Проект многоспутниковой системы «Сфера» должен ликвидировать отставание России в области космической радиолокации, но на этом пути немало трудностей. Заместитель генерального директора головного научного института «Роскосмоса» ЦНИИмаша Виктор Хартов выступил с анализом перспектив развития космических средств радиолокационного назначения на Совете РАН по космосу.

Количество и качество

«В мире происходит настоящий бум роста группировок спутников радиолокационного назначения, – говорит Виктор Хартов. – В их развертывании участвуют как государственные, так и частные коммерческие организации. Активно работают в этом направлении США, Западная Европа, Япония, Китай. Неожиданно в этот ряд ворвалась Финляндия. Наконец, в этом году в число стран со своими радарными спутниками гражданского назначения должна вернуться Россия».

В период до 2027 года планируется осуществить запуск не менее 6 отечественных космических аппаратов (КА) радиолокационного наблюдения Земли. Казалось бы, есть чему радоваться, однако на фоне того, что происходит в мире, наши достижения выглядят довольно скромно.

«Главная причина мирового бума в спутниковой радиолокации – резкое увеличение числа малых спутников», – говорит Виктор Хартов.

Малые, массой порядка 100 кг, КА не столь производительны, как большие спутники-радары, зато стоят в разы меньше, а значит, их можно изготавливать и запускать в больших количествах за те же деньги. При этом такая группировка дает новое качество. До недавнего времени сравнительно небольшое количество больших мощных спутников-радаров типа TerraSAR-X и COSMO-SkyMed массой около 1500-2000 кг вполне успешно обслуживали большое количество гражданских и военных заказчиков разных стран. Но сейчас идет борьба за такой показатель, как периодичность наблюдения, которая зависит от количества спутников на орбите.

«При современных численностях орбитальных группировок можно говорить о контроле определенного объекта через каждые полтора часа, но уже к 2030 году численности отдельных группировок будут доходить до 100 спутников, а это дает возможность практически непрерывного мониторинга в реальном масштабе времени, – говорит Виктор Хартов. – Именно локаторы с их всепогодностью и круглосуточностью наилучшим образом подходят для этого. Это совершенно новое качество, которое имеет определенную потребительскую ценность, в том числе, безусловно, в области обороны и безопасности».

При планируемом развитии российской группировки радиолокационных спутников до 2030 года согласно действующим программам прогноз достигаемой периодичности контроля зоны Северного морского пути (СМП) будет составлять не более 3 часов. Этого может оказаться недостаточно для создания конкурентоспособной на мировом уровне системы мониторинга.

Не допустить отставания в этой области должна реализация проекта российской глобальной многофункциональной инфокоммуникационной спутниковой системы «Сфера», в которую, согласно текущим планам, должна войти группировка небольших унифицированных спутников-радаров «Беркут» с радарами с синтезированной апертурой, способных проводить съемку земной поверхности в различных диапазонах. Проблема лишь в том, что таких спутников еще не существует.

«Для создания такой многоспутниковой группировки надо решить целый ряд взаимосвязанных проблем, включая, например, создание совершенно новых проектных решений, новых методов изготовления и проведения испытаний, потому что те методы, которые мы используем сегодня, не очень подходят для производства десятков спутников в год», – говорит Виктор Хартов.

«Сфера» национальных интересов

«Решение о развертывании программы «Сфера» Владимир Владимирович Путин принял в июле 2018 г., – рассказывает Виктор Хартов. – В числе 640 спутников в этом проекте на тот момент было предусмотрено до конца 2020-х годов развернуть группировку из спутников-радаров. Это дало бы периодичность контроля лучше 30 минут. С 2018 года программа «Сфера» прошла все круги административного ада, и в этом году правительство наконец утвердило ее. Правда, за время этого долгого пути программа не только не подросла, а несколько усохла. Ее финансирование сокращено в 15 раз по сравнению с тем, что предусматривалось первоначальными планами».

Тем не менее, дело не стояло на месте все эти годы. По словам Виктора Хартова, в России еще в 2017 году, не дожидаясь открытия финансирования, сформировалась команда из более чем 20 организаций, включая Институт радиоэлектроники РАН, которая в инициативном порядке начала целенаправленные работы в этом направлении (см. слайд выше). Эта программа так и не получила финансирования, но свою координирующую и объединяющую роль выполнила.

В 2020 году была создана рабочая группа (с участием Фрязинского филиала ИРЭ РАН) для проведения работ по определению облика летающего авиационного стенда, позволяющего решать задачи как проверки бортовых систем будущего спутника, так и получения тематических продуктов. Виктор Хартов особо выделил важность второго направления работы.

«Потребителям не нужен сам по себе спутник, – говорит замдиректора ЦНИИмаша. – Он интересен нам – разработчикам и производителям, а массовому потребителю важны не характеристики радара, сколь бы хороши они ни были, а продукты, которые можно получить с его помощью».

Виктор Хартов рассказал, что из общения с немецкими коллегами, создавшими очень удачный РЛ-спутник TerraSAR-X, он понял, что больше всего они гордились не тем, что сделали такой хороший спутник, а тем, что провели в преддверии его запуска многолетнюю работу по развитию информационных технологий, которые позволяют превратить сигнал, который приходит из космоса, в набор потребительских продуктов.

