Боевые измерения

Боевые измерения

Как можно снизить потенциал гиперзвукового оружия

Строится орбитальная инфракрасная сеть нового типа для обнаружения гиперзвуковых целей. Как она может снизить потенциал гиперзвукового оружия?

Спутники создаваемой SDA орбитальной группировки, оборудованные терминалами лазерной связи

Фото: spacenews.com

Многоспутниковые орбитальные сети идут в боевую область. Первая такая сеть строится как боевая система для выявления и уничтожения гиперзвуковых целей, самого перспективного сегодня класса оружия. Первая серия ее спутников запущена в этом году и сейчас работает для проверки концепции этой сети.

Перехват не теряя времени

В форсажном грохоте лизнув бетонку огненным языком, дежурная пара самолетов круто ушла в небо по боевой тревоге. В стратосфере они поднялись на боевой потолок и вышли на максимальную сверхзвуковую скорость, покрывая километры словно спокойными щелчками пальцев. Цель идет в стороне в сотнях километров, еще не видимая визуально. Но в горизонте видна отметка на стекле шлема, отмеченная рамкой с числами.

В них удаление до цели, ее азимут, высота, скорость движения, параметры непрерывного маневрирования. Текущие координаты, прогноз генерального движения, режим сближения с самолетом. Скорость цели высокая, значение числа Маха ее полета достигает 5,5.

Выйдя в район перед целью, дежурная пара довернула свой курс до курса движения цели, которая теперь быстро приближается сзади. Плавно снизившись на километр для разгона перед горкой, самолеты круто задрали носы и на форсаже пошли дальше в чернеющую стратосферу. Вот и динамический потолок на вершине огромной полубаллистической дуги, немного не достающей до высоты 30 км.

В этот момент в паре километров выше из зенита вперед быстро проходит цель, уверенно обгоняя самолеты. В черноте неба короткое время визуально виден поблескивающий дефис гиперзвуковой ракеты. Снизу самолетов вспух огонь пуска ракет.

Двигатели за секунды разогнали их до своих М = 4, которые добавились к сверхзвуковой скорости самолетов; в сумме скорость ракет превысила М = 6. Через короткое время в небе ярко высверкнуло с отблеском на носовых обтекателях самолетов, выходящих из атаки по нисходящей кривой. Перехват состоялся.

Ключевую роль в нем сыграло наличие у самолетов точных данных о координатах и движении цели. Не теряя время на ее поиск, они с упреждением прибыли в район перехвата, определенный по этим данным. По ним же построив и выполнив перехват на динамическом потолке на отставании. Четкое исполнение атаки стало отработкой ключевой информации, обеспечившей уничтожение цели.

Перехват стал завершением работы большой системы, добывшей и оперативно передавшей боевые данные самолетам. Она находится в космосе и сложена из нескольких типов особых спутников, движущихся по низким орбитам над Землей. Им видны процессы, которые мы немного затронем ниже. Почему эта сеть нового типа? Разве в космосе сейчас нет спутников инфракрасного слежения за пусками ракет? И как акцентировать наблюдение именно на гиперзвуковых целях? Для ответов коротко заглянем в физику теплового наблюдения из космоса.

Как засекают баллистический межконтинентальный пуск

Горячее вещество излучает в широком электромагнитном диапазоне, в том числе тепловом и оптическом. На первых 1000°С вещество излучает больше энергии в тепловом (инфракрасном) диапазоне. Поэтому инфракрасное зрение и видит горячую цель даже в полной темноте, оптическом нуле. На ночной стороне Земли видно расположение и характеристики источников тепла. И на дневной тоже, если они ярче фона.

Это используют спутники систем предупреждения о ракетном нападении. В случае пуска ракеты они заметят горячую реактивную струю взлетающей ракеты и измерят ее координаты в пространстве в последовательные моменты времени. Этим получат пространственный вектор скорости и его изменение во времени. А отсюда и ускорение, его направление, траекторию и наземную трассу полета. По ним построятся прогнозы, в том числе времени и района падения, определится наземная полоса подлета к нему, в которой можно применить противоракетные средства. И приготовить их к бою, пока цель туда летит.

