О стратосферных беспилотных летательных аппаратах — высотных псевдоспутниках

Прежде чем говорить о псевдоспутниках, напомним, что в настоящее время в мире для осуществления навигации транспорта (и авиации в том числе) функционируют около десяти систем спутниковой навигации (ССН). Две из них — ГЛОНАСС (Российская глобальная навигационная спутниковая система) и GPS (США) работают в полном объеме, покрывая своими сигналами всю планету. Поскольку GPS используется в первую очередь для территории США, она имеет наклон орбиты 550. GPS уступает по точности в северных широтах нашей ГЛОНАСС, имеющей наклон орбиты 630. Поэтому в России в качестве основного средства навигационного обеспечения на удаленных аэродромах предпочтительнее использовать ГЛОНАСС.
ССН типа ГЛОНАСС (как и GPS), кроме чрезвычайно высокой стоимости, характеризуются следующими недостатками: имеется риск потери спутника при выводе его на орбиту; необходимо устанавливать на спутник защиту от воздействия на электронику агрессивной космической среды; невозможно производить ремонт спутников, вследствие чего они должны начиняться дорогостоящими дублирующими системами; сигналы передатчика спутника искажаются ионосферными возмущениями; спутники чувствительны к воздействиям средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ); в случае гористого рельефа местности однолучевые сигналы ССН из-за многократных отражений превращаются во многолучевые, что резко снижает точность определения координат летательных аппаратов (ЛА) в ходе полета и при посадке.
Именно из-за этих системных недостатков ССН некоторые западные страны стали разрабатывать псевдоспутники (ПС), которые на определенном участке территории создают дополнительное навигационное поле, повышающее точность поля ССН. Различают наземные и воздушные псевдоспутники (НПС и ВПС). Они выполняют функции ретрансляторов или передатчиков и применяются одиночно или группами — сетью.
НПС уже несколько десятилетий используются в некоторых северных, сибирских и дальневосточных районах России. В сетевом исполнении отечественные НПС, находясь на расстоянии до 70 км друг от друга, дают высокую точность навигации.
Что касается российских ВПС, то они у нас в основном находятся на стадии испытания отдельных образцов. Между тем в мире уже есть опыт выпуска небольших серий ВПС. Например, в Великобритании в 2018 году появилась первая серия из трех разведывательных ВПС.
Для понимания принципа использования ВПС вспомним строение атмосферы. Она состоит из пяти слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы (см. рисунок). Стратосфера более всего подходит ВПС, так как она находится ниже зоны ионосферных бурь и практически свободна от других ЛА.
ВПС, по сути, представляют собой дешевые (по сравнению с искусственными спутниками Земли — ИСЗ) высотные беспилотные летательные аппараты (ВБПЛА), выполняющие функции ИСЗ в стратосфере на высоте примерно 20 км, где много света для питания солнечных батарей, выполняющих в этих ЛА еще и роль крыльев. Заметим, что по мере набора высоты плотность воздуха понижается, а вместе с ней уменьшается и подъемная способность крыльев. Поэтому их делают большой площади. С другой стороны, чем больше несущая поверхность, тем выше потенциал зарядки аккумуляторов. Они являются источниками питания двигателей и аппаратуры ВПС ночью. Благодаря сравнительно небольшой скорости полета (десятки км/ч) ВПС могут барражировать над территорией наблюдения.
В начале 2000-х годов первые американские ВБПЛА представляли собой страто­сферные платформы. Они заменяли спутники связи; могли находиться в полете пять — семь дней без посадки и дозаправки. Эти ВПС вели из стратосферы патрульные и наблюдательные полеты, картографирование, наблюдение за посевами, а также выполняли поисково-спасательные функции.
В ходе испытаний ВБПЛА выявилась их высокая чувствительность к метеорологическим условиям на взлете и посадке. На стратосферных высотах в разреженной атмосфере, где ВПС функционируют, ветер и осадки для них не представляют угрозы.
Экономическая эффективность ВПС в сочетании с возможностью длительного нахождения практически на одном месте до нескольких недель выявила их коммерческую ценность в плане распространения сотовой связи.
Выяснилось также, что ВПС могут проводить инфракрасную (тепловую) и аэросъемку, мониторить лесные массивы (в целях предупреждения о пожарах), осуществлять экологические функции, поддерживать работы аварийных служб, сообщать метеорологические данные.
Выяснив возможности ВПС, в 2020 году компании Google и Facebook выкупили часть их производств, чтобы покрыть сетью Интернет труднодоступные регионы Земли. По расчетам, один ВБПЛА с высоты 20 км может обеспечить работу интернета в радиусе десятков километров.
Но наиболее перспективным все же считается применение ВПС в качестве специальных излучающих элементов локальной радионавигационной системы, которая может обеспечить навигацию ЛА в условиях преднамеренных помех РЭБ и дополнить навигационные поля глобальных навигационных спутниковых систем.
Ниже приведено несколько сообщений, дающих представление, как сейчас обстоят дела в мире с разработкой и применением ВПС.
Например, в сообщении от 29 августа 2018 года говорилось, что перспективный стратосферный планер Perlan-2, разработанный подразделением европейского авиа­строительного концерна Airbus, установил мировой рекорд высоты полета среди немоторизованных летательных аппаратов.
18 марта 2019 года СМИ сообщили, что китайская корпорация аэрокосмической науки и промышленности создаст БПЛА для обеспечения экстренной связи и длительных наблюдений за земной поверхностью. Подчеркивалось, что к 2020 году Китай намерен создать сеть БПЛА с высотой полета примерно 20 км, предназначенную для телекоммуникаций и интернета в удаленных районах Китая.

