Družice ve velkých výškách atmosféry

Budoucnost může být různá. Jedno je ovšem jisté. Pokrok se zastavit nedá a tak nás jistě čeká řada inovací, které možná mohou na první pohled vypadat šíleně nebo utopicky, ale opak je pravdou. Vylepšení se v nadcházejících letech zřejmě dočkají některé druhy družic, zejména ty snímkovací. Jejich nevýhodou jsou vysoké výdaje a nasazení v extrémním prostředí kosmu, které vyžaduje speciální úpravy. Jinou nevýhodou například je, že se musí podřídit zákonům nebeské mechaniky a neustále tak velkou rychlostí kroužit kolem Země. Což je fakticky omezuje v dlouhodobém zaměření se na konkrétní místo, které se zdá v danou chvíli něčím zajímavé. Výjimku tvoří družice na geostacionární oběžné dráze (GEO). Geostacionární oběžná dráha je však od Země tak daleko, že k získání jakéhokoli rozumného rozlišení snímkovací družice (řekněme 1 m) je zapotřebí velmi pokročilá optika a obrovské zrcadlo. Družice na geostacionární dráze, třeba 36 000 km od Země, může zůstat zaměřená na dané místo na planetě 24 hodin denně po celý rok. Toho využívají např. i komunikační družice k zajištění nepřetržité komunikace a k přenosu televizního vysílaní, ale tyto dráhy využívají samozřejmě i některé snímkovací a meteorologické družice. Ty například poskytují obrázky celého kotouče Země cca každých 30 minut, aby mohly pozorovat pohyb oblačnosti. Tou největší slabostí podobných družic tedy je relativně velká vzdálenost od Země, se kterou jsou spojeny logistické problémy.

Proto se už více jak 20 let vedou diskuze o možnosti nasazení tzv. pseudo-družic (Pseudo-Satellites), které mohou plnit funkci kosmických družic, ale nemusí kvůli tomu létat až na oběžnou dráhu. Doposud ovšem k jejich konstrukci chyběly vhodné technologie, ale to už je minulostí. Postavit totiž funkční, spolehlivý bezpilotní stroj, který by byl odolný a přitom lehký s dostatečně výkonnými fotovoltaickými panely schopnými nabíjet malé lehké baterie, je už dnes díky pokroku v materiálové vědě a miniaturizaci možné.

Trvalé pozorování, přetrvávající problém

Meteorologické družice mají obvykle prostorové rozlišení ve stovkách metrů, tedy příliš nízké na to, aby byly užitečné pro detailní snímkování povrchu Země. K tomu jsou třeba speciální družice a jak jsme si právě ukázali, nejlépe vyslané na geostacionární dráhy s dostatečně velkým zrcadlem pro uspokojivé rozlišení. Otázkou je, jak velký dalekohled je k tomu vlastně potřeba? Pokud se podíváte na graf níže, tak snadno zjistíte, že opravdu velký. K dosažení rozlišení třeba 1 m je nezbytné asi tak 20 metrové zrcadlo, ale lze to aplikovat i přesně obráceně. Například dalekohled o průměru 1 m poskytne rozlišení 20 metrů.

Graf ukazuje vztah mezi průměrem zrcadla (v horní části) a rozlišením z geostacionární dráhy (v dolní části).

Graf ukazuje vztah mezi průměrem zrcadla (v horní části) a rozlišením z geostacionární dráhy (v dolní části).

K dosažení vysokého rozlišení jsou tedy zapotřebí velmi velké dalekohledy. Pro srovnání, největší pozemní dalekohled Gran Telescopio Canarias (GTC) na ostrově La Palma (Kanárské ostrovy) má v současnosti průměr 10,4 m. Největším zrcadlem, jaké kdy bylo do kosmu vysláno, bylo na teleskopu Herschel a mělo průměr 3,5 m, a i připravovaný kosmický dalekohled Jamese Webba bude mít zrcadlo „pouze“ o průměru 6,5 m a to prosím po mnoho letech vývoje a investovaných miliardách.

Ukázka složení teleskopu Jamese Webba pod aerodynamický kryt rakety Ariane-5.

Ukázka složení teleskopu Jamese Webba pod aerodynamický kryt rakety Ariane 5. Obrázek: Emigepa

Dalším problémem pak je, jak takové družice s obřími zrcadly vůbec dostat do kosmu? Jedním ze způsobů jak překonat limity velikostí aerodynamických krytu raket, je rozdělit hlavní zrcadlo na několik menších zrcadel a složit je do útrob rakety tak, aby jednoduše pasovaly. Po vynesení do vesmíru se systém rozevře. Zrcadla jsou pak zarovnána s přesností na mikrometry a fungují společně stejným způsobem, jakoby se jednalo o jednodílný dalekohled zhruba stejné velikosti. Toto je řešení, které dobře známe například z chystaného kosmickém dalekohledu Jamese Webba (JWST), který kvůli tomu využije služeb evropské rakety Ariane 5, která má velký aerodynamický kryt. Další možnosti nabídnou nové rakety, jako New Glenn, SLS, vylepšený Falcon Heavy nebo StarShip, které budou mít větší nákladový prostor.

