Космические системы

Космические системы

ВСТУПЛЕНИЕ

Освоение космоса, космические исследования относятся к од­ному из основных направлений научно-технической революции. Рассмотрение этого направления в технико-экономическом ас­пекте представит определенный интерес для специалистов, раз­рабатывающих международные программы сотрудничества в области экономики, науки и техники.

В этой работе показаны некоторые технико-экономические и научные предпосылки создания ряда космических систем. Рас­сматриваются условия наблюдения природных образований из космоса, обсуждаются методы и средства дистанционного зон­дирования при исследовании природных ресурсов и окружаю­щей среды. Кроме того, приводятся сведения о решении ряда других задач (связь, геодезия и т. д.) с помощью космических систем.

Искусственные спутники Земли, обладая такими особенно­стями, как возможностью находиться в зоне прямой видимости со значительных территорий поверхности Земли, высокой скоростью перемещения и регулярностью движения, позво­ляют эффективно решать важные народнохозяйственные за­дачи: определение координат (геодезия и навигация), пере­дача информации (телевидение, радиовещание, телефонная и телеграфная связь), наблюдение за Землей (исследование природных ресурсов и окружающей среды), изучение и конт­роль процессов в атмосфере.

Большой практический интерес, в частности, представляет вынесение в космос, например на орбиты искусственных спут­ников Земли или на Луну, части производственно-технических комплексов. На Луну могут быть вынесены вредные, горнодо­бывающие, энергоемкие виды производства. В условиях кос­мического полета (невесомость, вакуум) могут производиться крупные кристаллы, композитные материалы, уникальная оп­тика, сверхчистые химические и лекарственные препараты и многое другое. Особое значение в ближайшем будущем будет иметь вынос за пределы Земли вредных, вторично не перерабатываемых отходов производства.

Технические характеристики ракетно-космических систем, а также успехи в создании радиоэлектронной и оптико-механи­ческой аппаратуры позволили приступить уже в наши дни к решению конкретных задач. Среди них особо важное значение имеют задачи, связанные с разно­сторонним и комплексным исследованием природных ресур­сов Земли и окружающей среды. Это объясняется по крайней мере двумя главными обстоятельствами. Первое из них свя­зано со все расширяющейся (причем за последние годы тем­пы растут лавинообразно) хозяйственной деятельностью че­ловека на нашей планете, требующей форсированной разра­ботки природных ресурсов, второе — со все более существен­ным влиянием человека и его производственной деятельности на природную среду. Если в прежние годы вопрос стоял о том, чтобы в минимальной степени влиять на экологическую систему планеты, другими словами, не нарушать равновесия в природе, то теперь мы вынуждены на основании глубокого изучения биосферы изменять эти условия, но таким образом, чтобы сохранить природную среду в состоянии, пригодном для комфортной жизни человека. Решать такие глобальные задачи возможно только с помощью космонавтики.

КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Использование космической техники сущест­венно повысило эффективность системы связи, позволило связать между собой все уголки земного шара, дало возможность широко ис­пользовать самые информативные, короткие волны, на которых работает телевидение. Даль­няя радиосвязь с помощью обычных радио­станций осуществима на сравнительно малоинформативном диапазоне радиоволн длиной от 200 до 10 м. В этом диапазоне, например, мож­но одновременно осуществлять примерно нес­колько тысяч разговоров. Это мало. Более ко­роткие радиоволны — от 10 м до 2 см — суще­ственно более информативны, но прямолиней­ность распространения этих волн (они не за­держиваются ионосферой) делает невозможным их использование для глобальной радиосвязи с помощью обычных наземных радиопередающих средств. Более того, даже в том диапазо­не, которым пользуются наземные средстве, не удается создать высококачественной связи, так как радиосигналы, многократно отражаясь от ионосферы и Земли, претерпевают заметные изменения в зависимости от состояния атмос­феры. Довольно частой ситуацией является пол­ное нарушение связи на несколько суток при так называемых магнитных бурях, вызванных сол­нечной активностью. Все это ограничивает ка­чество и надежность глобальной радиосвязи.

Новые возможности для повышения каче­ства, оперативности и надежности связи откры­лись с запуском искусственных спутников Зем­ли. Находясь в поле прямой радиовидимости большого числа удаленных друг от друга наземных пунктов, спутник позволяет объединить их сетью косми­ческой связи. В этом случае благодаря прямой видимости спутника с наземных пунктов используются информативные, короткие волны, что обеспечивает надежную и высокоэкономичную передачу большого объема информации на дальние расстояния.

Использование искусственных спутников Земли в системе связи основывается на ретрансляции отражающей поверхно­стью или аппаратурой спутника сигналов от передающих на­земных станций к приемным. В первом случае ретрансляция называется пассивной, во втором — активной. При пассивной ретрансляции используется большая площадь отражающей поверхности спутника, которая рассеивает падающую на него часть энергии радиоволн, а наземная приемная радиостанция принимает часть рассеянной спутником энергии. Пассивные спутники передают сигналы без задержки (в реальном масштабе времени), т. е. обеспечивают мгновенную ретрансля­цию.

Такие спутники отличаются простотой и малой стоимостью. Это могут быть надувные тонкостенные оболочки, не содержащие сложной специальной аппаратуры. Они надежны в работе и могут служить весьма продолжительное время. Управлять их работой предельно просто. Еще одним их преимуществом яв­ляется возможность одновременной и независимой ретранс­ляции через один спутник практически неограниченного числа сигналов совершенно различных систем связи, соединяющих разные пункты (при условии, что системы работают на разных частотах).

По схеме пассивной ретрансляции работали американские спутники серии «Эхо». Тонкостенная оболочка из металлизиро­ванных синтетических пленок имела сферическую форму диа­метром 30 м у «Эхо—1» и 40 м — у «Эхо—2». Эксперименталь­ная эксплуатация этих спутников показала, что связь на их ос­нове недостаточно эффективна. Это объясняется прежде всего слишком большим затуханием сигнала. В связи с этим требу­ются большие мощности (около 10 МВт) передающих станций и очень высокие чувствительности приемных наземных ус­тройств. Это определяет сложность и высокую стоимость на­земных станций и, следовательно, всей системы космической связи в целом, несмотря на относительно небольшую стоимость самих спутников. Кроме того, слабость отраженных к Земле сигналов обусловливает большие шумы и помехи, а следова­тельно, низкое качество связи. Все это заставило отказаться от создания в настоящее время эксплуатационных систем связи на основе использования пассивных космических ретрансля­торов.

Намного более перспективным оказался принцип построе­ния космических систем связи на основе активной ретрансля­ции сигналов. В этом случае аппаратура спутника принимает радиосигналы с Земли, усиливает и затем вновь передает (ре­транслирует) их на Землю. Наличие на спутнике специальной приемопередающей аппаратуры позволяет существенно сни­зить мощность передающей и чувствительность приемной станции, работающих на Земле. Вызванное этим снижение стои­мости наземных станций столь велико, что вполне окупаются затраты на создание достаточно сложного спутника, его запуск и последующую эксплуатацию. Такая система космической свя­зи рентабельнее системы на основе пассивных ретрансляторов и более рентабельна, чем обычные наземные системы связи. Оценки показывают, что, например, в ряде случаев подобная космическая система связи становится экономически более эффективной по сравнению с обычной наземной уже при даль­ности связи более 200 км. Высокий уровень мощности приходя­щего к Земле сигнала при его активной ретрансляции спутни­ком обусловливает высокое качество связи. Эти факторы оп­ределили использование для космической системы связи прин­ципа активной ретрансляции сигналов.