«Космос-122»: как первый в СССР метеоспутник положил начало легендарной системе «Метеор»

История создания метеоспутников в СССР

Первыми необходимость иметь точный прогноз погоды для авиации и флота осознали американские военные. В 1958 году Агентство передовых исследовательских проектов Пентагона (ARPA) инициировало программу создания космического аппарата с телевизионной камерой для съемки облачного покрова над Землей, передав в апреле 1959 года руководство проектом в NASA. Спутник, созданный корпорацией Radio Corporation of America, был выведен на орбиту 1 апреля 1960 года под названием TIROS-1 (Television Infrared Observation Satellite, хотя инфракрасной аппаратуры первый аппарат серии еще не нес).

В тот же день он передал на Землю самый первый в истории космический снимок облачной структуры. Спутник проработал всего 78 дней, но за это время успел передать около 23000 телевизионных снимков Земли. Военные поняли, что с орбиты можно эффективно отслеживать зарождение циклонов, тайфунов и атмосферных фронтов, и продолжили заказывать более совершенные космические аппараты.

Назначение этих космических аппаратов было засекречено не особенно сильно. В целях пропаганды «мирного использования космоса» Вашингтон открыто публиковал метеорологические результаты миссии. Довольно быстро их технические параметры были получены, обработаны и доведены до Министерства обороны СССР, Академии наук и руководителей ракетно-космических предприятий.

wikimedia.orgМакет спутника TIROS-1, выставленный в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия

Прогноз погоды для огромной территории нашей страны, включая акватории Северного Ледовитого и Тихого океанов, был очень актуален, так как в то время он строился на данных от очень редких наземных станций. Из-за этого огромные пространства оставались в «слепой зоне». А в океанских просторах стационарных метеостанций не было вовсе.

Новыми возможностями космических аппаратов очень заинтересовался Гидрометцентр СССР, а также военные, особенно Военно-воздушные силы и Военно-морской флот. Поддержал идею создать метеорологическую спутниковую систему и президент Академии наук Мстислав Келдыш.

Начальник Гидрометцентра Евгений Федоров точно знал, каких данных не хватает метеорологам, и активно стал требовать от ракетно-космической промышленности «глаза в космосе». Поддержал идею Сергей Королёв, но его ОКБ-1 было перегружено пилотируемой программой, межпланетными станциями и автоматическими аппаратами по оборонным заказам. Он даже был вынужден передавать отдельные направления своим филиалам и другим предприятиям. (До 1966 года из ОКБ-1 в филиалы и другие организации были переданы спутниковая связь, межпланетная тематика, научные и разведывательные аппараты, серийное ракетное производство и др.)

Конкурс на разработку спутника выиграл Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (ВНИИЭМ), которым руководил Андроник Иосифян — выдающийся советский ученый, которого неофициально называли «Главным конструктором космической электротехники». Удивительно, что победителем оказался институт, который подчинялся не Министерству общего машиностроения, как практически все предприятия ракетно-космического направления, а Министерству электротехнической промышленности. Тем не менее работа закипела.

Почему советские инженеры не стали копировать американский спутник TIROS

Американские аппараты серии TIROS имели принципиальный недостаток — использование стабилизации за счет вращения корпуса, при которой ось приборов фиксировалась относительно звезд, а не Земли. Спутник постоянно менял свой ракурс относительно планеты, поэтому его телевизионные камеры могли вести эффективную съемку только на освещенных Солнцем участках и лишь в те моменты, когда ось случайно оказывалась направлена на земную поверхность.

Для этого инженеры ВНИИЭМ под руководством главного конструктора направления Иосифа Андроникашвили разработали уникальную электромеханическую систему со скоростными маховиками и гироскопами, которая непрерывно удерживала объективы аппарата в направлении местной вертикали.

