Влияние космоса на современные информационные технологии

ВСТУПЛЕНИЕ

Освоение космоса, космические исследования относятся к од­ному из основных направлений научно-технической революции. Рассмотрение этого направления в технико-экономическом ас­пекте представит определенный интерес для специалистов, раз­рабатывающих международные программы сотрудничества в области экономики, науки и техники.

В этой работе показаны некоторые технико-экономические и научные предпосылки создания ряда космических систем. Рас­сматриваются условия наблюдения природных образований из космоса, обсуждаются методы и средства дистанционного зон­дирования при исследовании природных ресурсов и окружаю­щей среды. Кроме того, приводятся сведения о решении ряда других задач (связь, геодезия и т. д.) с помощью космических систем.

Искусственные спутники Земли, обладая такими особенно­стями, как возможностью находиться в зоне прямой видимости со значительных территорий поверхности Земли, высокой скоростью перемещения и регулярностью движения, позво­ляют эффективно решать важные народнохозяйственные за­дачи: определение координат (геодезия и навигация), пере­дача информации (телевидение, радиовещание, телефонная и телеграфная связь), наблюдение за Землей (исследование природных ресурсов и окружающей среды), изучение и конт­роль процессов в атмосфере.

Большой практический интерес, в частности, представляет вынесение в космос, например на орбиты искусственных спут­ников Земли или на Луну, части производственно-технических комплексов. На Луну могут быть вынесены вредные, горнодо­бывающие, энергоемкие виды производства. В условиях кос­мического полета (невесомость, вакуум) могут производиться крупные кристаллы, композитные материалы, уникальная оп­тика, сверхчистые химические и лекарственные препараты и многое другое. Особое значение в ближайшем будущем будет иметь вынос за пределы Земли вредных, вторично не перерабатываемых отходов производства.

Технические характеристики ракетно-космических систем, а также успехи в создании радиоэлектронной и оптико-механи­ческой аппаратуры позволили приступить уже в наши дни к решению конкретных задач. Среди них особо важное значение имеют задачи, связанные с разно­сторонним и комплексным исследованием природных ресур­сов Земли и окружающей среды. Это объясняется по крайней мере двумя главными обстоятельствами. Первое из них свя­зано со все расширяющейся (причем за последние годы тем­пы растут лавинообразно) хозяйственной деятельностью че­ловека на нашей планете, требующей форсированной разра­ботки природных ресурсов, второе — со все более существен­ным влиянием человека и его производственной деятельности на природную среду. Если в прежние годы вопрос стоял о том, чтобы в минимальной степени влиять на экологическую систему планеты, другими словами, не нарушать равновесия в природе, то теперь мы вынуждены на основании глубокого изучения биосферы изменять эти условия, но таким образом, чтобы сохранить природную среду в состоянии, пригодном для комфортной жизни человека. Решать такие глобальные задачи возможно только с помощью космонавтики.

КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Использование космической техники сущест­венно повысило эффективность системы связи, позволило связать между собой все уголки земного шара, дало возможность широко ис­пользовать самые информативные, короткие волны, на которых работает телевидение. Даль­няя радиосвязь с помощью обычных радио­станций осуществима на сравнительно малоинформативном диапазоне радиоволн длиной от 200 до 10 м. В этом диапазоне, например, мож­но одновременно осуществлять примерно нес­колько тысяч разговоров. Это мало. Более ко­роткие радиоволны — от 10 м до 2 см — суще­ственно более информативны, но прямолиней­ность распространения этих волн (они не за­держиваются ионосферой) делает невозможным их использование для глобальной радиосвязи с помощью обычных наземных радиопередающих средств. Более того, даже в том диапазо­не, которым пользуются наземные средстве, не удается создать высококачественной связи, так как радиосигналы, многократно отражаясь от ионосферы и Земли, претерпевают заметные изменения в зависимости от состояния атмос­феры. Довольно частой ситуацией является пол­ное нарушение связи на несколько суток при так называемых магнитных бурях, вызванных сол­нечной активностью. Все это ограничивает ка­чество и надежность глобальной радиосвязи.

Новые возможности для повышения каче­ства, оперативности и надежности связи откры­лись с запуском искусственных спутников Зем­ли. Находясь в поле прямой радиовидимости большого числа удаленных друг от друга наземных пунктов, спутник позволяет объединить их сетью косми­ческой связи. В этом случае благодаря прямой видимости спутника с наземных пунктов используются информативные, короткие волны, что обеспечивает надежную и высокоэкономичную передачу большого объема информации на дальние расстояния.

Использование искусственных спутников Земли в системе связи основывается на ретрансляции отражающей поверхно­стью или аппаратурой спутника сигналов от передающих на­земных станций к приемным. В первом случае ретрансляция называется пассивной, во втором — активной. При пассивной ретрансляции используется большая площадь отражающей поверхности спутника, которая рассеивает падающую на него часть энергии радиоволн, а наземная приемная радиостанция принимает часть рассеянной спутником энергии. Пассивные спутники передают сигналы без задержки (в реальном масштабе времени), т. е. обеспечивают мгновенную ретрансля­цию.

Такие спутники отличаются простотой и малой стоимостью. Это могут быть надувные тонкостенные оболочки, не содержащие сложной специальной аппаратуры. Они надежны в работе и могут служить весьма продолжительное время. Управлять их работой предельно просто. Еще одним их преимуществом яв­ляется возможность одновременной и независимой ретранс­ляции через один спутник практически неограниченного числа сигналов совершенно различных систем связи, соединяющих разные пункты (при условии, что системы работают на разных частотах).

