Kosmosepõhine Infrapunasüsteem

Kosmosepõhine Infrapunasüsteem ehk Space-Based Infrared System (SBIRS) on USA õhujõudude hallatav militaarne kosmoseprogramm, mille eesmärk on suurendada Ameerika Ühendriikide võimekust ballistiliste rakettide avastamisel, tõrjumisel ja lahinguruumi iseloomustamisel. SBIRS on terviklik süsteem, mille osadeks on satelliidid geosünkroonsel orbiidil, Molniya orbiidil ja madalal Maa orbiidil ning maapealsed kontrollkeskused. Satelliidid kasutavad infrapunaandureid, mis tuvastavad raketi selle emiteeritud soojuskiirguse kaudu. Lisaks raketi väljalaske tuvastamisele jälitavad satelliidid raketti kogu teekonna ulatuses ja edastavad saadud informatsiooni maapealsetesse kontrollkeskustesse, kus andmeid analüüsitakse. Geosünkroonsele orbiidile sooviti algselt saata vähemalt neli satelliiti, millest kaks, GEO-1 (USA-230, 2011) ja GEO-2 (USA-241, 2013), on juba orbiidil ning GEO-3 ja GEO-4 on testimisfaasis. GEO-3 loodetakse toimetada USA õhujõudude käsutusse 2014. aasta lõpus ja GEO-4 aastal 2015. Lisaks on USA õhujõud sõlminud firmaga Lockheed Martin, kes on SBIRS-programmi peatöövõtja, 1,86 miljardi dollari suuruse lepingu GEO-5 ja GEO-6 valmistamiseks. SBIRS-i raames on Molniya orbiidile saadetud kaks satelliiti, HEO-1 (USA-184, 2006) ja HEO-2 (USA-200, 2008), mis on varustatud ballistiliste rakettide varajase kindlakstegemise ja nende eest hoiatamise süsteemidega. 2001. aastal võttis MDA (Missile Defense Agency) osa SBIRS-programmist, mis hõlmas satelliite madalal Maa orbiidil (SBIRS Low), enda haldusse ning programm nimetati ümber "Kosmose jälgimise ja seire süsteemiks" (Space Tracking and Surveillance System, STSS). STSS-i keeruka ja uuendusliku tehnoloogia testimiseks on Maa-lähedasele orbiidile saadetud kolm satelliiti: STSS-ATRR (USA-205, 2009), STSS Demo 1 (USA-208, 2009) ja STSS Demo 2 (USA-209, 2009).
SBIRS-programmi eeldatav maksumus on osutunud tunduvalt suuremaks, kui esialgu plaaniti. 1996. aastal prognoositi programmi maksumuseks 4,6 miljardit dollarit, kuid 2012. aasta seisuga on programmi eeldatav maksumus suurenenud 18,3 miljardi dollarini, mis on esialgselt prognoositud summast 297,4% suurem. Olenemata eelarve ja tehniliste küsimustega seotud probleemidest, on USA õhujõud otsustanud programmi jätkata ning alternatiive mitte rakendada.

Taustalugu

Alates aastast 1948 on USA valitsuse alluvuses töötavad teadlased püüdnud välja töötada meetodit, mille abil oleks võimalik tuvastada ja jälitada ballistilisi rakette alates hetkest, mil need on välja tulistatud. Aastal 1956 pakkus firma Lockheed välja lahenduse infrapunaradiomeetri ja teleskoobiga varustatud satelliitide näol, mis suudaksid tabada nii lennukeid kui ka rakette nende emiteeritud kuumade gaaside soojuse ehk infrapunakiirguse registreerimise kaudu. See projekt hakkas 1958. aastal kandma nime "Raketitõrje hoiatussüsteem" (Missile Defense Alarm System, MIDAS) ning selle raames plaaniti aastatel 1960–1966 saata Maa-lähedasele orbiidile 12 satelliiti, mis on varustatud infrapunaanduritega. See programm ei olnud kuigi edukas, kuna mitmed satelliidid ei jõudnud stardil tekkinud tehniliste rikete tõttu orbiidile ja  esines ka palju muid tõrkeid. Siiski oli MIDAS programm teerajajaks uutele raketitõrje programmidele ning andis palju teaduslikku informatsiooni infrapunaandurite kasutusvõimaluste kohta.
MIDAS programmist kasvas välja uus ja  ambitsioonikam kosmoseprogramm "Kaitse tugiprogramm" (Defense Support Program, DSP), mille eesmärgiks oli tõsta võimekust mandritevaheliste ballistiliste rakettide varajasel detekteerimisel (inglise keeles early warning). DSP raames kasutati esimest korda kosmoses elavhõbe-kaadmium-telluriidandureid, mis võimaldavad registreerida rakettidelt lähtuvat soojuskiirgust kesk-infrapunapiirkonnas lainepikkusel 2,5–25 μm. Esimene satelliit toimetati DSP raames orbiidile 6. novembril 1970 ja viimane aastal 2007, mis oli ühtlasi 23. DSP satelliit.
1995. aastal kuulutas USA õhuvägi välja uue programmi – "Kosmosepõhine infrapunasüsteem" (SBIRS), mille eesmärk on asendada ja täiustada DSP võimekust ballistiliste rakettide varajasel detekteerimisel. SBIRS-programmi eesmärk on saada täielikumat infot raketi ja selle teekonna kohta, andmed hõlmavad raketi tüüpi, väljalaske geograafilist asukohta, aega, asimuuti ja ennustatavat sihtkohta. Selleks kasutatakse satelliite madalal Maa orbiidil, geosünkroonsel orbiidil ja tugevalt elliptilisel ehk Molniya orbiidil ning maapealseid kontrollkeskusi. Samuti täidab SBIRS muid julgeolekuga seotud ülesandeid.