Так работает американская система раннего обнаружения пусков межконтинентальных ракет SBIRS (Space-Based Infrared System). Она наблюдает Землю из десяти точек в космосе: шести собственных геостационарных спутников и четырех контейнеров, установленных на высокоэллиптических военных спутниках в качестве дополнительной нагрузки. Спутники SBIRS построены компанией Lockheed Martin.

Они видят инфракрасную картину местности и тепловые источники, определяют их параметры и поведение. По горячей реактивной струе обнаруживают пуск, наблюдая старт баллистической ракеты (или ее появление над облаками) и полет с работающим двигателем. По этим измерениям можно построить дальнейшую баллистическую траекторию и положение на ней цели в любой момент времени, а также спрогнозировать район падения.

Траекторию цели строит наземный комплекс обработки. Определив наземную трассу полета, выбирают противоракетные комплексы (наземные, морские, воздушные), расположенные ближе к трассе. Для каждого комплекса рассчитываются последовательные положения цели в небе с течением времени. Эти данные называются целеуказаниями; они могут заводиться в систему управления полетом зенитной противоракеты, объектовую систему ПРО, передаваться истребителю. По целеуказаниям будут строиться перехваты, рассчитываться моменты и азимуты пусков противоракет, подход истребителей к району атаки, построение атаки и другие действия для уничтожения цели.

Схема спутника системы SBIRS

Фото: Lockheed Martin

Наблюдение с больших высот

Взлет МБР хорошо виден с высоты 35 786 км геостационарной орбиты, а точки пуска могут отстоять дальше еще на тысячи километров. С геостационарной высоты видно примерно треть поверхности Земли. Поэтому спутников нужно немного, всего шесть, с учетом периферийного перекрытия зон обзора. Плюс четыре еще выше, сменяющие друг друга на апогейных участках высоких эллиптических орбит. Большая чувствительность инфракрасных сенсоров (датчиков) позволяет видеть с этих высот все события с уровнем яркости пуска МБР. А большие зоны обзора высотных спутников ложатся с широким перекрытием, повышая надежность наблюдений.

Так сложена парадигма высотного наблюдения пусков МБР, реализуясь в нескольких мощных спутниках инфракрасного наблюдения на большой высоте. SBIRS хотели оснастить вторым, нижним эшелоном спутников для быстрой передачи данных местным потребителям, но после трех пробных запусков от него отказались. Сегодня SBIRS поставляет огромный поток данных, отслеживая на планете за год около тысячи пусков баллистических ракет.

Реактивная струя разгоняющейся МБР — это большой горячий столб и очень яркий инфракрасный источник. Яркость цели складывается из температуры и размера излучающей области. Это и реактивная струя двигателя, и горячий слой сжатого воздуха на поверхностях гиперзвукового аппарата. Их температуры вполне сравнимы. Например, температура струи на срезе сопла двигателя РД-107 ракеты-носителя «Союз» примерно 1700°С. Жара на поверхности боеголовок МБР бывает и сильнее.

А вот размеры излучающей области разнятся на порядки. Реактивная струя большая, ее горячую область растягивает огромная скорость истечения (3 км/с) на десятки метров. При этом видимый визуально многометровый факел лишь часть излучающей инфракрасной области струи.

У гиперзвуковых целей ярко излучают лишь передние поверхности и кромки, небольшие по размерам (про гиперзвуковую крылатую ракету и динамику её полёта мы рассказывали в материале «Гиперзвуковая крылатая ракета и её скачки») Горячие поверхности гиперзвукового аппарата по площади не превысят нескольких квадратных метров. К тому же сжатие и нагрев потока происходит на лобовых и нижних поверхностях гиперзвукового средства. Поэтому сверху, с больших космических высот, гиперзвуковая цель выглядит тусклой. И ее яркость в инфракрасном диапазоне на пару порядков слабее факела стартующей МБР, светящего в пространство на десятки и сотни тысяч километров.

Как разглядеть больше

Тусклые цели лучше видны вблизи. Тепловое излучение падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому приблизить объект в десять раз означает увеличить его наблюдаемую яркость в сто. А если снизиться к нему с высоты геостационарной орбиты до высоты 1000 км, тепловая видимость вырастет в 1280 раз.

Правда, с такой высоты зона обзора будет уже не глобальной, как с геостационарной орбиты, а локальной с размером 1–2 тыс. км. Принцип телескопа и микроскопа: поле зрения меньше, но в нем можно разглядеть гораздо более тусклые объекты.