По схеме пассивной ретрансляции работали американские спутники серии “Эхо”. Тонкостенная оболочка из металлизиро­ванных синтетических пленок имела сферическую форму диа­метром 30 м у “Эхо—1” и 40 м — у “Эхо—2”. Эксперименталь­ная эксплуатация этих спутников показала, что связь на их ос­нове недостаточно эффективна. Это объясняется прежде всего слишком большим затуханием сигнала. В связи с этим требу­ются большие мощности (около 10 МВт) передающих станций и очень высокие чувствительности приемных наземных ус­тройств. Это определяет сложность и высокую стоимость на­земных станций и, следовательно, всей системы космической связи в целом, несмотря на относительно небольшую стоимость самих спутников. Кроме того, слабость отраженных к Земле сигналов обусловливает большие шумы и помехи, а следова­тельно, низкое качество связи. Все это заставило отказаться от создания в настоящее время эксплуатационных систем связи на основе использования пассивных космических ретрансля­торов.

Намного более перспективным оказался принцип построе­ния космических систем связи на основе активной ретрансля­ции сигналов. В этом случае аппаратура спутника принимает радиосигналы с Земли, усиливает и затем вновь передает (ре­транслирует) их на Землю. Наличие на спутнике специальной приемопередающей аппаратуры позволяет существенно сни­зить мощность передающей и чувствительность приемной станции, работающих на Земле. Вызванное этим снижение стои­мости наземных станций столь велико, что вполне окупаются затраты на создание достаточно сложного спутника, его запуск и последующую эксплуатацию. Такая система космической свя­зи рентабельнее системы на основе пассивных ретрансляторов и более рентабельна, чем обычные наземные системы связи. Оценки показывают, что, например, в ряде случаев подобная космическая система связи становится экономически более эффективной по сравнению с обычной наземной уже при даль­ности связи более 200 км. Высокий уровень мощности приходя­щего к Земле сигнала при его активной ретрансляции спутни­ком обусловливает высокое качество связи. Эти факторы оп­ределили использование для космической системы связи прин­ципа активной ретрансляции сигналов.

Большими достоинствами обладает космическая система свя­зи со спутниками на так называемой стационарной орбите, представляющей собой круговую экваториальную орбиту высо­той около 30 тыс. км. Такая орбита характерна тем, что спут­ник на ней находится в неподвижном относительно поверхнос­ти Земли положении (в связи с равенством их угловых ско­ростей вращения). Со стационарной орбиты обеспечивается большая зона охвата поверхности. Один стационарный спутник может обеспечить круглосуточную связь между пунктами, уда­ленными друг от друга на расстояние около 17 тыс. км, причем для уменьшения потерь сигналов принимается, что спутник а крайних точках виден под углом 7,5°.

Весь диапазон частот, ретранслируемых спутником связи, де­лится на поддиапазоны, называемые стволами, причем каждый ствол занимает полосу частот, необходимую для передачи од­ной телевизионной программы. Однако через него может пе­редаваться не только телевизионная информация, но и, если необходимо, телефонная, телеграфная, фототелеграфная, ра­диовещательная. Так, например, через один ствол можно пе­редавать одновременно до 600 телефонных разговоров. Чем большее количество стволов имеет связной спутник, тем более информативную связь он может обеспечить, том более “про­изводительной” будет космическая система связи.

Всеобщий охват населения обширной территории телевиде­нием с помощью наземных средств хотя в принципе и возмо­жен, но сопряжен с большими материальными затратами, не­обходимыми для постройки уникальных телевизионных башен и линий радиорелейной связи. При этом при использовании ка­бельных линий приходится усиливать сигналы связи через каж­дые 6—10 км, а для связи по радиорелейным линиям необхо­димо через каждые 40—60 км устанавливать сложные ретранс­ляционные станции. Для их создания потребуются дефицитные строительные материалы и большая армия строителей, которые могли бы быть использованы на других работах. Время, необходи­мое для ввода в действие таких уникальных наземных сооруже­ний, будет исчисляться десятилетиями. Кроме того, многоэлементность такой системы делает ее малонадежной, неоператив­ной и низкокачественной. Что же касается организации межкон­тинентальных передач, то наземными средствами реализо­вать их через океан практически не представляется возмож­ным. Такая задача под силу только спутниковым системам связи.

В 1973 г. в СССР начал эксплуатироваться новый спутник свя­зи “Молния-2” с диапазоном частот 4—6 ГГц. Он предназна­чен для организации многоканальной телефонно-телеграфной связи, передачи программ черно-белого или цветного телеви­дения на сеть системы “Орбита”, а также для обеспечения международного сотрудничества в области космической связи. В последующие годы совершенствовались как спутники, так и приемные станции. В Советском Союзе были запущены спут­ники “Молния-3”, “Радуга” и “Экран”, которые должны вой­ти в постоянную эксплуатацию в 1975—1980 гг., причем спутник “Экран”, располагаясь на стационарной орбите, позволяет при­нимать сигналы на недорогие малогабаритные наземные ан­тенны коллективного пользования.

Системы космической связи обеспечивают решение нацио­нальных задач по удовлетворению внутренних потребностей каждой страны и одновременно расширяют возможности меж­дународного обмена информацией.

Сегодня космические системы связи прочно вошли в жизнь. Десятки стран широко используют возможности систем косми­ческой связи и телевидения, которые создали предпосылки для обобщения и распространения информации в глобальном мас­штабе.

