3.2.2.2 Радиолокационные системы

3.2.2.2 Радиолокационные системы

В отличие от систем пассивного радиопрослушивания, регистрирующих собственные излучения объектов, активные системы сами генерируют облучающий пучок электромагнитных волн, и, принимая отраженные волны, способны фиксировать объекты, соблюдающие радиомолчание. Поскольку отраженный сигнал содержит информацию как о расстоянии до объекта (запаздывание) так и о его относительной скорости (доплеровский сдвиг частоты), обработка радиолокационного сигнала позволяет восстановить изображение местности, хотя и не в видимом, а в радиодиапазоне. Таким образом, с точки зрения заказчика отображающие локаторы ближе к системам оптической разведки.

При этом важно, что радиолокационные системы позволяют получать изображения независимо от условий освещенности и наличия облачности, являющейся главной помехой для оптической съемки.

Однако для получения изображений той же детальности, что и оптическая система, радиолокатор должен был бы иметь антенну, во столько раз превосходящую по размеру объектив оптической системы, во сколько длина используемых радиоволн больше длины волны видимого света. При использовании дециметрового диапазона разница составляет 5 порядков и эквивалентом 10-сантиметровой линзы была бы 10-километровая антенна. Создания реальной антенны таких размеров можно избежать благодаря тому, что используемые при локации электромагнитные волны когерентны. Это позволяет синтезировать во времени искусственную апертуру из последовательных положений одной движущейся по орбите физической антенны и при технически мыслимых размерах антенн приблизить отображающие радары по разрешающей способности к оптическим системам.

Другой критической для космической радиолокации проблемой является энергоснабжение, поскольку потребляемая мощность излучателя пропорциональна четвертой степени рабочей дальности и для питания орбитального радара требуются чрезвычайно большие солнечные батареи, вызывающие значительное аэродинамическое торможение. Потребляемая мощность может быть снижена за счет уменьшения высоты рабочей орбиты, но при этом атмосферное торможение возрастает из-за увеличения плотности среды.

В СССР компромисс был найден на пути использования ядерных энергоустановок. Запуски радиолокационных спутников с ядерными реакторами начались в декабре 1967 г. Они выводились с Байконура ракетами F-1 на круговые орбиты высотой 250—260 км с наклонением 65 градусов. Такая высота обеспечивала достаточную чувствительность локатора, но малое время орбитального существования, поэтому во избежание быстрого падения реактора на Землю спутники по завершении активного существования переводились на орбиту захоронения высотой около 1000 км, где отработавший реактор должен просуществовать от 300 до 600 лет[14].

Отработка космических ядерных энергоустановок, очевидно, сопровождалась значительными техническими проблемами, вынуждавшими в целях безопасности уводить реакторы на высокую орбиту всего через несколько дней после запуска (см. табл. 2.6).

Начиная с 1974 г. спутники стали летать попарно, что могло быть истолковано, как переход к ограниченной эксплуатации. Пары радиолокационных спутников выводились на компланарные орбиты и угловое расстояние между ними в плоскости подбиралось так, чтобы просматриваемые обоими на каждом витке полосы прилегали друг к другу. Кроме того, оба спутника двигались вдоль общей наземной трассы, проходя над одними и теми же точками через два или три дня друг после друга. Высоты орбит в течение всего периода активного существования поддерживались бортовыми двигателями в пределах, обеспечивающих точное воспроизведение наземной трассы через каждые 111 витков по прошествии 7 суток [26].

В 1974 г. директор Военно-морской разведки США объявил, что данная система предназначена для слежения за перемещениями ВМС США и их союзников [27]. Не говоря о разведывательных данных, с технической точки зрения такое утверждение могло быть обосновано оценкой разрешающей способности орбитального локатора, которая могла быть произведена по характеристикам его облучающих импульсов. Согласно [28], такие спутники, получившие сокращенное обозначение RORSAT (от Radar Ocean Reconnaissance Satellite – спутник радиолокационной океанской разведки), способны фиксировать корабли класса эсминцев при отсутствии волнения, и класса авианосцев в бурном море.