Для широкого обзора нужно много низких спутников. Зато они будут меньше дорогих пятитонных спутников SBIRS. Вблизи и гиперзвуковые цели хорошо видно, и их координаты измеряются точнее. Станет виден новый класс целей, недоступный SBIRS. Он все более важен и стремительно развивается. Нужно разглядеть его, прежде чем он начнет летать массово.

Так возникла другая, низковысотная концепция инфракрасного наблюдения. Это низкоорбитальная система из многих небольших спутников, имеющая важные преимущества. Она может быть сразу и маловысотным звеном передачи данных в наземную тактическую сеть, которое не сделали в SBIRS. А потеря нескольких спутников не станет критической для большой группировки.

Создатель и архитектура низкоорбитальной сети

В Пентагоне есть молодая структура, возникшая в 2019 году,— Агентство космического развития (SDA; Space Development Agency), созданное для поиска прорывных космических технологий. В октябре 2022 года SDA вошло в состав космических сил США. Его основной целью стала противогиперзвуковая оборона на основе большой глобальной сети из недорогих спутников.

Эта орбитальная система названа Proliferated Space Warfare Architecture («распределенная космическая военная архитектура»). Она строится из низкоорбитальных спутников инфракрасного слежения и спутников передачи данных военным силам (наземным, воздушным или морским) через местные боевые тактические радиосети. Сотни спутников будут работать на круговых орбитах разного наклонения высотой 1000 +/- км. Все оснащаются лазерной связью обмена между собой. Часть из них несет оборудование взаимной радиочастотной связи, часть — модули связи с наземными тактическими радиосетями. Сделать спутники поручили разным компаниям, а развертывание сети идет этапами, или траншами.

Начальный транш из 28 спутников считается нулевым. Он назван Proliferated Warfighter («распределенный истребитель») и служит для проверки концепции такой орбитальной сети. Под «истребителем» тут понимается любой конечный уничтожитель цели — самолет, корабль с ракетной системой Aegis или наземный комплекс ПВО/ПРО. Транш 0 был заказан SDA в 2020 году и изготовлен за два с половиной года.

В космос нулевой транш отправился в текущем году. В 2024 и 2025 годах намечен запуск еще 150 спутников для первоначальных эксплуатационных возможностей сети. А далее полетят сотни спутников. Каждый новый транш получит апгрейд техники, совершенствование конструкции, улучшение характеристик и рост возможностей. Этот принцип наряду с увеличением числа спутников положен в основу развертывания этой сети.

Запуск первых десяти спутников нулевого транша 2 апреля 2023 года с базы космических сил Ванденберг в Калифорнии ракетой-носителем Falcon 9

Фото: SpaceX

Запуски нулевого транша и его участники

Первые десять спутников (восемь — связи и два — инфракрасного слежения) запущены 2 апреля с базы космических сил Ванденберг в Калифорнии. Ракета-носитель Falcon 9 вывела их на околополярную круговую орбиту высотой 1000 км и наклонением 80°. Директор SDA Дерек Турнир (Derek Tournear) не скупился на громкие слова, оценивая запуск: «крупное достижение», «революционный подход», «продвигаться вперед», «пуск продемонстрировал способность выполнять планы в сроки» и т. д.

SDA заключило контракты на нулевой транш в 2020 году, заказав 20 спутников ретрансляции у York Space Systems и Lockheed Martin и 8 спутников обнаружения тепловых целей у SpaceX и L3Harris. Тогда же SDA купило у SpaceX два запуска на ракетах Falcon 9 за $150 млн. Всего бюджет нулевого транша составил $980 млн, включая 28 спутников, два пуска и наземное оборудование. Два с половиной года от заключения контракта до запуска быстро по меркам военных спутников. Майк Эпполито (Mike Eppolito), директор нуль-транша, обещал строить новые поколения спутников и запускать следующие транши еще быстрее, одновременно улучшая их конструкцию и характеристики.