Kosmose Jälgimise ja Seire Süsteem (STSS)

Kosmose Jälgimise ja Seire Süsteem (Space Tracking and Surveillance System ,STSS) on USA esimene kosmosesüsteem, mis põhineb Maa-lähedasel orbiidil olevatel satelliitidel, mille ülesandeks on jälgida ja jälitada ballistilisi rakette kõikides lennufaasides. Olenemata sellest, et STSS on alates 2001. aastast MDA halduses, moodustavad nad koos SBIRS-ga tervikliku süsteemi. STSS-i satelliitidelt saadav info võimaldab võimalikult kiiresti välja tulistada tõrjeraketi, mille ülesanne on hävitada Ameerika Ühendriike ja tema liitlasi ohustav rakett.
Ballistilise raketi lennutrajektoor jaguneb kolmeks faasiks: esimese faasi vältel põletatakse raketi mootorikütust, teine faas hõlmab raketi vabalendu ja kolmandas faasis siseneb lõhkepea Maa atmosfääri. Esimeses faasis on ballistilist raketti kõige lihtsam avastada ning seetõttu on STSS-i satelliidid varustatud lühilainelise infrapunakiirguse detekteerimiseks laia vaateväljaga teleskoobiga. See on skaneeriv refraktor, mille fookusse on paigaldatud lühilainelist infrapunakiirgust registreeriv andur. Tänu sellele võimaldavad STSS-i satelliidid kõrge lahutusega raketi tuvastamist horisondist horisondini. Teine faas on kõige pikem ja võib ulatuda kuni 80%-ni kogu raketi lennu ajast. Selles faasis on raketti väga raske jälgida, kuna mootorikütuse põletamist enam ei toimu. Et raketi jälitamist siiski võimaldada, on STSS-i satelliitidel kitsa vaateväljaga infrapunakiirguse seadmed, mis töötavad mitmes erinevas infrapunases lainealas. Need hõlmavad kitsalt fokuseeritud teleskoopi, mille kiirgust registreerivad andurid on jahutatud krüogeenilistele temperatuuridele, et oleks võimalik tuhmi lõhkepead püsivalt jälitada. Lisaks suudetakse eristada rakette ja lõhkepäid kosmoseprügist, peibutistest ning mürasignaalidest. STSS-i satelliidid on varustatud protsessoriga, mis suudab töödelda 2,1 Gbit (268,8 MB) andmeid sekundis. Satelliidid suhtlevad üksteisega 60 GHz sagedusel ja vahetavad maapealsete jaamadega 44/20 GHz sagedusel informatsiooni. Telemeetrilise informatsiooni, käskude ja missiooni andmete edastamiseks kasutatakse S-laineala.
2014. aasta seisuga on 1350 km kõrgusel orbiidil kaks STSS demonstratsioon-satelliiti, millel on 58˚ inklinatsioon ja orbitaalne tiirlemisperiood 120 minutit. Satelliidid on teineteisest lahutatud ~35˚ võrra, võimaldades seeläbi ballistilisest raketist "stereo ülevaadet", mis tähendab, et raketi teekonnast luuakse kolmedimensionaalne trajektoor. Seda teostatakse järgmiselt: mõlemad satelliidid jälgivad ballistilist raketti erineva nurga alt, mille tõttu luuakse huvipakkuvast objektist erinevaid nurki hõlmavad kahedimensionaalsed trajektoorid, mis maapealses kontrollkeskuses seotakse spetsiaalse tarkvara abil kolmedimensionaalseks trajektooriks. Samuti suhtlevad satelliidid omavahel, mis on vajalik olukorras, kus üks satelliitidest ei ole maapealse kontrollkeskuse vaateväljas. Sel juhul edastab varjatud satelliit endapoolse informatsiooni teisele satelliidile ja see edasi Maale. STSS süsteemi on ka korduvalt katsetatud. "Külma" lõhkepea detekteerimist testiti NOAA ilmasatelliidiga, mida jälitati rohkem kui 17 minutit. Selle trajektoorist loodi kolmedimensionaalne pilt, mis annab tunnistust katse edukast sooritamisest. STSS demonstratsioon-satelliidid ehitasid firmad Northrop Grumman ja Raytheon.