Кроме того, стальные, хорошо отражающие радиоволны суда на ровной океанской поверхности естественно представляются первым объектом наблюдения при создании систем радиолокационного слежения. ВМС США в конце 60-х гг. сами начинали проработки радиолокационной системы «Clipper Bow» для наблюдения за советским флотом, но из-за высокой стоимости проекта предпочли систему пассивных радиоинтерферометрических измерений «White Сlоud». Для СССР задача слежения за флотами соперника представлялась гораздо более важной, чем для США и НАТО и не удивительно, что в Советском Союзе для морской радиотехнической разведки были использованы оба подхода[15].

Пассивные спутники, предназначавшиеся для определения местоположения западных боевых кораблей по их собственному радиоизлучению, начали запускаться в декабре 1974 г. Как и «Рорсаты», эти новые спутники, окрещенные на Западе «EORSAT» (от Electronic Ocean Reconnaissance Satellite – спутник электронной океанской разведки), запускались с Байконура носителями F-1-m на орбиты с наклонением 65 градусов. Использование пассивной методики позволило поднять их рабочие орбиты до высоты 430 на 445 километров, значительно снизив тем самым сопротивление атмосферы и расширив полосу обзора. Подобно «Рорсатам», высоты апогея и перигея поддерживались в очень узких пределах, отклоняясь от номинальных значений не более чем на 3 километра, что обеспечивало точное повторение наземной трассы через 61 виток по прошествии каждых 4 суток. Для этого корректирующие включения двигателей малой тяги проводились каждые 2—3 дня[16]. Кратные орбиты используются практически во всех системах космического наблюдения, но из всех советских систем только «Рорсаты» и «Эорсаты» поддерживают свою трассу с такой точностью.

Отсутствие на борту ядерных энергоустановок избавляет от необходимости захоронения «Эорсатов» на высоких орбитах, однако по завершении активного функционирования они все же выполняют маневр ухода с рабочей орбиты, несколько меняя ее высоту, после чего переходят в режим естественного снижения.

До 1987г. в процессе этого снижения большинство спутников взрывалось, зачастую спустя несколько месяцев, причем в ряде случаев отмечалось несколько взрывов через значительные промежутки времени. Возможно, это происходит спонтанно, в результате постепенного разрушения двигательной установки и соединения невыработанных остатков топлива.

Подтверждение того, что задачи обеих систем взаимосвязаны, последовало после шумного инцидента с «Рорсатом» «Космос-954».

В конце октября 1977 г. «Космос-954» прекратил регулярные коррекции орбиты, но перевести его на орбиту захоронения не удалось. По последующим сообщениям ТАСС, 6 января 1978 г. спутник внезапно разгерметизировался, из-за чего бортовые системы вышли из строя [29]. Неуправляемое снижение аппарата под действием верхних слоев атмосферы завершилось 24 января 1978 г. сходом с орбиты и падением радиоактивных обломков па севере Канады.

Помимо международного скандала, авария повлекла за собой длительное прекращение полетов «Рорсатов» для усовершенствования конструкции. Запуски же «Эорсатов» в это время участились и с апреля 1979 г. они тоже стали летать парами. Эти пары тоже сначала были компланарными, но спутники размещались в плоскости со сдвигом на четверть или на половину оборота, что обеспечивало движение вдоль общей трассы с интервалом в 1 или 2 дня. При смещении на половину оборота последовательные витки каждого аппарата пролегали в точности посередине между витками предыдущего, давая наиболее равномерное покрытие, использование же в ряде случаев смещения на четверть оборота позволяло предположить, что полное развертывание операционной системы могло предусматривать размещение четырех спутников одновременно.