В отличие от американских спутников, где солнечные элементы были наклеены на боковые поверхности вращающегося корпуса, советские конструкторы сделали ставку на выносные подвижные панели, автоматически разворачивающиеся к Солнцу. Это позволило кардинально поднять энергообеспечение бортовых систем и установить на спутник не только дневные телевизионные камеры, но и революционную инфракрасную аппаратуру для ночного мониторинга.

Запуск первого метеоспутника СССР

Экспериментальную отработку двигателей, маховиков, солнечных панелей и других систем ВНИИЭМ начал уже в 1963 году на легких спутниках серии «Омега», которые запускались с Центрального научно-исследовательского испытательного полигона Минобороны (Капустин Яр) легкой ракетой-носителем 63С1 (задним числом получила название «Космос-2»). Они имели название «Космос-14» и «Космос-23». Затем отработка продолжилась на экспериментальных спутниках («Космос-44», «Космос-58», «Космос-100», «Космос-118»), запускаемых ракетами «Восток-2М» с 5-го Научно-исследовательского испытательного полигона Минобороны (Байконур).

wikimedia.orgМакет космического аппарата "Омега"

В ходе этих испытаний были отработаны принципы построения трехосной ориентации и стабилизации, получение электроэнергии от кремниевых фотопреобразователей при постоянной их ориентации на Солнце, функционирование бортовой аппаратуры при повышенной температуре и методы терморегулирования.

Параметры его круговой орбиты составляли: высота от поверхности Земли около 625 км, наклонение 65,1°, период обращения 97,1 мин.

Устройство метеоспутника «Космос-122»

Космический аппарат массой 4730 кг имел герметичный корпус, состоящий из двух отсеков: приборного и энерго-аппаратного общей длиной около 5 м и диаметром около 1,5 м. Электропитание обеспечивалось двумя ориентированными на Солнце панелями солнечных батарей.

Спутник был оснащен двумя телевизионными камерами для дневных съемок облачности и инфракрасной аппаратурой для наблюдения за ночной стороной Земли, а также актинометрическими приборами для измерения излучения системы Земля — атмосфера.

Данные с «Космоса-122» передавались на Землю в аналоговом виде на частоте 90 МГц с помощью дистанционно ориентированной параболической антенны с высоким коэффициентом усиления, которая крепилась к центральной части корпуса спутника с помощью длинного кронштейна.

Формирование спутниковой системы «Метеор»

Полученные с «Космоса-122» снимки Евгений Федоров продемонстрировал Мстиславу Келдышу, представителям Минобороны и даже руководству страны как доказательство: космический аппарат работает и дает необходимую заказчикам информацию.

В итоге было получено «добро» на создание постоянно действующей спутниковой метеосистемы, которая получила название «Метеор». Запуски перевели с Байконура на Научно-исследовательский испытательный полигон ракетного и космического вооружения №53 Минобороны (будущий космодром Плесецк). Запущенные оттуда 28 февраля и 27 апреля 1967 года «Космос-144» и «Космос-156» в комплексе с наземными пунктами приема информации образовали первую в СССР экспериментальную метеорологическую космическую систему. Для ее отработки были запущены «Космос-184, -206, -226».

Этот запуск ознаменовал переход от экспериментов к постоянной эксплуатации полноценной метеорологической сети. Таким образом, благодаря тандему ученых Гидрометцентра и конструкторов ВНИИЭМ, Советский Союз создал независимую глобальную систему всепогодного слежения, данные которой со временем начали спасать тысячи жизней, предупреждая о тайфунах и штормах.

Поколения советских и российских спутников «Метеор»

За шесть десятилетий система прошла огромный путь от простейших телевизионных камер до сложнейших радиолокаторов. Система «Метеор» развивается. Сегодня на орбите работает четвертое поколение космических аппаратов.

«Метеор» [1969–1977]

Это были первые серийные аппараты. Всего было выведено на орбиты 25 космических аппаратов этой серии. На них была установлена телевизионная аппаратура МР-600А, инфракрасная аппаратура «Ласточка», актинометрическая аппаратура (датчик радиационного баланса) для измерения отраженной солнечной радиации и собственного теплового излучения Земли и атмосферы. Эта аппаратура впервые обеспечила регулярную съемку облачного покрова на освещенной стороне Земли в видимом, и на неосвещенной стороне в инфракрасном, диапазонах.

