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» ^[1], 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/ ^[2], 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 ^[3], 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 ^[4], 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 ^[5], 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 ^[6] 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 ^[7].

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» ^[8], получим в WolframAlpha ^[9] 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» ^[10] достоверно неизвестно, однако, эта цифра весьма правдоподобна. Космические аппараты «МиР» и «Юбилейный», которые запускались попутной нагрузкой к трём «Стрелам»/«Родникам» имели массу 60 ^[11] и 48 ^[12] кг соответственно.

Плазменный двигатель?

Свежая новость про плазменные двигатели нового поколения ^[13] 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 ^[14], 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 ^[15] в 2006, ASTRO ^[16]/NEXTSAT ^[17] 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 ^[18] 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» ^[19]. Следите за новостями там.
КДПВ — фото спутника Tango, сделанное летящим в строю с ним спутником Mango, проект PRISMA ^[20].

Автор: lozga

Источник ^[21]