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Множество причин затрудняет точное пред­сказание погоды. В конечном счете практиче­ски все явления в атмосфере связаны с превра­щениями получаемой Землей солнечной энер­гии, но эти превращения столь многообразны и сложны, что их изучение, учет, а тем более прогнозирование представляют большие труд­ности. Связано это с неоднородностью атмосфе­ры, ее подвижностью, разнообразностью рель­ефа и физических свойств поверхности Земли, ее вращением, излучением тепла от Земли и ат­мосферы в космос. К границе земной атмосфе­ры на каждый ее квадратный метр приходит от Солнца в течение минуты 20 ккал энергии. Око­ло 35% ее отражается обратно в космос, 15% поглощается атмосферой и 50% — поверхно­стью Земли.

Разнообразен характер солнечного излучения. Оно проявляется в виде радиоизлучения, ин­фракрасного, светового, ультрафиолетового, рентгеновского излучений, а также в виде по­тока заряженных частиц — электронов, прото­нов. Каждое из перечисленных излучений Сол­нца оказывает различное влияние на разные слои атмосферы. При этом к поверхности Земли приходит в основном видимая часть излучений Солнца.

Нагреваясь, Земля отдает тепло атмосфере. Теплоотдача происходит как при контакте воз­духа с поверхностью суши и воды, так и путем теплового излучения Земли. Атмосфера очень хорошо поглощает излучаемое Землей тепло. Большая подвижность атмосферы ведет к быс­трым перемещениям теплых масс воздуха вверх, а холодных вниз. Этой же причиной вызываются весьма значи­тельные перемещения холодных масс из охлажденных районов Земли и теплых из районов с высокой температурой. Вращение Земли заставляет возникающие в северном полушарии потоки воздуха отклоняться вправо, а в южном—влево от тех на­правлений, которые они имели бы в случае неподвижности зем­ного шара. Это приводит к развитию гигантских вихревых ат­мосферных образований—циклонов и антициклонов.

Вследствие трения между земной поверхностью и переме­щающейся воздушной массой и между отдельными слоями воз­духа отклоняющее воздействие вращения Земли на различных высотах сказывается по-разному. Оно возрастает с увеличени­ем высоты. Например, непосредственно над поверхностью су­ши направление ветра изменяется до 45—55°, а на уровне 50 м — до 90°. В результате совместного действия всех факторов получается очень сложная картина распределения воздушных течений в атмосфере.

Таким образом, для изучения погодообразующих процессов и прогнозирования погоды необходимо всестороннее изучение самых разнообразных явлений в атмосфере Земли и на ее по­верхности, а также в космосе (в околоземном и дальнем, включая Солнце).

Дело в том, что под действием коротковолновой радиации “спокойного” Солнца образуется земная ио­носфера. Это излучение также оказывает непосредственное влияние на молекулярный состав и плотность верхних слоев атмосферы, что в свою очередь определяет тепловой баланс нижних ее слоев. Не менее важно влияние различных активных процессов в солнечной короне, наиболее известными из кото­рых являются солнечные вспышки.

Проблемы солнечно-земных связей еще во многом ждут своего решения. Но уже сегодня ясно, что многие “спусковые механизмы” погодных явлений, происходящих на Земле, ини­циированы космическими причинами. Разнообразные спутники и межпланетные станции приступили к систематическому изу­чению проблем солнечно-земной физики.

Дальнейшее развитие техники и экономики предъявляет новые требования к метеорологии. Еще недавно прогнозы пого­ды составляли для обеспечения хозяйственной деятельности относительно небольших районов. Теперь же с созданием регу­лярных авиалиний в самые отдаленные пункты нашей планеты, с организацией межконтинентальных перелетов в Антарктиду, с развитием морского транспорта и распространением рыбо­ловства на весь Мировой океан наиболее необходима полная информация о гидрометеорологической обстановке и ее пред­стоящих изменениях в масштабе всей Земли.

Уверенное прогнозирование погоды на длительный срок тре­бует создания теории общей циркуляции атмосферы, что не­возможно без систематических метеорологических наблюдений на всей поверхности планеты. Однако существующие в настоя­щее время около 10 тыс. метеостанций на Земле не позволя­ют решить эту задачу. Они не могут дать информацию с ог­ромных просторов океанов, их мало в труднодоступных рай­онах суши, на ледяных просторах Арктики и Антарктики. Поч­ти 80% планеты остается “белым пятном” для метеорологии. Неконтролируемая часть атмосферы не только велика по раз­мерам, но и расположена над районами, играющими важней­шую роль в формировании погодных явлений.

По-настоящему широко удалось взглянуть на атмосферу только с помощью космических аппаратов: только метеороло­гический спутник, вооруженный специальной аппаратурой, не­прерывно перемещаясь над Землей, может дать информацию о погоде на всей планете.

Измеряя с помощью бортовой аппаратуры спутника пара­метры излучения тепла различных слоев атмосферы, можно получить богатый материал для изучения происходящих в ней процессов. Кроме того, спутник может служить хорошим сред­ством для сбора информации с наземных метеорологических пунктов, разбросанных по всему земному шару. За время од­ного оборота вокруг Земли спутник собирает данные, которые в 100 раз превышают информацию, поступающую со всех метео­рологических станций, и, кроме того, дает сведения о погоде на той части поверхности земного шара, которая является “бе­лым пятном” для метеорологов.

