роль.

Помимо этого рентгеновские лучи могут пробить горячую плазменную оболочку, которая накапливается вследствие перехода объекта на гиперзвуковую скорость. Плазма действует как щит, прерывая радиочастотную связь с внешними объектами. А самое главное: еще никто не использовал мягкое рентгеновское излучение в качестве навигационного инструмента для военных средств. В целом же идея использования рентгеновских лучей для связи и навигации возникла более десяти лет назад. Тогда главный исследователь программы Explorer Кейт Гендро начал работу над внедрением технологий для предлагаемого формирователя изображений черной дыры, нацеленного на прямое отображение горизонта событий сверхмассивной черной дыры или точки невозврата, где ничто – вплоть до фотонов – не может преодолеть гравитацию объекта. Основная идея заключалась в том, чтобы создать группу точно выровненных космических аппаратов, которые, по сути, создали бы рентгеновский интерферометр – инструмент, используемый для измерения смещений в объектах. Кейт Гендро задумал использовать источники рентгеновского излучения в качестве маяков для обеспечения высокоточной относительной навигации. Используя финансирование исследований и разработок, он разработал MXS (Modulated X-ray Source, модулированный источник рентгеновского излучения). Затем Гендро предположил, что модулирование рентгеновских лучей делает связь с другими носителями модуляторов возможной.

Новый инструмент – хорошо забытый секстант

Как ни удивительно, здесь сработало правило: «Новое – это хорошо забытое старое». До появления радионавигации мореплаватели использовали секстант для измерения положения Солнца и Луны относительно горизонта. При ручном наведении инструмента на Солнце или Луну можно было вычислить угол возвышения светила – он отображался на специальной шкале. После этого штурман должен вручную найти две подходящие линии положения и точки их пересечения в специальном справочнике. Таким образом можно было определить положение корабля и его курс. В качестве ориентира можно было использовать и маятники при условии, если их высота заведомо известна – достаточно измерить угол между направлением на основание маяка и направлением на верхнюю часть, а затем произвести расчет с использованием данных о точном времени, когда были произведены измерения.

Сейчас в случае сбоя в системе GPS этот инструмент становится незаменимым, поэтому принцип работы секстанта заложен в проект Национального космического агентства США NICER/SEXTANT (Neutron-star Interior Composition Explorer/Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology). Его цель – исследования астрономической навигации, где система координат определяется пульсарами (разновидность нейтронных звезд), а не геодезическими параметрами Земли.

К слову, астрономические навигационные системы в военных аэрокосмических системах – далеко не новшество. Примеры: стратегический разведчик SR-71 Blackbird, крылатая ракета SM-62 Snark, малозаметные стратегические бомбардировщики B-2 Spirit, а также межконтинентальные баллистические ракеты. Астроинерциальная навигационная система SR-71 использовала астрономическое наблюдение в качестве входных данных для инерциальных навигационных вычислений, обеспечивая точность в пределах 300 футов (91,44 м). Однако проект NICER/SEXTANT расширит возможности астронавигации, что позволит применять ее не только на Земле, но и за ее пределами.

Разработки в этой области уже проводятся с 2013 года. Наиболее яркий пример – NICER – исследовательский инструмент НАСА на МКС. Он позволяет изучать нейтронные звезды с помощью хронометража мягкого рентгеновского излучения в пределах 0,2–12 кэВ. Нейтронные звезды (в первую очередь – пульсары) ценны тем, что имеют четко определенный период вращения, который в течение долгого времени остается константой. Таким образом они генерируют мощные электромагнитные сигналы с точностью, которой обладают атомные часы на GPS-спутниках. Измеряя эти радио- и рентгеновские сигналы от пульсаров, космический корабль сможет с высокой точностью и определить свое положение в пространстве, и рассчитать пройденный путь. Предсказуемость пульсаров – за что их и называют «космическими маяками» – вкупе с эффектом Доплера обеспечивает высокоточную синхронизацию. Таким образом, космический аппарат будет полностью автономен – он ориентируется на космические маяки и таймеры, а не на данные с Земли.

Конечная цель разработок S2MARTS на базе NICER/SEXTANT – создание прототипа оборудования, которое будет интегрировано в кампанию гиперзвуковых летных испытаний. Новая система обеспечит независимое от GPS определение местоположения посредством наблюдения за неземными естественными и искусственными объектами. Но, как всегда, подобные радужные картины традиционно омрачаются присутствием ближайших конкурентов – России и Китая.

Американское издание Foreign Policy высказало предположение, что президенту США Джозефу Байдену следует избегать «подозрительных международных договоров по космосу», чтобы не попасть в «ловушку России и Китая». В публикации сообщается, что Россия и Китай ведут разработку как наземных, так и космических систем для борьбы со спутниками. В то же время обе страны склоняют США к заключению соглашения о запрете подобного вооружения, чтобы «защищать уже размещенное на орбите оружие и одновременно пытаться связать руки Вашингтону».

Не ходите, мистер Байден, в Африку гулять

Россия и Китай постепенно включают новых участников в Договор о неразмещении первыми оружия в космосе. Как ни парадоксально, большинство участников, подписавших соглашение, – некосмические страны. Но именно внушительное количество подписей сыграет положительную роль при рассмотрении в ООН вопросов, связанных с безопасностью космического пространства. Как известно, Договор по космосу 1967 года запрещает размещать в космическом пространстве любые виды оружия массового уничтожения (ОМУ), но не затрагивает другие виды вооружений. В российском МИДе опасаются, что не подпадающее под категорию ОМУ оружие «теоретически может появиться в космосе и стать оружием реального применения с глобальной зоной охвата, возможностью внезапного и скрытного использования». В связи с этим Россия более десяти лет предлагает принять на уровне ООН меры по предотвращению гонки вооружений в космосе. Документ также затрагивает и ядерные испытания – как на земной орбите, так и за ее пределами. А поскольку у США есть дурная привычка в одностороннем порядке выходить из невыгодных договоров, стремление России и КНР обеспечить подстраховку неудивительно.

«Китай в 2021 году продолжит продвигать сотрудничество с Россией в области космонавтики по широкому перечню направлений. Мы также стремимся объединить усилия со всеми заинтересованными сторонами для поддержания мира и безопасности в космическом пространстве», – сообщил официальный представитель МИД КНР Чжао Лицзянь.

Ранее Роскосмос и CNSA подписали программу сотрудничества в области космоса на 2018–2022 годы, в которую входит изучение Луны и дальнего космоса. Разумеется, для Вашингтона это как удар ножом в сердце. А учитывая, что роль глобального гегемона не хочется отдавать без боя, самый лучший способ прикрыть уязвленное самолюбие – обвинять оппонентов в «агрессивных действиях», чем, собственно, и озабочено руководство США. Тем более что нагнетание негатива вокруг «подозрительных» соглашений стимулирует расходы на военные нужды США. Вот только значительная часть выделенных средств улетает в трубу, о чем свидетельствуют отчеты Пентагона и Департамента казначейства США. Но это уже совершенно другая история.