Достигнутая длительность активного существования не позволяла, однако, этого добиться, и когда в 1980 г. возобновились запуски «Рорсатов»[17], две системы стали использоваться совместно.

Первый после перерыва «Космос-1176» был выведен в плоскость, отстоявшую на 146 градусов от плоскости орбиты единственного на тот момент «Эорсата». Из-за различия высот скорости прецессии орбит несколько различались, и угол постепенно увеличивался, но скорость его изменения была достаточно мала – 1 градус за 3 суток, – чтобы конфигурация не сильно изменилась на протяжении совместного функционирования. Во всех последующих случаях, когда «Рорсат» запускался в момент наличия на орбите только одного работающего «Эорсата», начальное угловое расстояние между восходящими узлами их орбит подбиралось в пределах 142—146 градусов.

До падения «Космоса-954» продолжительность работы «Рорсатов» не превышала полутора-двух месяцев. «Космос-1176» почти удвоил прежний рекорд, проработав 134 дня. Однако в 1981 г. два «Рорсата» пришлось увести на безопасные орбиты всего через 8 и 13 суток после запуска, что свидетельствовало о продолжении неполадок. Средняя долговечность пассивных «Эорсатов» к этому времени достигла уже почти 6 месяцев, а «Космос-1167» функционировал более года. Ограниченность времени функционирования «Рорсатов» заставляла, видимо, синхронизировать их запуски с ожидаемыми периодами повышения военно-морской активности, и эти полеты, как правило, кореллируют с проведением крупных учений ВМФ США и НАТО, а также собственного флота СССР.

Парные полеты «Рорсатов» удалось возобновить только к середине 1982 г., но через полгода после этого произошел еще один инцидент. 28 декабря 1982 г. работавший с 30 августа «Космос-1402» не удалось перевести на орбиту захоронений и он начал неконтролируемое снижение. Конструктивные доработки после предыдущей аварии позволили отделить активную зону от термостойкого корпуса реактора и предотвратить компактное падение обломков. Активная зона вошла в атмосферу 7 февраля 1983 г. и радиоактивные продукты деления рассеялись над Южной Атлантикой.

Авария «Космоса-1402» заставила прервать запуски «Рорсатов» еще на полтора года, парные же полеты возобновились только во второй половине 1985 г. К этому времени «Эорсаты» уже достигли почти непрерывного нахождения на орбите двух спутников одновременно, и в некоторые моменты на орбите оказывалось сразу три компланарных «Эорсата», отстоящих друг от друга на 90 градусов. Однако полностью укомплектовать орбитальную плоскость ни разу не удавалось и, видимо, по этой причине в 1986 г. «Космос-1735» опробовал новую рабочую орбиту с трехсуточной кратностью. Ее высота составляла 405 на 417 километров, и снижение периода обращения с 93,3 до 92.7 минуты обеспечивало воспроизведение наземной трассы через 46 витков вместо 61.

Месяц спустя «Космос-1737» был выведен на орбиту с наклонением 73,4 градуса – самым высоким из когда-либо использовавшихся при запусках с Байконура. Высота ее была подобрана так, чтобы тоже обеспечивать 3-суточную 46-витковую кратность. На этой орбите, улучшавшей условия наблюдения приполярных районов. «Космос-1737» проработал 8 месяцев. После этого он неожиданно исчез, что могло означать лишь преднамеренное сведение его с орбиты. Хотя после этого все «Эорсаты» стали по завершении работы уводиться с рабочей орбиты тормозным импульсом, а не постепенным разгоном, как раньше, «Космос-1737» до сих нор остается единственным «Эорсатом», заторможенным до немедленного входа в атмосферу.

В 1987 г. экспериментирование распространилось и на «Рорсаты». Так, «Космос-1900» был выведен на несколько более высокую, чем стандартная, орбиту с перигеем 255 и апогеем 270 километров, обеспечивающую повторение наземной трассы не через 7, а через 6 суток после 95 оборотов.