Таким образом, космическая техника станет одним из самых эффективных средств в метеорологии, имеющих огромное эко­номическое значение. Уже первые метеорологические спутни­ки дали много ценной для хозяйственной практики информации. Так, например, “Космос-144”, входивший в экспериментальную метеорологическую систему “Метеор”, обнаружил, что от о. Врангеля до Берингова пролива океан очистился от льда. Это позволило начать навигацию по Северному морскому пути на месяц раньше намеченного срока.

Обнаружение тайфунов и ураганов с помощью спутников стало обычным явлением. Так были обнаружены ураганы “Бэтси”, “Эстер”, тайфуны “Ненси”, “Памела”, которые наносят ог­ромные убытки хозяйству. Например, ураган “Агнес”, обрушив­шийся на восточную часть США 20—23 июня 1972 г., унес 118 жизней, а причиненный им материальный ущерб оценивается в три с лишним миллиарда долларов. Объем осадков, выпав­ших на сушу во время урагана, составил около 100 куб. км.

Уже сегодня эксплуатация метеорологических космических систем вносит серьезный вклад в экономику, а в ближайшие годы он возрастает во много раз. Так, например, если метео­рологические спутники позволят составлять надежный прогноз погоды на пять суток вперед, то (по оценкам совета экономи­ческих экспертов при президенте США) ежегодно будет обес­печен следующий экономический эффект: в сельском хозяйстве—2500 млн. долл., в наземном транспорте—100 млн.; в лесной промышленности—45 млн.; в водном хозяйстве—3000 млн. долл. Таким образом, суммарный эффект в хозяйственных отраслях Соединенных Штатов от такой системы составит около 6 млрд. долл. Для всего мира эта цифра возрастет во много раз.

По мнению зарубежных ученых, прогнозы погоды с досто­верностью 90—95% для всего земного шара на трое суток вперед с помощью космической метеорологической системы обеспечат ежегодную экономию около 60 млрд. долл.

Для составления прогнозов Гидрометеослужбы СССР широко используются спутники “Метеор”, на основе которых в 1967 г. была создана метеорологическая космическая система. Она, по далеко не полным данным, позволяет сохранить ежегодно материальные ценности на сумму около 700 млн. руб.

Метеорологическая система “Метеор” состоит из метеоро­логических спутников, находящихся на орбитах, наземного комплекса приема, обработки и распространения информации, а также службы контроля состояния бортовых систем спутни­ков и управления ими.

Метеорологический спутник состоит из двух герметичных от­секов: приборного, находящегося в его нижней части и содер­жащего научную аппаратуру, и энергоаппаратурного, в котором размещаются основные служебные системы. С этим отсеком конструктивно связан механизм электропривода панелей сол­нечных батарей. Продольная ось спутника постоянно направ­лена к центру Земли. Спутник ориентирован также по двум дру­гим осям, направленным вдоль траектории и перпендикулярно к плоскости орбиты. Стабилизируется он с помощью электро-маховичной системы. Солнечные батареи с помощью специаль­ной системы ориентации и стабилизации постоянно располага­ются плоскостями панелей перпендикулярно солнечным лучам. Направление оси спутника контролируется датчиками теплового излучения Земли, а для ориентации солнечных батарей используются специальные фотоэлементы. Система терморегулирова­ния обеспечивает требуемый режим работы внутри спутника.

Метеорологическая аппаратура спутника состоит в основном из телевизионной (ТВ), инфракрасной (ИК) и актинометрической (АК) систем. Она может работать циклами различной продол­жительности и включается по заданной программе или по ко­мандам с Земли. ТВ и ИК снимки позволяют выявить осо­бенности структуры полей облачности, не доступные наблюде­ниям с наземной сети станций, и сделать выводы не только о положении, но и об эволюции соответствующих синоптических объектов и воздушных масс. Совместная ТВ и ИК информация позволяет сделать более надежную оценку синоптической обстановки и характера развития атмосферных процессов.

АК аппаратура предназначена для измерения радиации, ухо­дящей от Земли. В ее составе имеются два сканирующих узко-секторных прибора, один — для диапазона 0,3—3 мкм, а дру­гой для диапазона 3—30 и 8—12 мкм. Это позволяет исследо­вать отражательные и излучательные свойства облаков и от­крытых участков земной поверхности, а также радиационный баланс системы Земля—атмосфера.

За один оборот вокруг Земли спутник “Метеор” получает ТВ и ИК информацию с территории около 8% и о радиацион­ных потоках—с 20% площади земного шара. Система из двух спутников, находящихся на круговых околополярных орбитах высотой около 630 км, плоскости которых пересекаются под углом 95°, дает в течение суток информацию с половины по­верхности Земли. При этом каждый из районов планеты наб­людается с интервалом 6 ч.

В СССР создана также наземная система сбора, обработки и распространения метеоинформации, построенная на использо­вании электронно-вычислительных машин. Получаемая инфор­мация оформляется в виде снимков, на которые наносится сетка географических координат, свободных от перспективных искажений, приведенных к одному масштабу и удобных для сравнения с синоптическими картами. Результаты обработки данных АК аппаратуры представляются в виде цифровых карт с автоматически нанесенной на них сеткой координат и изоли­ниями. Полученная информация используется для междуна­родного обмена. Уже в течение ряда лет ученые социалистиче­ских стран ведут в рамках программы “Интеркосмос” исследо­вания облачности, радиационного и теплового баланса системы Земля — атмосфера по спутниковым данным. В результате этой работы специалисты Болгарии, Венгрии, ГДР, Румынии и Совет­ского Союза создали совместную книгу “Использование данных о мезомасштабных особенностях облачности в анализе погоды”. Это издание имеет практическое значение для оперативной ра­боты синоптиков-прогнозистов. Большой практический интерес представляет также совместная работа ученых этих стран над усовершенствованием методов получения полей метеорологи­ческих элементов на основе спутниковой информации. В ряде социалистических стран создаются бортовые приборы, устанав­ливаемые на советских метеорологических спутниках, а также наземная аппаратура для приема информации со спутников в режиме непосредственной передачи.