Архив Роскосмос МедиаКосмический аппарат "Метеор"

Основные параметры спутника «Метеор»:

• Стартовая масса: 2100–2400 кг;

• Энергообеспечение: 400–500 Вт;

• Срок активного существования: шесть месяцев (реально от 1 до 2–3 лет);

• Тип орбиты: приполярная, круговая, некорректируемая;

• Высота: около 650 км для первых девяти спутников, около 900 км для последующих;

• Наклонение: 81,2°–82°;

• Период обращения: от 97,7 минуты (для более низких орбит) до 102,8 минуты (для более высоких орбит).

«Метеор-2» [1975–1993]

Серия из 21 более надежных и, соответственно, долгоживущих космических аппаратов. Они получили усовершенствованную радиометрическую аппаратуру и возможность прямой передачи изображений в международном формате, что позволило любым наземным станциям мира (включая гражданские суда) принимать снимки погоды в реальном времени. В отличие от космического аппарата предыдущей серии, на «Метеор-2» штатно устанавливался радиационный комплекс (РМК-1). Он непрерывно измерял плотность потоков электронов и протонов в околоземном пространстве, фиксируя солнечные вспышки и радиационную обстановку.

wikimedia.orgКосмический аппарат "Метеор-2"

Стартовая масса спутника «Метеор-2» составляла около 2000 кг (из которых 1300 кг приходилось на созданную во ВНИИЭМ базовую спутниковую платформу СП-I). На орбиту высотой 850–900 км и наклонением 82,2° «Метеоры-2» выводила ракета «Восток-2М» (до 1985 года), а с 1982 года для развёртывания системы параллельно начал применяться «Циклон-3». За один виток каждый спутник собирал информацию с ~20% площади земного шара. Для глобального охвата в системе одновременно работали два–три аппарата, при этом плоскости их орбит пересекались под углами 90°–100°. При этом полоса обзора увеличилась более чем в два раза (2100–2600 км), а детализация инфракрасной камеры улучшилась с 15 до 8 км на пиксель.

«Метеор-3» и «Метеор-3М» [1985–2001]

Система космических аппаратов «Метеор-3» создавалась на совершенно новой спутниковой платформе СП-II (которая по результатам эксплуатации этой серии позже получила серийное наименование «Ресурс-УКП»). Высота орбиты была увеличена с 900 до 1200 км. Гарантийный ресурс увеличен с одного года до двух лет. Реально космические аппараты этой серии работали по 5–6 лет. Несмотря на повышение орбиты, разрешение телевизионных камер в видимом диапазоне улучшилось с 1–2 км до 0,7–1 км, что дало синоптикам гораздо более чёткие снимки структуры циклонов. Мощность солнечных батарей увеличилась с 600 до 900 Вт.

Единственный запущенный космический аппарат «Метеор-3М» стартовал в 2001 году. Данные с него впервые начали передаваться в цифровом формате, а не в аналоговом, как на предыдущих «Метеорах-2». «Метеор-3М» был единственным переходным звеном от аналоговых к современным цифровым спутникам «Метеор-М».

«Метеор-3М» был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой около 1020 км. Благодаря этому он пролетал над конкретной точкой Земли всегда в одно и то же местное время, что критически важно для точного сравнения динамики погоды. На него установили комплекс МСУ-Э, который мог делать детальные снимки поверхности с разрешением 32–35 м, что очень важно для мониторинга паводков и лесов.

Архив Роскосмос МедиаКосмический аппарат "Метеор-3М"

Из-за финансовых проблем, возникших в том числе из-за развала СССР, создание единственного экземпляра «Метеора-3М» во ВНИИЭМ затянулось на десятилетие, и к моменту запуска в 2001 году он уже морально устарел. По этой причине он серийно не производился, между тем ВНИИЭМ стал создавать совершенно новый «Метеор-М». Первый аппарат новой серии был запущен только через восемь лет.