Космическая гонка никуда не делась, она лишь приобрела современные формы. Быстрота постройки и запуска новых поколений спутников упрощает создание больших орбитальных систем, апгрейд ускоряет их эволюцию в сторону эффективности. Опыт эксплуатации сделает большие орбитальные сети сродни Большому адронному коллайдеру с его потоком данных. Первые глобальные сети в 50–70 спутников казались огромными. Сейчас крупнейшая спутниковая сеть перешагнула за 5 тыс. спутников и быстро растет в сторону десятка тысяч. Орбитальные системы в две-три сотни спутников уже не кажутся большими. Но таких военных группировок еще нет, и только начала создаваться первая.

Из четырех разработчиков спутников Lockheed Martin и SpaceX не требуют представлений. Двое других, York Space Systems и L3Harris, получили такую же долю в нулевом транше, как у мэтров, и это их характеризует. SDA заказало спутники связи пополам у York Space Systems и Lockheed Martin и инфракрасные спутники пополам у SpaceX и L3Harris. Налицо традиционное дублирование разработчиков с его проверенной стратегической эффективностью.

В первый запуск вошли восемь спутников York Space Systems с двумя терминалами лазерной межспутниковой связи и аппаратурой радиочастотной связи. Три из них дополнительно оснащены тактическим каналом передачи данных боевым средствам на Землю. И два спутника инфракрасного слежения SpaceX с широкоугольными сенсорами производства Leidos, тоже с двумя терминалами лазерной связи.

Второй запуск 2 сентября (с Ванденберга ракетой Falcon 9 на круговую орбиту высотой 950 км) включил десять спутников связи Lockheed Martin, ретранслятор от York и два спутника инфракрасного слежения SpaceX. Третьим запуском отправятся в космос четыре спутника слежения от L3Harris, отставшие из-за проблем с поставщиками. И последний спутник-ретранслятор от York останется на Земле в качестве испытательного стенда.

Каждый спутник связи от York и Lockheed Martin стоит $15 млн. Спутники с инфракрасным оборудованием почти втрое дороже, около $40 млн. Другие данные о спутниках скрыты завесой секретности: SDA не сообщает о размере и массе аппаратов, и нет никаких снимков их внешнего вида. А SpaceX в обоих запусках по просьбе SDA не транслировала свою обычную картинку с бортовых камер во время отделения спутников от верхней ступени ракеты.

Транш 1, ближайшее оплаченное и дальнейшее будущее

Следующий шаг SDA уже сделало, заказав в прошлом году 126 спутников ретрансляции у York Space Systems, Lockheed Martin и Northrop Grumman и 35 спутников инфракрасного слежения у L3Harris, Northrop Grumman и Raytheon. Дополнительно SDA купило еще 12 спутников у York Space Systems для проверки тактической связи и интегрированного обмена и 10 спутников у Ball Aerospace для проверки связи с малой задержкой и за пределами прямой видимости.

Контракты на эти аппараты составили транш 1 и потянули на $3,5 млрд. Всего на сегодня (в обоих траншах) SDA закупило уже 211 спутников. Как сообщил Дерек Турнир, запуски транша 1 пойдут с сентября 2024-го ежемесячно в течение года. SDA полагает заказать еще 216 спутников ретрансляции для запусков транша 2 с 2026 года. Итогом этой масштабной работы должна стать большая космическая сеть инфракрасного наблюдения с высоким разрешением и передачей данных сразу боевым средствам.

Универсальность такой сети многогранна. Это также связь удаленных тактических сетей через лазерный космический канал. Распределение сигнала между спутниками повысит быстроту и надежность передачи. С коротким циклом изготовления траншей в пару лет и ростом чувствительности инфракрасных сенсоров каждого поколения можно довести сеть до наблюдения сопла и горячей зоны реактивной струи самолетов. Все летящее с реактивным двигателем будет наблюдаться (с измерением координат) в любой момент времени. Переключите фильтр отсеивания — и сеть увидит и классифицирует все неподвижные огни: испытания, пожары, извержения, взрывы. Или масштабные, но маловыраженные и медленно меняющиеся тепловые события — типа метеорологических и других разного рода.

Тогда можно будет рассмотреть деятельность любого отдельно взятого аэродрома. С какими параметрами оттуда взлетают, куда летят, где и что выполняют, с какими перегрузками, другими деталями полетов, полетных графиков, активности за месяц и т. д. И эти наблюдения передавать в любую точку Земли через защищенную от помех лазерную связь и стойкую к потерям сетевую орбитальную группировку.