Высотный псевдоспутник ЛА-252 «Аист» и его создатели

В России тоже уже в 2016 году был разработан ВПС «Сова». Размах крыльев этого аппарата — 28 метров, высота полета — около 20 километров. В качестве источника питания используются солнечные батареи. Считается, что российский атмосферный спутник поможет решить проблемы обеспечения длительного мониторинга в северных широтах, а также удовлетворить растущие телекоммуникационные запросы в различных сферах деятельности.
Для России с ее огромной территорией и значительным научным и конструкторским потенциалом выход на мировой рынок псевдоспутников мог бы стать одной из важных целей развития высокотехнологичной цифровой промышленности. Использование таких ВБПЛА позволило бы эффективно обеспечить мониторинг земель, быстро развивать сети доступа в интернет. Но наиболее перспективное использование ВПС в России видится все же в аспекте навигации и посадки.
Посадка является завершающим и наиболее сложным этапом полета воздушного судна (ВС), на который приходится основная доля авиационных происшествий. Для успешного выполнения посадки аэродромы оборудуют специальными системами, наиболее совершенными из которых являются инструментальные стационарные системы посадки. Российская Федерация, в силу климатических и географических особенностей, обладает широкой сетью небольших аэродромов, расположенных преимущественно в труднодоступных районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. В этих регионах сложно и зачастую экономически нецелесообразно оборудовать аэродромы дорогостоящими наземными системами посадки. Сейчас там, как правило, используются упрощенные системы посадки доцифрового (советского) периода. Поэтому осуществлять посадки ЛА на эти аэродромы в сложных метеоусловиях по стандартам ИКАО (Международная организация гражданской авиации) невозможно. Между тем эту проблему можно было бы решить, применив локальные поля ВПС.
Таким образом, освоение «предкосмоса» (слоев стратосферы на высоте 20 км) началось. Оно является одним из основных современных трендов мировой аэронавтики. Предполагается, что беспилотные ЛА, работающие на солнечной энергии, смогут длительное время находиться в стратосфере и решать навигационные задачи, оставаясь малоуязвимыми для средств ПВО.
Сергей Елисеев.