«Метеор-М» [с 2009 по настоящее время]

Для их создания тоже была выбрана базовая платформа «Ресурс-УКП». Эта унифицированная космическая платформа разработана в ВНИИЭМ и НИИЭМ. Она унифицирована для решения многоцелевых задач дистанционного зондирования Земли для размещения на ней метеорологических, природоресурсных и океанографических комплексов наблюдения. Бортовой комплекс управления способен самостоятельно выполнять навигационные вычисления на основе сигналов от спутниковых группировок ГЛОНАСС/GPS. Благодаря созданию этой платформы удалось существенно сократить затраты и время на проектирование новых спутников различного назначения.

«Метеоры-М» стали более тяжелыми (вес 2750–2900 кг.). Длина корпуса 5,0 м, диаметр — 2,5 м, размах панелей солнечных батарей — 14,0 м. В сравнении с «Метеором-3М» новый спутник дополнительно оснащен бортовым радиолокатором, который позволяет отслеживать ледовую обстановку сквозь любые, самые плотные облака, что критически важно для навигации по Северному морскому пути.

Основные характеристики спутника «Метеор-М» 2 серии (№2-1, 2-2, 2-3 и 2-4):

• Орбита: солнечно-синхронная;

• Наклонение: 98,77°;

• Высота в восходящем узле: 832 км;

• Период обращения: 101,3 мин;

• Масса: 2900 кг (для № 2-1 и № 2-2), 3250 кг (для модернизированных № 2-3 и № 2-4);;

• Масса полезной нагрузки: от 1250 до 1500 кг;

• Мощность системы энергопитания: среднесуточная — 1,4 кВт, пиковая — 2,0 кВт;

• Срок активного существования: пять лет;

• Средства выведения: ракета-носитель «Союз-2-1б» с разгонным блоком «Фрегат»;

• Центры приема информации: Москва, Новосибирск, Хабаровск.

Первый «Метеор-М» был запущен с Байконура 17 сентября 2009 года. После завершения летных испытаний «Метеор-М» №1 решением Государственной комиссии от 24 декабря 2009-го был принят в опытную эксплуатацию. После отработки пятилетнего гарантийного срока 1 октября 2014 года он был выведен из оперативного использования и передан на исследование главному конструктору.

В настоящее время в российской группировке спутников дистанционного зондирования Земли работают космические аппараты «Метеор-М» второй серии.

Они оснащены командно-измерительной системой (КИС) для управления спутником и бортовой информационной телеметрической системой (БИТС) для сбора информации о его текущем состоянии, созданной в холдинге «Российские космические системы» (РКС). Специалисты холдинга также изготовили для него бортовую информационную систему с радиолинией метрового диапазона и систему сбора и передачи данных.

Архив Роскосмос МедиаКосмический аппарат "Метеор-М"

Целевая аппаратура «Метеора-М» второй серии:

• Многозональное сканирующее устройство малого разрешения (МСУ-МР) для круглосуточного мониторинга глобальной погоды. Имеет шесть каналов (видимые и инфракрасные). Снимает полосу шириной 2900 км с разрешением до 1 км, создавая карты облачности, льдов и измеряя температуру воды в океанах. Обработка получаемых снимков проводится непосредственно в МСУ-МР с помощью собственных вычислительных средств и алгоритмов, заложенных еще на Земле. Полученный цифровой поток объединяется с целевой информацией от гелиогеофизического аппаратурного комплекса и поступает на наземные пункты приема.

• Комплекс многозональной спутниковой съёмки (КМСС-2), в составе которого несколько камер среднего разрешения (до 60 м на пиксель) в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Комплекс обеспечивает ширину полосы съёмки более 1000 км и используется для точного картирования поверхности, ледовой обстановки в проливах и мониторинга лесных пожаров.