Satelliidid geosünkroonsel ja Molniya orbiidil (SBIRS High)

SBIRS ehk Space-Based Infrared System on USA satelliitide konstellatsioon, mille ülesandeks on osaleda ballistiliste rakettide jälitamises, raketitõrjes, luureandmete kogumises ja lahinguruumi iseloomustamises. SBIRS High süsteemi all mõeldakse satelliite geosünkroonsel ja Molniya orbiidil. Erinevalt STSS-st ei osale SBIRS High satelliidid raketi jälitamises, mis toimub pärast mootorikütuse põletamise faasi. Seega on SBIRS High üheks ülesandeks täpsustada raketi trajektoori andmeid STSS-i ehk SBIRS Low jaoks. Samuti on SBIRS-i ülesandeks koguda luureandmeid, mis puudutavad teiste riikide katsetatud rakettide tüüpe ning lennukite või rakettide emiteeritud infrapunakiirguse iseäralikke omadusi. Lisaks jälgitakse raketikatsetuste sagedust ja geograafilist asukohta, mille põhjal luuakse vastumeetmeid hõlmav taktika. Lahinguruumi iseloomustamise käigus hangitakse andmeid, mis sisaldavad lahinguvälja hetkeseisu, purustusi, vastase õhusõidukite liikumist, informatsiooni vastase õhutõrje kohta, päästet ja otsinguid toetavat informatsiooni ning vastase ressursside paiknemist.
SBIRS–GEO (geosünkroonsel orbiidil) satelliit omab funktsiooni poolest kahte tüüpi infrapunateleskoope: skaneerivat ja jälgivat. Nendeks on lühikesed infrapuna-Schmidti teleskoobid, mis registreerivad kiirgust kolmes lainepikkuste vahemikus: lühikeses (1,4-3 µm), keskmises (3–8 µm) ja STG (inglise keeles see-to-ground) vahemikus.
 Skaneeriva teleskoobi eesmärk on detekteerida strateegilisi rakette, koguda ülemaailmseid luureandmeid ning jälgida ballistilisi rakette kütuse põletamise faasis. Erinevalt DSP satelliitidest, mis orbiidil olles pöörlevad ning seetõttu vaateväljas olevaid alasid kindlate ajavahemike tagant jälgivad, on SBIRS-i satelliitide asend kolmest teljest stabiliseeritud ning skaneerimine toimub läbi teleskoobi ette paigutatud peeglite liigutamise. Sellist tehnoloogiat kasutades saab uuritavaid alasid suurema sagedusega (täpsusega 0,05°) jälgida. Jälgiv teleskoop skaneerib ainult kindlate väiksemate geograafiliste asukohtade vahel või jälgib määratud kohta maakeral. Selle eesmärk on tuvastada ja aidata tõrjuda ballistilisi rakette ulatusega 300–3500 km ning anda informatsiooni lahinguvälja kohta.
SBIRS-HEO (infrapunaandurid tugevalt elliptilisel orbiidil) jaoks ei looda eraldi satelliite, vaid vastavad seadmed monteeritakse teadussatelliitide külge, mis täidavad SBIRS-GEO satelliitidega sarnaseid ülesandeid. SBIRS-HEO võimaldab tänu Molniya orbiidile tuvastada põhjapoolkera allveelaevadelt väljatulistatud ballistilisi rakette. Kiirgust koguvateks seadmeteks on skaneerivad lühikesed infrapuna-Schmidti teleskoobid, mis registreerivad kiirgust lühikeses, keskmises ja STG-vahemikus. Saadud andmeid saadetakse Maale kiirusega 12,5 MB/s. 2014. aasta seisuga on testimisfaasis kolmas Molniya orbiidile saadetav infrapunaseadmete kogum ehk HEO-3.