Более примечательно, что в 1987 г. были запущены два спутника, оборудованные новыми ядерными энергоустановками. В отличие от предыдущих «Рорсатов» «Космос-1818» и«Космос-1867» сразу выводились на орбиту высотой около 800 км. Как было объявлено впоследствии, каждый из них имел длину 10 метров, диаметр 1,3 м и массу 3800 кг. 1250 кг приходилось на термоионный[18] ядерный реактор «Топаз», заряженный 31,1 кг 90-процентного урана-235 [30].

Хотя обеспечение радиационной безопасности при испытаниях нового реактора могло бы быть достаточно веским основанием для проведения их на более высокой орбите, использование «Космосом-1818» и «Космосом-1867» кратной орбиты с повторением трассы через 6 суток и 99 витков, говорит о том, что их деятельность не ограничивалась испытанием энергоустановки. Кроме того, спутники были выведены в одну орбитальную плоскость на расстояние 120 градусов друг от друга, т е. следовали бы вдоль общей трассы с интервалом в двое суток. Проведению совместных наблюдений, однако, помешал выход «Космоса-1818» из строя вскоре после прибытия «Космоса-1867».

Одним из мотивов перехода на более высокие орбиты могли стать испытания в США противоспутниковой системы самолетного базирования, главной целью которой открыто объявлялись советские спутники морской разведки. (Хотя космическое наблюдение считается стабилизирующим фактором, руководство ВМФ США полагает, что данные советские системы способны вести также прямое целеуказание для противокорабельных средств в реальном масштабе времени.)

«Топазы», обладавшие кпд теплоэлектрического преобразования 5—10% против 2—4% у прежних реакторов, могли сулить частичную компенсацию потери радиолокационного разрешения при переходе на более высокие орбиты. Кроме того, они обладали значительно большей долговечностью. «Космос-1818» проработал на орбите 6 месяцев, «Космос-1867» – год, и ожидалось, что в дальнейшем ресурс орбитальных реакторов будет доведен до 3—5 лет [31]. Однако продолжение программы оказалось под вопросом из-за очередного инцидента с низкоорбитальным реактором.

В апреле 1988 г. была утеряна связь с упоминавшимся выше «Космосом-1900», выведенным на орбиту в декабре 1987 г. В течение пяти месяцев спутник неконтролируемо снижался, и наземные службы не могли дать команду ни на увод реактора на высокую орбиту, ни на отделение активной зоны для более безопасного ее схода с орбиты. К счастью, за пять суток до ожидавшегося входа в атмосферу, 30 сентября 1988 г. сработала система автоматического увода реактора, включившаяся ввиду исчерпания запаса топлива в системе ориентации спутника [32].

Хотя само по себе происшествие не нанесло материального ущерба, его наложение на предшествовавшие катастрофы «Челленджера» и Чернобыльской АЭС привело к беспрецедентным протестам против использования ядерных энергоустановок в космосе. Это обстоятельство стало дополнительным фактором, повлиявшим па прекращение полетов «Рорсатов» в 1988 г.

Основной причиной отказа от космических локаторов с ядерным энергопитанием стали, надо полагать, не призывы мировой общественности и уж тем более, не создаваемые реакторами помехи для гамма-астрономии, а низкие эксплуатационные характеристики.

Видимо не случайно после прекращения пусков «Рорсатов» в 1989 г. количество «Эорсатов» стало увеличиваться. С апреля 1987 г. испытанная впервые «Космосом-1735» 3-суточная орбита с 46-витковой периодичностью стала стандартной и одновременно функционирующие спутники стали располагаться в ней через 120 градусов, что обеспечивало их поочередное прохождение одних и тех же участков наземной трассы через сутки друг после друга. В 1989 г. после полного укомплектования этой плоскости тремя спутниками началось неожиданное заполнение второй плоскости, отстоящей на 172 градуса от первой. Поскольку за время оборота наземная трасса смещается на 23,48 градуса, такое угловое расстояние обеспечивает движение всех спутников вдоль одной и той же трассы, причем спутники из второй плоскости опережают соответствующие спутники из первой ровно на 8 витков.