• Бортовой радиолокационный комплекс «Северянин-М» — радар с активной фазированной антенной решёткой, которая позволяет спутнику «видеть» сквозь плотные облака, туман и полярную ночь. В зависимости от режима работы пространственное разрешение комплекса составляет от 40–50 м до 400–500 м, что позволяет генерировать точнейшие карты ледовых полей для проводки судов в Арктике.

• Модуль температурного и влажностного зондирования атмосферы (МТВЗА-ГЯ), микроволновый радиометр которого, работающий в СВЧ-диапазоне (29 каналов), позволяет определять вертикальный профиль атмосферы по температуре и влажности, а также измерять скорость приводного ветра над акваториями Мирового океана.

• Инфракрасный Фурье-спектрометр ИКФС-2 — высокоточный прибор для получения температурно-влажностного профиля атмосферы по высотам и контроля состояния озонового слоя Земли.

• Гелиогеофизический аппаратурный комплекс (ГГАК), состоящий из набора датчиков, направленных в сторону от Земли, которые измеряют солнечную радиацию, потоки электронов и протонов, а также контролируют состояние магнитосферы и ионосферы Земли.

• Система сбора и передачи данных принимает и запоминает информацию с наземных автономных метеостанций, океанических буев и платформ, находящихся в труднодоступных районах, а затем ретранслирует ее в пункты приема информации.

• Радиокомплекс спасения модернизированный (РКСР-М), входящий в международную систему спасения КОСПАС-SARSAT. Комплекс принимает сигналы бедствия с аварийных буев кораблей или самолетов, и передает их координаты спасателям.

Аппаратура МСУ-МР и ГГАК создали в холдинге РКС под руководством главного конструктора направления Юрия Гектина. Там же, в РКС, был создан и радиокомплекс КОСПАС-SARSAT.

Спутники «Метеор-М» работают на солнечно-синхронных орбитах. Информация со спутников сбрасывается на наземные пункты приема (в Москве, Новосибирске и Хабаровске), откуда моментально передается метеорологам. Благодаря орбитальному дежурству космических аппаратов серии «Метеор-М», потребители получают необходимую информацию для решения следующих задач:

1. Прогноз погоды: дают информацию о распределении облачности, температуре атмосферы и направлении ветров.

2. Мониторинг климата: с их помощью отслеживают таяние ледников, площади снежного покрова и температуру поверхности океана.

3. Безопасность судоходства: позволяют создавать ледовые карты для прокладки маршрутов продвижения ледоколов в Арктике и Антарктике.

4. Предупреждение ЧС: позволяют обнаруживать зарождение тайфунов, ураганов, крупных лесных пожаров и прогнозировать паводки.

Сегодня данные с «Метеор-М» повышают эффективность работы российской орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основными потребителями информации с «Метеоров-М» являются Росгидромет, Министерство природных ресурсов, Роскосмос, МЧС, Рослесхоз, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации и другие.

Получаемые со спутников данные интегрированы во Всемирную службу погоды, обеспечивая независимость отечественной метеорологии в условиях, когда Европейская организация спутниковой метеорологии (EUMETSAT) и другие западные структуры практически полностью прекратили передачу своих первичных данных Росгидромету.

По данным Интерфакса, со ссылкой на главу Росгидромета Игоря Шумакова, успешная работа на орбите аппаратов «Метеор-М» (№ 2-3 и № 2-4) и других российских гидрометеорологических аппаратов позволили Росгидромету почти полностью заместить информацию с европейских и американских спутников для внутренних прогнозов.

Для дальнейшего развития орбитальной группировки Госкорпорация «Роскосмос» планирует запуск модернизированных космических аппаратов следующего поколения — «Метеор-М» № 2-5 и № 2-6

Спутники «Метеор-М» входят в российскую орбитальную группировку дистанционного зондирования Земли. Что это такое и зачем это нужно, разбирали в этом материале.