Боевое и небоевое

Создаваемая орбитальная структура максимально «затачивается» под конечную задачу — перехват гиперзвуковых целей. Если ее данные становятся ключевыми для перехвата, то это боевая сеть. Так она и называется разработчиками, с эпитетом сombat — «боевая».

Что считать боевым, а что нет? Традиционно боевым называется средство уничтожения цели, участвующее в нем или предназначенное для него. Межконтинентальные баллистические ракеты еще не знали боевого применения. Но это боевые ракеты, и стоят они на боевом дежурстве. Как и боевые самолеты, даже если эти бортовые номера не были в бою. На их пилонах висят боевые ракеты, в составе которых есть боевая часть; ее взрыв даст конус поражающих элементов. И только лишь эти кусочки металла непосредственно ударят в цель.

Но все, что для этого задействовано, считается боевым. И ракета с боевой частью, и самолет, доставляющий ракету к цели в пределах своей боевой дальности. И разворот самолета с набором высоты, дающий выгодное положение для атаки, официально называется «боевой разворот». Как и боевая экипировка воина со средствами связи на боевой частоте. Боевым становится весь комплекс средств и способов, приводящий к поражению цели.

Добывающая и передающая ключевые данные для перехвата система будет боевой независимо от платформы своей реализации, в том числе в виде сети низкоорбитальных спутников. Например, спутники SBIRS последней модификации строятся на платформе Lockheed Martin LM2100, которая прямо называется боевой платформой Combat Bus™. А на схеме работы своей низкоорбитальной системы SDA пишет «боевое управление», подчеркивая боевую сущность информации.

Ключевое звено перехвата — что это? Нам привычно считать им конечного исполнителя — истребитель или зенитную ракету. Или человека, летчика или зенитный расчет, управляющий техникой. В конце концов, не сами по себе пуля, патрон или ружье поражают цель, а именно стрелок. Или искусственный интеллект, управляющий оружием. Получив информацию о цели и обстановке, они рассчитывают и делают свои действия. Что важнее, данные или выстрел — баланс ответа может смещаться деталями расклада.

Орбитальная сеть, увидев цель и прогнозируя ее движение, запускает и ее уничтожение. В ранге заказчика передавая данные исполнительному звену — истребителю или зенитному комплексу. Пока нет открытых данных о звене принятия решения об уничтожении цели, где оно находится и как распределено. Лазерная космическая связь сети позволяет ему находиться в любой точке. И вряд ли Пентагон будет выкладывать все секреты управления и применения своей боевой орбитальной сети.

Многоспутниковые военные группировки: новый формат космической гонки

Пентагон наращивает усилия по противодействию гиперзвуковым угрозам. Поэтому во второй половине 2020-х SDA хочет разместить в космосе несколько сотен своих спутников с инфракрасными датчиками широкого обзора, лазерной и тактической связью. С мировой волной разработок гиперзвуковых средств такая система может стать важным инструментом снижения гиперзвукового потенциала вероятных противников и главным щитом своей территории от гиперзвукового оружия. Его неуязвимость создается высокой скоростью полета и малым временем для перехвата. Но при раннем обнаружении и оперативном измерении с передачей данных напрямую средствам поражения (воздушным, наземным и морским) времени может оказаться достаточно. И тогда с развитием алгоритмов самого перехвата он перейдет из разряда почти невыполнимого в обычную задачу, стандартную в боевой подготовке полка.

Вероятно, понимание потенциала таких орбитальных систем вызовет строительство аналогов. Китай с его мощным космическим и пусковым потенциалом уже выступает в роли второго номера — аналогично его соперничеству с США во второй лунной гонке. Индия с ее растущим космическим потенциалом тоже вероятный участник военной низкоорбитальной гонки. Но какую систему спутников сможет она потянуть и когда, большой вопрос.

Неизвестно, однако, и будущее орбитальной сети SDA. Нулевой транш демонстрационный. Он должен показать верность выбранных подходов и технических реализаций. «Должен» в технике понятие относительное: а вдруг не покажет? Но уже закуплены еще две сотни спутников, и вряд ли они останутся плесневеть на Земле при любом исходе демонстрации нуль-транша. Остается наблюдать, что будет дальше, как пойдет и куда дойдет развитие боевой инфракрасной низкоорбитальной сети.