Большие возможности для оперативного наблюдения погод­ных явлений имеют пилотируемые космические корабли и стан­ции, так как космонавт может немедленно дать сведения о тех или иных погодных явлениях, не дожидаясь специальной обра­ботки метеоинформации в наземном центре. В процессе поле­та космических кораблей “Союз” и орбитальных станций “Са­лют” был получен ряд ценных сведений, используемых в рабо­те Гидрометцентра СССР.

Метеорологические системы как в СССР, так и в других стра­нах непрерывно совершенствуются. Можно предполагать, что в будущем в метеорологическую систему войдут космические аппараты, расположенные на трех ярусах. Первый ярус состав­ляет долговременные обитаемые орбитальные станции. Они обеспечат визуальные наблюдения геосферы и быстропротекающих метеорологических явлений, а также, приливов, обвалов, пыльных и песчаных бурь, цунами, ураганов, землетрясений. Второй ярус — это автоматические спутники типа “Метеор” на полярных и приполярных орбитах высотой 1—1,5 тыс. км. Ос­новное их назначение — поставлять информацию, необходимую для численных методов прогнозирования погоды в глобальном и локальном масштабах, обеспечить наблюдение средне- и мел­комасштабных процессов в атмосфере. Наконец, третий ярус — метеорологические спутники на орбитах высотой до 36 тыс. км для непрерывного наблюдения динамических процессов в атмосфере Земли. Они дадут картину общей циркуляции атмос­феры. Кроме того, такая трехъярусная метеосистема будет по­лучать дополнительную информацию о “погоде” в космосе от космической службы Солнца и космоса. Суммируя всю эту ин­формацию, ученые смогут точнее предсказывать ход событий в атмосфере, познать закономерности погодообразования, что позволит вплотную подойти к управлению погодой на нашей планете и создаст предпосылки для преобразования природы на Земле в нужном для человечества направлении.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУТНИКОВ В ГЕОДЕЗИИ И НАВИГАЦИИ

Искусственные спутники открыли новую эру в науке об измерении Земли — эру космической геодезии. Они внесли в геодезию новое качество — глобальность; благодаря большим размерам зоны видимости поверхности Земли со спутни­ка значительно упростилось создание геодези­ческой основы для больших территорий, так как существенно сократилось необходимое количество промежуточных этапов измерений. Так, если в классической геодезии среднее расстоя­ние между определяемыми пунктами составля­ет 10—30 км, то в космической геодезии эти расстояния могут быть на два порядка больше (1—3 тыс. км). Тем самым упрощается передача геодезических данных через водные простран­ства. Между материком и островами, рифами, архипелагами геодезическая связь может быть установлена при прямой их видимости со спут­ника непосредственно через него, без каких-ли­бо промежуточных этапов, что способствует бо­лее высокой точности построения геодезиче­ской сети.

Основным методом космической геодезии яв­ляется одновременное наблюдение спутника с наземных пунктов. При этом измеряются самые разнообразные параметры относительно поло­жения пунктов и спутников. Параметрами могут служить дальность, скорость изменения даль­ности (или радиальная скорость), угловая ориен­тация линии визирования пункт—спутник в ка­кой-либо системе координат, скорость измене­ния углов и т. д. Измерительные средства распола­гаются на наземных пунктах. На спутнике же раз­мещается аппаратура, обеспечивающая работу этих измерительных средств. Спутник — это вспомогатель­ный маяк для проведения измерений относительно по­ложения опорных пунктов, причем этот маяк может быть как пассивным, так и активным. В первом случае спутник, освещен­ный солнцем или имеющий специальную лампу-вспышку, фото­графируется с наземных пунктов на фоне звездного неба.

Одновременность наблюдений спутника с нескольких пунктов обеспечивается специальным синхронизирующим устройством, которое по сигналам единого времени производит одновремен­ное открывание и закрывание затворов фотокамер. Наличие на фотографии изображений звезд (в виде точек) и следа спутни­ка в виде пунктирной линии позволяет путем графических изме­рений определить взаимное положение штрихов пунктирной линии, соответствующих положениям спутника, и ближайших к ним точек, соответствующих звездам. Это дает возможность, зная положение звезд по звездному каталогу, определить ко­ординаты штрихов спутника или, точнее, угловую ориентацию линий визирования наблюдательный пункт—спутник. Совокуп­ность угловых координат линии визирования пункт—спутник позволяет определить взаимную угловую ориентацию геодези­ческих пунктов. Ориентация всей сети на поверхности Земли требует знания координат хотя бы одного пункта, определяе­мых классическими методами, и дальности до другого или ко­ординат двух пунктов, называемых базисными. - Для преодоления неблагоприятных метеорологических усло­вий при оптических наблюдениях спутника используются радио­технические средства. В этом случае спутник является как бы активным маяком. Применяются различные принципы измере­ний: эффект Доплера, смещение фаз радиосигналов спутника, принимаемых в различных точках пункта, время распростра­нения сигнала пункт—спутник—пункт и т. д.