«Само по себе радиолокационное изображение выглядит не очень выразительно, – рассказывает Виктор Хартов. – Оно напоминает картинку черно-белого телевизора 60-х годов прошлого века, но в этом сигнале на самом деле кроется масса данных. Научиться их оттуда извлекать и передавать заказчику в виде удобного для использования продукта – вот главная задача. И, кстати, в создании эффективной информационной системы, которая потом стала удовлетворять потребности широчайшего круга военных и гражданских заказчиков всего мира, принимал участие очень широкий круг немецких научных организаций».

Виктор Хартов отметил, что важнейшую роль при проведении этой работы в Германии сыграл специальный самолет-лаборатория F-SAR, который использовался как для испытаний прототипов летного локатора, так и – самое главное – нарабатывал данные для тех продуктов, которые потом появились на рынке после запуска спутника. Очевидно, что по этому пути следует идти и российским разработчикам.

Перспективный лабораторно-исследовательский испытательный комплекс космических средств радиолокации – это авиационный носитель, переделанный так, чтобы на нем можно было устанавливать экспериментальную аппаратуру, средства управления, приема и обработки данных, а также еще один очень важный элемент – калибровочный комплекс как средство достижения необходимой метрологической точности получаемых данных.

На слайде выше – пример автоматического определения зон вырубок, построек и транспортных путей по радиолокационному изображению.

«В октябре прошлого года мы уже полетали в районе Пензы на прототипе такого летающего стенда и доказали, прежде всего себе, перспективность таких работ для разработки тематических продуктов», – рассказывает Виктор Хартов.  Но все это лишь начало большой и напряженной работы.

Венец космической радиоэлектроники

«Радиолокационные спутники – это венец космической радиоэлектроники с точки зрения сложности, концентрации высокочастотной энергии в ограниченном объеме, проблем электромагнитной совместимости, охлаждения, – говорит Виктор Хартов. – Ведь чтобы получить один киловатт высокочастотной энергии, надо сбросить в космос около 4 киловатт тепла, при этом радиатор площадью 1 м² может сбросить только 300 Вт».

Кроме того, необходимо обеспечить сохранение с высокой точностью геометрии антенны с активной фазированной решеткой (АФАР) как при собственном ее нагреве, так и при различных углах воздействия Солнца, чтобы взаимодействие множества отдельных излучателей не нарушалось. Поэтому успешные проекты в этой области являются результатом методичной, многолетней, напряженной работы. Например, даже такая высокоразвитая страна, как Германия, TerraSAR-X разрабатывала 17 лет, причем можно четко выделить два периода: первый – это достижение нужного уровня готовности технологий, и второй – достаточно быстрое создание собственно спутника после достижения этого уровня.

«В свете того, что программа «Сфера» наконец прошла утверждение в правительстве и сейчас идут чисто технические процедуры по введению ее в силу, у нас начинается полноценная НИР «Радиолокация», – говорит Виктор Хартов. – В ее рамках мы должны довести целый ряд ключевых технологий до 6 уровня готовности, то есть до готовности демонстрации их в космосе».

Результаты, которые будут получены в рамках этой НИР, увязаны с результатами других работ, которые тоже предусмотрены программой «Сфера». Это, например, работы по созданию тех самых, дешевых и легких, унифицированных платформ. Все это позволит нам обеспечить запуск первого КА системы «Беркут-Х» до 2030 г.

«Их тиражирование – за гранью этой программы, но мы верим, что в процессе выполнения этого НИРа будут решены проблемы финансирования, чтоб создать полноразмерную группировку, которая даст совершенно новое качество с периодичностью контроля на уровне десятков минут на территории России с разрешениям вплоть до несколько десятков сантиметров».

За горизонтом текущих планов

«Решая насущные и очень острые проблемы космической радиолокации сегодняшнего дня, необходимо заниматься и перспективными направлениями, – считает Виктор Хартов. – Например, созданием бистатических систем. Есть интересная концепция, когда один большой спутник с мощной установкой «светит» на большую площадь, а группировка мелких пассивных спутников создает сеть приема отраженного сигнала от этого излучения».

Виктор Хартов привел в качестве примера и еще одну интересную идею, за которую время от времени берутся энтузиасты, но потом бросают по причине сложности ее реализации, – это пассивная локация.

«Земля постоянно облучается многочисленными КА спутниковой навигации и связи, – поясняет Виктор Хартов. – То есть существует поток электромагнитной энергии, который 24 часа в сутки охватывает практически всю поверхность земного шара. А нельзя ли выделить полезную информацию от отраженного сигнала этого излучения? Это тоже очень интересная и глубокая научная задача».

Кроме того, необходимы эффективные многочастотные сверхширокополосные АФАР. Требуется освоение новых диапазонов излучения для радиолокации. Нужны различные методы тематической обработки больших объемов данных, причем данных разнородных, для совместной обработки оптических и радиолокационных изображений. Есть и множество других задач.

«Радиолокация – это область, требующая приложения очень больших интеллектуальных ресурсов, и я надеюсь, что теперь, когда через много лет мы все-таки сумели начать большую комплексную НИР в рамках проекта «Сфера», мы сможем уделять больше внимания развитию этого крайне важного для нас направления», – считает Виктор Хартов.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН