Космическая погода: три эшелона российских метеоспутников
В четверг, 29 февраля с космодрома Восточный ожидается запуск гидрометеорологического спутника «Метеор-М» № 2-4. Новый "Метеор" пополнит первый из трех эшелонов группировки российских метеоспутников - обращающихся на низких солнечно-синхронных орбитах. Об истории создания и современном составе отечественного "созвездия" "погодных" спутников - в нашем сегодняшнем обзоре.
Как все начиналось
Идея использования оптических средств для съемки атмосферы с орбиты для целей метеорологии зародилась вскоре после II Мировой войны, а первые эксперименты в этом направлении американцы провели еще в 1959 году в рамках программы Vanguard. Первый специальный «погодный» спутник TIROS-1 был запущен в апреле 1960 года. С тех пор сначала США, а потом СССР, Западная Европа и Азия планомерно занимались развитием и расширением группировки метеоспутников, выполняющих круглосуточный мониторинг атмосферных явлений.
В Советском Союзе опытно-экспериментальные работы в области создания спутниковых гидрометеорологических систем проводил с начала 1960-х Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (ВНИИЭМ) под руководством крупного ученого и талантливого инженера, доктора технических наук, профессора Андроника Иосифьяна.
Первая советская метеорологическая спутниковая система «Метеор» для обеспечения почти глобальных наблюдений за погодными системами Земли, облачным покровом, ледяными и снежными полями начала работать в опытном режиме с августа 1964 года и приступила к функционированию в феврале-апреле 1967 года после запуска «Космоса-144» и «Космоса-156».
Из всех тактико-технических характеристик аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), к которым относятся метеоспутники, основными являются три – максимальное разрешение (от него зависит чёткость фотоснимков), срок гарантированной работы и диапазон сканирующей аппаратуры – оптический, инфракрасный и радиолокационный. В отличие от аппаратов наблюдения, для метеоспутников важнее не высокое разрешение оптики, а широкий охват и возможность работы в нескольких диапазонах спектра.
Первые отечественные метеоспутники с телевизионной, инфракрасной и актинометрической аппаратурой обращались по орбите высотой 600-650 километров и наклонением 81,2°. В период с марта 1969 года по апрель 1977 года работали 25 спутников типа «Метеор-1».
Модернизированные аппараты «Метеор-Природа» совершали полеты в целях совершенствования и разработки новых методов получения, отработки и интерпретации космической информации о природных ресурсах и окружающей среде. Они могли корректировать трассу полёта для наведения на заданный район. В период с июля 1974 года по июль 1981 года запущено 6 спутников данной серии. Третий по счету («Метеор-Природа» № 2-2), запущенный 20 июня 1977 года, стал первым отечественным аппаратом, работающим на солнечно-синхронной орбите (ССО): он проходил над любой точкой земной поверхности в одно и то же местное солнечное время, а угол освещения земной поверхности на всех его проходах был приблизительно одинаковым.
От более долговечных "Метеоров" до зависшего над экватором «Электро-1»
Поскольку аппараты, обращающиеся по орбите вокруг Земли, постоянно подвергаются нагреву на солнечной стороне и охлаждению в тени, сталкиваются с глубоким вакуумом и космическими излучениями, а также со множеством других опасностей, например, встречей с микрометеоритами и космическим мусором, их ресурс быстро тает. Деградируют солнечные батареи, заряженные частицы воздействуют на бортовую электронику и приводят к повреждению аппаратуры. Вследствие этого, несмотря на дублирование систем, срок службы первых метеоспутников был невелик и составлял всего 6-8 месяцев. С самого начала эксплуатации заказчики сформулировали задачу разработки аппаратов второго поколения.
Спутники были созданы в период 1970-1975 годов на основе новой платформы и получили название «Метеор-2». Они запускались на околокруговые приполярные орбиты высотой 900 км с углами наклона ~81,2º и регулярно передавали комплексную метеорологическую и гелиогеофизическую информацию. Данные могли храниться на борту, а затем сбрасываться на наземные станции. За один виток «Метеор-2» мог выполнять съемку в оптическом и инфракрасном диапазонах в режиме запоминания с 20% поверхности Земли (одновременно охватывалось 30 тысяч квадратных километром земной поверхности).
«Метеор-2» позволял составлять одно–трехсуточные прогнозы погоды, а также осуществлять мониторинг чрезвычайных ситуаций, таких как тайфуны, ураганы, наводнения, град, крупные лесные пожары. На основе этой серии в 1982 году была принята в эксплуатацию Государственная метеорологическая космическая система (ГМКС) «Метеор-2».
Кроме «Метеора-2» (в период с июля 1975 года по август 1993 года запущено 22 подобных космических аппарата) на базе этой спутниковой платформы ВНИИЭМ создал комплексы для исследования природных ресурсов Земли и оперативного экологического мониторинга «Ресурс-О1» (с 1980 по 2000 годы – 6 спутников), для геофизических исследований ионосферы, магнитосферы и околоземного космоса «Интеркосмос-Болгария-1300» и экспериментальный космический комплекс «Астрофизика».
Платформа обеспечила интеграцию радиометров, спектрометров оптического, ультрафиолетового, инфракрасного и микроволнового диапазонов, анализаторов ионосферы, магнитосферы, приемников космических излучений, радиолокаторов бокового обзора. На 30 космических аппаратах, созданных на базе платформы, устанавливались 20 типов приборов ДЗЗ.
По результатам эксплуатации ВНИИЭМ совместно с истринским филиалом создали усовершенствованную спутниковую платформу нового поколения, на базе которой эксплуатировались три типа аппаратов – метеорологический и гелиогеофизический «Метеор-3» (в период с ноября 1984 года по январь 1994 года на орбиту выведены семь спутников этой серии), многоцелевые «Ресурс-О1» №4 (запущен в июле 1998 года) и «Метеор-3М» №1 (запущен в декабре 2001 года) для исследования природных ресурсов Земли, гидрометеорологии и гелиогеофизики. На упомянутых девяти спутниках установлено в общей сложности 58 приборов 32 типов и 7 радиолиний.
Унифицированные системы и узлы новой платформы широко использовались при создании первого российского геостационарного гидрометеорологического спутника «Электро-1» (GOMS-1). Запущенный в октябре 1994 года, он «завис» над экватором на высоте 36 тысяч километров и делал снимки облачных полей, составлял инфракрасные карты водной поверхности и суши, следя за атмосферой в глобальном масштабе. С его помощью были образованы первые два эшелона отечественных метеоспутников — стационарный и низкоорбитальный. Во вторую группу в тот момент входили «Метеор-2» и «Метеор-3»: для получения дополнительных данных о метеообстановке привлекался и «Ресурс-О1».
Данные, полученные от орбитальной группировки, использовались для прогнозирования погоды, контроля озонового слоя и радиационной обстановки в околоземном пространстве, а также для мониторинга морской поверхности, включая ледовую обстановку.
Наше время
Тем не менее из-за недостаточного финансирования и расходования ресурса российская группировка метеоспутников быстро деградировала. «Метеор-3М» №1 функционировал до марта 2006 года. В результате в рамках Федеральной космической программы России на 2006 – 2015 годы было принято решение создать космический комплекс гидрометеорологического и океанографического обеспечения «Метеор-3М» с космическими аппаратами нового поколения «Метеор-М». Его основной задачей стало обеспечение подразделений Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, а также других ведомств оперативной космической информацией.
«Метеор-М» №1 был запущен в сентябре 2009 года. Он делал снимки облаков, ледового и снежного покрова в разных диапазонах в глобальном и локальном масштабе. Данные, которые он получал, позволяли определять температуру на поверхности морей, распределение температуры и влажности в атмосфере, а также оценивать составляющие радиационного баланса системы «Земля-атмосфера». Основными потребителями информации стали Росгидромет, Минприрода, Роскосмос, МЧС России, Рослесхоз, органы исполнительной власти субъектов РФ и другие.
Аппараты, обращающиеся на низких ССО, дополняет серия геостационарных спутников второго поколения «Электро-Л». Они обеспечивают многоспектральную съёмку сразу всей наблюдаемой поверхности Земли в видимом и инфракрасном диапазоне, получение данных о гелиогеофизической обстановке на высоте орбиты, а также выполняют функции связи по распространению, обмену гидрометеорологической и гелиогеофизической информации и ретрансляции сигналов с других платформ сбора данных.
Серия разрабатывалась с 2001 года в НПО имени С.А. Лавочкина по заданию Роскосмоса и Росгидромета как российский вклад во всемирную сеть метеорологического наблюдения. «Электро-Л» №1 (GOMS-2), запущенный в январе 2011 года, заменил «Электро» (GOMS-1), прекративший работу в 1998 году. В период до февраля 2023 года на геостационар запущены четыре космических аппарата типа «Электро-Л».
Есть и третий эшелон российской группировки метеоспутников. Для непрерывного обзора северных (приполярных) территорий Российской Федерации и Арктики была создана система спутников на высокоэллиптических орбитах. «Арктика-М» №1, запущенный 28 февраля 2021 года на орбиту типа «Молния», делал многозональные снимки облачности и подстилающей земной поверхности Земли в наблюдаемых районах, получая и передавая гелиогеофизические данные подразделениям Росгидромета, ретранслировал метеоинформацию с платформ сбора данных, а также сигналы с аварийных радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ.
«Арктика-М» №2 был запущен 16 декабря 2023 года. Вместе с первым аппаратом он образовал высокоэллиптическую гидрометеорологическую космическую систему (ВГКС) «Арктика-М» для круглосуточного всепогодного мониторинга поверхности Земли и морей Северного Ледовитого океана, а также постоянную и надежную связь и другие телекоммуникационные услуги, способствуя динамичному социально-экономическому развитию северных регионов нашей страны.
В будущем в группировку должны входить еще несколько подобных спутников, которые попеременно будут сменять друг друга на рабочем участке орбиты, в районе апогея. Они обеспечат круглосуточный всепогодный мониторинг поверхности Земли и морей Северного Ледовитого океана, а также постоянную и надежную связь.