Большие перспективы в измерительной технике космической геодезии имеют оптические квантовые генераторы (лазеры). Они позволяют измерять дальность и радиальную скорость со значительно более высокой точностью, чем с помощью радио­технических средств. Таким образом, космическая геодезия позволит уточнить форму Земли — геоид, точно определить ко­ординаты любых пунктов на поверхности нашей планеты, соз­дать топографические карты на любые районы земной поверх­ности и определить параметры поля тяготения Земли.

Все это даст возможность морскому флоту определять очер­тания материков и получать точные координаты островов, ри­фов, маяков и других морских объектов, авиации — определять координаты аэропортов, наземных ориентиров и станций наведения. Эти данные позволят выбирать наилучшие маршруты движения и обеспечат надежность и безопасность работы морского и воздушного транспорта.

Как известно, для прокладки курса корабля или самолета в каждый момент времени необходимо точно знать их место­положение. Для этих целей служат различные навигационные системы, которые обеспечивают вождение по заданным мар­шрутам. С давних времен в навигации использовались есте­ственные ориентиры или поля: небесные светила, магнитное поле Земли и др. В последнее время большое распростране­ние получили радионавигационные системы, среди которых наиболее современными являются системы, использующие ис­кусственные спутники Земли.

Спутники обеспечивают навигационной системе глобальность. Всепогодность навигации в этом случае достигается благодаря использованию радиосредств сверхвысокочастотного диапазона.

Навигация с использованием спутников основана на измере­нии параметров относительного положения и движения навигируемого объекта и спутника. Такими параметрами могут слу­жить: расстояние (дальность), скорость изменения этого расстоя­ния (радиальная скорость), угловая ориентация линии объект-спутник (линии визирования) в какой-либо системе координат, скорость изменения этих углов и др.

Координаты спутника в моменты навигационных определе­ний могут сообщаться кораблям (или самолетам) при каждой навигации. Кроме того, на спутнике может устанавливаться за­поминающее устройство, в которое закладываются данные о его прогнозируемом движении. Эта информация “сбрасывает­ся” со спутника в процессе полета (периодически или по запро­су с навигируемого объекта). Для упрощения процесса опреде­ления координат объекта может быть составлен каталог эфеме­рид (параметров орбит) навигационных спутников на несколько месяцев или лет вперед.

Большое влияние на прогнозирование движения спутника оказывают ошибки определения элементов орбиты, которые зависят прежде всего от точности работы наземных измери­тельных средств. Эти средства должны быть хорошо “привяза­ны” к геодезической системе координат. Если этого не будет, то может произойти “сдвиг” координатной системы навигаци­онного спутника относительно геодезической. А это приведет к сдвигу в определении положения навигируемого объекта от­носительно геодезической системы, а следовательно, и к сдвигу относительно земных ориентиров, что может вызвать катастро­фические последствия. Геодезические спутники позволяют с высокой точностью осуществить привязку координат измеритель­ных пунктов к геодезической системе.

Для успешной работы навигационных спутников имеет значе­ние правильный выбор параметров их орбит. Необходимо обес­печить достаточную частоту видимости спутника с навигируемых объектов. С этой точки зрения различные орбиты сильно отличаются друг от друга. Так, спутник, летящий по низкой полярной орбите “осматривает” всю Землю дважды в сутки, один раз на прямых, другой—на обратных витках. Точнее го­воря, Земля относительно движущегося по орбите спутника перемещается так, что с любой ее точки он может быть виден 2 раза в сутки. Чтобы обеспечить непрерывный обзор поверх­ности Земли со спутников, запускаемых на полярные орбиты, т. е. для обеспечения видимости одного или более спутников с корабля или самолета, находящегося в любой точке нашей планеты, необходимо на орбитах высотой 200 км иметь 160 спут­ников, а высотой 1 тыс. км — 36 спутников.

Создание систем космической навигации позволяет значитель­но улучшить безопасность движения транспорта. Подобные сис­темы прочно входят в практику корабле и самолетовождения, так как позволяют с высокой точностью определять местополо­жение кораблей и самолетов в любое время суток, при любом состоянии погоды.

ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА РАЗВИТИЕ НАУКИ И ПРОИЗВОДСТВА

Создание сложнейших ракетно-космических систем, возникновение космической индустрии и решение фундаментальных проблем науки и техники, связанных с полетами в космос, дали массу идей, технических средств и принципи­ально новых конструктивно-технологических ре­шений, внедрение которых в традиционное про­изводство и использование в различных сфе­рах деятельности человека даст колоссальные экономические выгоды. Опосредованные выго­ды, которые приносит человечеству космонав­тика, весьма трудно поддаются количественным оценкам. Тем не менее попытки таких расчетов делаются. Так, например, согласно подсчетам ряда зарубежных специалистов, прибыль, обус­ловленная научными исследованиями и разра­ботками в области космоса, достигает 207 млрд. долл.

Благодаря развитию космонавтики физиче­ская наука обогатилась фундаментальными от­крытиями в области астрофизики, космического излучения, изучения радиационных поясов Зем­ли, солнечно-земной физики, рентгеновской астрономии и др. Потребности космической тех­ники стимулировали исследования в области фи­зики электронных и ионных пучков и направлен­ных плазменных потоков. Применение низко­температурных (криогенных) ракетных топлив, создание бортовых электрогенераторов сверх­большой мощности, технически совершенных, привело к необходимости глубокого изучения физики низкотемпературных жидкостей, пове­дения их в условиях невесомости, разработки новых методов криостатирования легких надежных магнитных систем с малым энергопотреблением, стимулиро­вало развитие физики сверхпроводимости и гелиевой криогеники.

Развитие космической энергетики позволило значительно усо­вершенствовать существующие источники тока. Так, например, топливные элементы, вырабатывающие электрический ток в ре­зультате электрохимических процессов, применяемые в косми­ческих кораблях, в будущем могут найти широчайшее исполь­зование в автомобилях, что позволит ликвидировать один из основных источников загрязнения атмосферы, каким является двигатель внутреннего сгорания. Топливные элементы, по-ви­димому, будут широко внедрены в промышленность и сель­ское хозяйство как удобный и эффективный источник электро­энергии. То же можно сказать о радиоизотопных и ядерных ис­точниках тока. Наряду с этим усовершенствованные химиче­ские аккумуляторы (никель-кадмиевые, серебряно-кадмиевые, серебряно-цинковые) и солнечные батареи, широко исполь­зующиеся в космических системах, найдут применение в самых различных областях народного хозяйства.

Большое значение в современной технике имеет надежность механизмов и машин. Разработка сложных космических ком­плексов, эксплуатация которых проходит в исключительно труд­ных и малоизведанных условиях, стимулировала дальнейшее развитие теории надежности, теории проектирования (внедре­ние системных методов), методов испытаний и эксперименталь­ной отработки и пр. В связи с тем что на космическую технику работают практически все отрасли народного хозяйства, проб­лемы повышения надежности охватывают и электронику, и из­мерительную технику, и машиностроение. Таким образом, кос­монавтика стимулирует повышение надежности в самых раз­личных областях производства.

Велико значение ракетно-космической техники в развитии ми­кроэлектроники и вычислительных машин. Острая потребность в малых размерах и незначительном энергопотреблении приве­ла к разработке сверхминиатюрных, компактных и высокона­дежных радиоэлектронных приборов и устройств, инициирова­ла развитие транзисторной техники и интегральных схем, кото­рые в последние годы широко употребляются в производстве радиоприемников, телевизоров, электронных часов и т. д. Внед­рение совершенных электронных вычислительных машин в раз­личные отрасли народного хозяйства привело к резкому уве­личению производительности труда и удешевлению продукции, позволило высвободить большое количество времени для твор­ческой деятельности человека.

Ракетно-космическая техника связана с разработкой и раз­вертыванием промышленного производства самых разнообраз­ных конструкционных материалов, которые находят в настоя­щее время применение в различных областях производства и строительства. Хорошо известно, как широко используется “крылатый” металл алюминий. Все больше начинает внедрять­ся титан и его сплавы. Но, пожалуй, наибольшее значение име­ет создание всевозможных неметаллических конструкционных материалов: армированных, комбинированных, слоистых, стой­ких и к высоким и к крайне низким температурам. Так, например, новый составной материал, состоящий из нитевидных кристал­лов бора, склеенных специальной резиной, вдвое прочнее и в два с половиной раза тверже алюминия. При этом он на 25% легче его. Одна из фирм Швейцарии применила разработанную для космических целей технологию в производстве нового “слоеного” материала (алюминий и пластиковая пена) для из­готовления стенных панелей, а также чрезвычайно прочных и легких лыж. Для крупных твердотопливных ракетных двигате­лей в США был создан так называемый армированный плас­тик (из стекловолокна). Сейчас он широко используется для производства водопроводных и канализационных труб и в ир­ригации. Он легок, не подвержен коррозии, устойчив на сжа­тие, практически не бьется и пригоден для получения тонко­стенных труб (особенно большого диаметра). Производство этого материала отличается простотой и не требует больших экономических затрат. Широкое распространение уже получил алюминированный пластик. Он нетеплопроводен, гибок, устой­чив против ветра и воды. Хотя его толщина всего 0,012 мм, он поразительно прочен. Широкое применение в народном хозяй­стве нашли также полиэтиленовые пленки, специальные искус­ственные кожи и многие другие материалы. Таким образом, потребности ракетно-космической техники вызвали целую революцию в области конструкционных материалов. Теперь материалы практически с любыми свойствами могут быть полу­чены чуть ли не из любого пригодного сырья, что позволяет меньше зависеть от природных ресурсов. Это имеет огромное экономическое значение.

Большой вклад внесла космонавтика в решение проблем ор­ганизации работ и управления разработками, а также в науку о прогнозировании развития науки и техники. Реализация круп­нейших проектов, связанных с созданием ракет-носителей, меж­планетных станций, пилотируемых кораблей и орбитальных баз, позволила разработать методы и средства, дающие возмож­ность вплотную подойти к таким, например, глобальным проектам, как освоение Мирового океана; послужила хорошей шко­лой для перевода управления различными отраслями промыш­ленности и народного хозяйства в целом на программные ме­тоды с широчайшим использованием электронной вычислитель­ной техники.

Большой вклад внесли космические исследования в здраво­охранение и медицину. Полеты в космос впервые по-новому поставили вопрос изучения организма человека, его работо­способности в различных условиях, определения его места в сложной кибернетизированной системе, какой является совре­менная космическая техника. Медики стали изучать здорового человека, потому что только с хорошим здоровьем возможны полеты в космос. Экстремальные условия, в которых оказыва­ется космонавт (невесомость, вибрации, перегрузки, изолиро­ванность и пр.), позволяют вскрыть не только тончайшие меха­низмы организма человека, но и понять его потенциальные воз­можности по выполнению самых разнообразных работ.

