Детективная история «Космоса-2499»

В начале прошлой недели по сети прошли новости про обнаружение таинственного спутника «Космос-2499». Разнообразные источники выдвигали версии об «убийце спутников», «спутнике-инспекторе», «экспериментальном аппарате с плазменным двигателем» и тому подобные интересные вещи. Тем любопытнее будет посмотреть его орбитальные параметры, попробовать посчитать расход характеристической скорости и проанализировать существующие версии о назначении и оснащении загадочного аппарата.

Предыстория и коррекция мифов

Прежде всего необходимо сказать, что объект 2014-028E стал вызывать подозрения ещё несколько месяцев назад. 23 мая 2014 года ракета-носитель «Рокот» вывела на орбиту три военных спутника связи «Родник». Вместе с разгонным блоком «Бриз-КМ» на орбите должно было оказаться четыре объекта (2014-028A-D). Однако был обнаружен пятый объект неизвестного происхождения. Это мог быть космический мусор, или же ещё один спутник. Вторая версия казалась весьма логичной — вместе с тремя «Родниками» в 2013 году был выведен неизвестный аппарат, впоследствии получивший номер «Космос-2491», а в 2012 и 2008 году попутно с основной нагрузкой запускались гражданские аппараты «МиР» и «Юбилейный». Ситуация стала гораздо интересней, когда в июне объект начал двигаться. 24 июня он снизил перигей на 4 км и поднял апогей на 3,5 км. В принципе, это всё ещё можно было списать на ошибки публично доступных орбитальных параметров. Но уже в июле изменения орбиты стали очевидно намеренными — перигей упал почти на 90 километров! А маневры аппарата заставили предположить, что он собирается подобраться к отработавшему «Бризу-КМ» (объект 2014-028D). Действительно, 9 ноября аппарат подошёл к разгонному блоку ближе одного километра. Из-за небольшой разницы в параметрах орбиты объекты разошлись снова, и их новое сближение ожидается в конце ноября-начале декабря. А журналисты подняли переполох примерно спустя неделю после первого сближения.

Получение данных и расчет орбитальных параметров

Какая польза обычному человеку от Стратегического командования Вооружённых сил США? Главным образом — получение данных об орбитальных параметрах спутников. Дело в том, у них есть сайт http://www.space-track.org/, на котором выкладываются публично доступные данные о летающих в космосе спутниках. Любой желающий, после регистрации, может получить доступ к этим данным. Воспользуемся их услугами:



Результатом будет портянка маловразумительных для непосвященного человека цифр:

1 39765U 14028E   14143.85155363  .00000010  00000-0  00000+0 0    18 2 39765 082.4519 349.4209 0018110 317.1560 042.8029 12.42900902    33 1 39765U 14028E   14143.93205085  .00000010  00000-0  00000+0 0    36 2 39765 082.4452 349.3605 0017028 316.2609 043.7103 12.42903492    40 1 39765U 14028E   14143.93205141  .00000010  00000-0  00000+0 0    28 2 39765 082.4533 349.3598 0018514 317.1806 042.7856 12.42904273    43

Это — так называемые TLE, формат описания орбиты космического объекта в двух строках. Сохраняем данные как CSV файл и читаем табличным процессором.
Задача первая — преобразование формата времени. «14143.85155363» — это 2014 год, 143 день года, а 0,85155363 — часы, минуты и секунды как доля полного дня. Используя функции табличного процессора, получить дату достаточно просто.
Задача вторая — получение данных об апогее и перигее. Здесь нам нужны формулы из орбитальной механики. В TLE предпоследним параметром второй строчки хранится частота обращения в оборотах в день (12.42900902). Используя формулы отсюда, мы можем получить значение большой полуоси эллипса орбиты как:

a = (8681663.653 / n0) ^ (2/3)
где:
n0 — частота обращения (среднее движение) в оборотах в день.

Зная большую полуось эллипса мы можем получить значения апогея и перигея как:

hp = a(1 — e0) — 6371
ha = a(1 + e0) — 6371
где:
e0 — эксцентриситет орбиты (пятый параметр во второй строке — 0018514, преобразуется в 0,0018514).
6371 — радиус Земли.

Я сделал файл с расчетами, формат ODS, для нормального отображения не пытайтесь открыть в Google Drive, скачайте и смотрите локально.