В конце 1989 г. в обеих орбитальных плоскостях работало по 2 спутника. К концу 1990 г. количество одновременно функционирующих «Эорсатов» возросло до 5. Однако, до теперь уже ожидавшегося состава в 6 спутников система так и не была доведена.

Последний запуск «Эорсата» состоялся в январе 1991 г., и к августу 1991г. в системе оставалось только 3 функционирующих спутника. Хотя ввиду потепления отношений СССР и США задача слежения за американскими авианосными группами могла потерять былой приоритет, такой резкий перелом тенденции может означать, что в данном случае мы имеем дело с одним из первых примеров сокращения военной космической программы из-за разрастания экономического кризиса.

Помимо вышеописанных систем морской разведки, КБ В. Н. Челомея еще с 70-х гг. разрабатывало космическую РЛС на базе своей орбитальной пилотируемой станции «Алмаз». Ее бортовой радиолокатор с синтезированием апертуры предназначался для ведения обзорной съемки вне зависимости от времени суток или погодных условий и, обладая разрешением, измеряемым метрами, мог бы конкурировать со спутниками обзорной фоторазведки, как это сделали десять лет спустя американские ИСЗ «Лакросс».

Первый радиолокационный «Алмаз» был доставлен на Байконур в июле 1981 г., но в декабре министр обороны Д. Ф. Устинов запретил запуск и распорядился прекратить все работы в данной области. Программа возобновилась только после смерти Устинова и Челомея в декабре 1984 г.

Первый летный образец был утерян из-за аварии РН «Протон» 29 ноября 1986 г. [33]. Следующий запуск состоялся 25 июля 1987 г. Резервный аппарат, получивший обозначение «Космос-1870», был выведен на орбиту высотой около 260 км. Небывало высокое для «Протона» наклонение 71,9 градуса давало возможность при боковом обзоре охватить территории до 78 градуса широты, а 1350 кг бортового запаса топлива (несимметричного диметилгидразина и четырехокиси азота) позволили продержаться на такой низкой орбите 2 года, корректируя ее в среднем каждые 10—12 дней. Радиолокатор, работающий на частоте 3 ГГц (??? = 10 см) с мощностью в импульсе 190 кВт, обеспечил получение изображений с разрешением 25—30 метров.

Военных заказчиков это, очевидно, не устроило. По неофициальным данным разрешение аналогичной американской системы «Лакросс» составляет от 1 до 3 метров [34] и этот предел является принципиальным, поскольку «Лакросс» создавался прежде всего для слежения за советской бронетехникой и мобильными пусковыми установками. К тому же на «Космосе-1870» еще не была решена проблема ретрансляции данных в реальном масштабе времени и локатор работал в среднем 10 минут за виток, причем только 20% информации записывалось.

На следующем «Алмазе», запущенном 31 марта 1991 г. и считающемся предэксплуатационным, наземное разрешение должно было повыситься до 15 метров, а ретрансляция информации па Землю осуществляется как непосредственно, так и через два геостационарных спутника [35]. Тем не менее, этот «Алмаз» был с самого начала объявлен как многоцелевой аппарат для дистанционного зондирования Земли, и налаживание коммерческого распространения за рубежом его радиолокационных снимков говорит об отказе от разведывательного применения системы.

Отметим однако, что обнародованные изображения участков морского побережья, полученные «Космосом-1870», демонстрируют возможность по наблюдаемой на них волновой картине морской поверхности выявлять структуру дна и внутренних течений на глубинах до 200 метров. Поэтому нельзя исключить, что подобные системы могут вновь привлечь военный интерес, уже как средство обнаружения подводных лодок.