Большое количество различных технических разработок (приборов, устройств) нашло эффективное применение в меди­цинской науке и клинической практике. Это специальная датчиковая и телеметрическая аппаратура, высоконадежные и ми­ниатюрные моторы, используемые в аппаратах “искусственное сердце” и “искусственная почка”, средства передвижения по поверхности Луны, используемые в качестве “шагающих” ин­валидных колясок и др. Широко применяются при лечении раз­личных заболеваний барокамеры и соответствующим образом приспособленные гермошлемы. В будущем все новые достиже­ния космической медицины и техники будут использоваться в медицинской практике. Не исключено, что многие начнут носить антипаторы — миниатюрные устройства для контроля жизне­деятельности организма — так же естественно, как, например, сейчас носят зубные протезы или искусственные шевелюры. Не­которые антипаторы могут быть специализированными. Их цель — тщательно отслеживать отдельные стороны жизнедея­тельности (для больных почками—состав крови, для желудоч­ных больных — уровень кислотности и т. д.). Могут применять­ся и комплексные антипаторы для отслеживания наиболее общих характеристик жизнедеятельности: дыхания, работы сердца, температуры тела и др. Подобные устройства позволят людям своевременно узнавать о надвигающихся нарушениях здоровья и о необходимости принятия соответствующих мер. Некоторые антипаторы смогут сообщать и целесообразные ме­ры для предупреждения многих недугов. Здоровые люди бу­дут при желании получать сигналы о приближении рубежа физической и умственной перегрузки. При соответствующей системе сигнализации ускорится оказание помощи при катастро­фах, травмах и внезапных нарушениях в работе жизненно важ­ных органов.

Меры, применяемые по стерилизации космических аппаратов, совершающих посадку на другие небесные тела, а также меры, исключающие занос чужой для нас живой материи при воз­вращении после космического путешествия на Землю, позво­лят накопить необходимый опыт и стимулируют изучение проб­лем стерильности и дезинфекции и создание необходимых для этих целей технических устройств.

Важное значение уже в наши дни имеет разработка целого ряда мероприятий и лекарств, увеличивающих стойкость орга­низма против радиации, что вызвано потребностями длительных космических полетов. В будущем будут созданы более эф­фективные средства противолучевой защиты, без которых не­мыслим межпланетный полет космонавтов. Эти средства будут использоваться и на Земле при работе на атомных электростан­циях, в изотопном производстве и в других необходимых слу­чаях.

В массовое производство запущен созданный в ходе работ над космическими проектами небольшой переносный прибор для замера микросопротивлений электрических цепей, а также портативный прибор для проверки характеристик магнитофо­нов и определения неисправностей

Таким образом, внедрение результатов космических иссле­дований и самых разнообразных достижений космонавтики в хозяйственную деятельность имеет большое экономическое значение. Различные отрасли народного хозяйства уже полу­чают массу полезной информации научного и технического ха­рактера, заимствуя ее из космонавтики. Этот процесс будет неуклонно развиваться, причем темпы этого развития будут тем больше, чем в большей степени будет налажен обмен опы­том стран — разработчиков ракетно-космической техники на основе широкого международного сотрудничества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в этой работе вопросы использования космической техники (как непосредственного, так и опосредованного) показывают тот большой вклад, который вносит космонавтика в различные сферы деятельности людей. Номенклатура задач, решаемых уже се­годня космическими системами, исключительно многообразна. Это и исследование природных ресурсов Земли, и охрана окружающей среды, и связь, и геодезия, и навигация, и метеороло­гия, и др.

Особое значение в наши дни приобрело ис­следование природных ресурсов и окружающей среды с помощью космических систем, снаб­женных разнообразной аппаратурой дистанцион­ных измерений из космоса. Этому направлению предстоит внести основополагающий вклад в на­родное хозяйство.

В решении этой важнейшей задачи большая роль принадлежит космическим системам ис­следования природных ресурсов и окружающей среды, которые взяли на вооружение достиже­ния ракетно-космической техники, радиоэлектро­ники и вычислительной техники, в оптико-меха­нической и оптико-электронной аппаратуре. Фо­тоаппаратура и различные виды телевизионных систем, ИК и СВЧ радиометры, поляриметры и спектрометры, скаттерометры и радиолокаторы бокового обзора, лидары (лазерные высотомеры) и радиовысотомеры, магнитометры и гравимет­ры и другие виды бортовой аппаратуры позво­ляют получить с космических орбит ценнейшую информацию о фауне и флоре нашей планеты и лучше понять закономерности геологического строения земной коры и размещения в ней полезных ископаемых.

Эти исследования, дополненные астрофизическими и планетологическими исследованиями в космосе, наряду с решением злободневных хозяйственных задач дают возможность подой­ти к решению фундаментальных проблем преобразования при­роды на нашей планете.

Велико значение дальнейшего развития и совершенствования всех видов связи (радио, телефонной, телеграфной, телеви­зионной). Сегодня этот процесс носит глобальный характер, и здесь все большее значение приобретает связь на основе кос­мических систем. То же можно сказать о навигационных систе­мах. Развитие метеорологии благодаря космической технике вступило в принципиально новую фазу, когда начато глубочай­шее изучение тонких механизмов и первопричин породообразующих процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАУРЫ

1. А. Д. Коваль, Ю. А. Тюрин “Космос – земле” М:; “Знание” 1989г.

2. “Космическая техника” под редакцией К. Гэтланда. Издательство “Мир”. 1986 г. Москва.

3. Освоение космического пространства в СССР. Академия наук СССР. Москва, Наука, 1977.