В результате получается следующий интересный график:



Одиночные выбросы — скорее всего глюки данных. Видно, что таинственный спутник весьма активно маневрировал с лета. Попробуем рассчитать затраты топлива на маневры.

Расчет расхода топлива на орбитальные маневры

Берем вот эту методичку с сайта Мичиганского технического университета. Делаем следующие допущения:

• Высоту апоцентра считаем постоянной.
• Изменение скорости рассчитываем как торможение с круговой орбиты.

Воспользуемся для расчета формулой из примера 9-2:



где μ — гравитационный параметр (для Земли — 398 600,4415)



Если есть специалисты по баллистике, знающие более удобные формулы, пишите, пересчитаю.

Суммарное изменение скорости 185 м/с (приблизительная оценка). Расчеты косвенно подтверждаются оценкой в 190 м/с в других источниках.

Попробуем оценить расход топлива на такие маневры. Если предположить, что на спутнике находится двигатель на высококипящих компонентах (НДМГ/АТ), то, взяв предположительную массу спутника в 50 кг и удельный импульс в 3200 м/с, как у двигателя «Бриза-КМ», получим в WolframAlpha расход всего лишь 2,8 кг топлива.

Попытка ответить на некоторые вопросы

Откуда взята масса спутника 50 кг?

Откуда эту массу взял неназванный эксперт «Интерфакса» достоверно неизвестно, однако, эта цифра весьма правдоподобна. Космические аппараты «МиР» и «Юбилейный», которые запускались попутной нагрузкой к трём «Стрелам»/«Родникам» имели массу 60 и 48 кг соответственно.

Плазменный двигатель?

Свежая новость про плазменные двигатели нового поколения взбудоражила общественность. Однако данные о маневрах спутника не дают оснований для таких выводов. Все ЭРД отличаются очень небольшой тягой, порядка миллиньютонов. Такая тяга не позволит быстро менять скорость на ~30 м/с, как мы видим это по TLE. Учитывая, что новость говорит о неназванном спутнике ОАО ИСС им. Решетнёва, плазменные двигатели могут стоять на «Родниках» (вряд ли), либо на каком-то из недавно запущенных геостационарных аппаратов, например «Меридиане» или «Экспрессе-АМ6», которые были запущены в октябре. Второй вариант наиболее вероятен — геостационарные спутники, во-первых, обладают большим количеством энергии от солнечных батарей, и, во-вторых, нуждаются в постоянной коррекции возмущающего воздействия Луны.

Назначение спутника?

Наиболее вероятно, что это испытания т.н. спутника-инспектора — аппарата, который сможет приблизиться к другому спутнику и осмотреть его. В пользу этой версии говорит секретность, окружающая «Космос-2499». Подобными спутниками занималось множество стран. Например, в 2000 году британский спутник SNAP-1, запущенный с космодрома Плесецк, используя двигатель на сжатом бутане, сфотографировал спутники «Надежда» и Tsinghua-1, которые были запущены той же ракетой-носителем. В США сходные задачи решали DART в 2006, ASTRO/NEXTSAT в 2007. Китай также запустил несколько маневрирующих спутников за последние годы.

Следующий по вероятности вариант — испытания нового двигателя для небольших спутников. Создание эффективных ЖРД малой тяги не проще создания мощных двигателей. Главная проблема — охлаждение двигателя. Если ЖРД большой тяги в качестве материала стенки камеры сгорания используют, например, бронзу, то двигатели малой тяги вынуждены экспериментировать с тугоплавкими рением и иридием.

Наименее вероятны оставшиеся варианты — эксперименты по изучению возможности ремонта/заправки/сведения с орбиты отработавших своё спутников, эксперименты с миниатюрными ТВ-системами и прочей электроникой.

Бонус

С «Космоса-2499» идёт телеметрия, радиолюбитель Дмитрий Пашков её записал и выложил на всеобщее обозрение — можно послушать «пение» аппарата:



Может быть, энтузиасты даже сумеют что-то расшифровать?

Источники информации

Главный источник информации — тема на форуме журнала «Новости космонавтики». Следите за новостями там.
КДПВ — фото спутника Tango, сделанное летящим в строю с ним спутником Mango, проект PRISMA.

Источник: geektimes.ru/post/241838/