Existují ovšem alternativy v podobě velkých konstelací na nízké oběžné dráze (LEO), kdy se docílí toho, že nad oblastí zájmu je vždy alespoň jedna družice. To vyžaduje řádově stovky družic. Jedná se tedy o významnou investici, která se navíc vyplatí až při nasazení plné konstelace, protože teprve potom získáte kýžené pokrytí. To znamená, že tyto systémy mají smysl pouze tehdy, pokud jsou vaši zákazníci po celém světě, což je případ například sítě Oneweb, nebo Starlink. Vyplatí se také v případě, když máte zájem sledovat mnoho míst na světě, což je zase případ poskytovatelů jako je Blacksky. V poslední řadě jsou tu samozřejmě ještě vojenské zájmy. Například projekty konstelací jako je DARPA – Blackjack, pro vládu USA.

Vzestup HAPS

U ostatních subjektů s omezenějšími finančními prostředky a více regionálními zájmy nemá financování celé megakonstelace smysl, je pro ně lepší, ba dokonce mnohem výhodnější koupit si přístup k údajům v odpovídajícím zájmovém regionu. To však nemusí být z různých důvodů možné. Pro tyto případy dnes neexistuje řešení, jak získat levné a trvalé pokrytí. Jsou tu ovšem projekty, které by mohly vyřešit ony popsané problémy. Nejblíže k nasazení, je využití bezpilotních letadel a dronů s dlouhým doletem a požadovanými vlastnostmi. Například v USA pro sběr snímků, špionáž a námořní dohled již několik let využívají drony Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk, ale ani to není úplně ideální řešení, protože to vyžaduje provoz alespoň 3 dronů, ale na pozici může být vždy jen jeden, což vede ke špatné produktivitě. Jejich výhodou je, že se dají celkem  jednoduše postavit a snadno se ovládají. Stačí s nimi doletět tam, kam potřebujete. Navíc v případě potřeby lze poměrně pružně reagovat na danou situaci a měnit rychle daný kurz. Další výhodou je snadná znovupoužitelnost a možnost rychlé úpravy konfigurace. Prostě jen přistanete, namontujete potřebné technologie a pošlete je zpět do vzduchu. Což z nich dělá vhodné platformy pro vojenská využití.

Časy se ovšem mění a mnoho společností v současnosti vyvíjí další bezpilotní vzdušné platformy, které by byly schopné zůstat na pozici klidně i měsíc. Jsou označovány jako High Altitude Pseudo Satellites (HAPS), tedy v překladu něco jako: Pseudo-družice pro vysoké nadmořské výšky a mohou mít dvě formy.

Bezpilotní letadlo společnosti Airbus bude k dispozici ve dvou verzích. Zephyr S má rozpětí 25 m a váží méně než 75 kg. Zephyr T je zatím ve vývoji, bude mít rozpětí 33 m a váhu asi 140 kg. Obrázek: Airbus

Bezpilotní letadlo společnosti Airbus bude k dispozici ve dvou verzích. Zephyr S má rozpětí 25 m a váží méně než 75 kg. Zephyr T je zatím ve vývoji, bude mít rozpětí 33 m a váhu asi 140 kg. Obrázek: Airbus

1. Solární letadla

Prvním řešením jsou letouny poháněné solárním pohonem, a protože nepotřebují žádné palivo, mohou zůstat za optimálních podmínek i měsíc ve vzduchu a kroužit na určeném místě. Průkopníky v tomto oboru byly projekty NASA – Helios a Piccardův Solar Impulse. O nepilotované solární drony v současnosti opět stoupá zájem a to díky projektům, jako je Facebook Aquila drone, jehož cílem bylo zajistit internetové připojení na vzdálených místech a nutno dodat, že projekt opravdu naplnil očekávání. V tomto směru je ovšem zatím nejdál asi projekt Zephyr společnosti Airbus, který měl již několik vývojových variant a nyní se již vyrábí model Zephyr S. Stroj je vyroben z uhlíkového kompozitu. Má hmotnost nižší než 75 kg, rozpětí křídel 25 metrů a může nést užitečná zatížení do hmotnosti 12 kg do nadmořské výšky 21 km. V roce 2018 během testovacího letu vydržel ve vzduchu 25 dní v kuse, což byl tehdy světový rekord! Během průzkumného letů získal Zephyr pomocí snímkovací kamery obrázky povrchu s velmi vysokým rozlišením. Maximální naměřená výška byla 22,5 km. Ještě bych rád zmínil, že se během letu podařilo ověřit snadnost navigace i ovládání. Na konci mise se tým rozhodl demonstrativně pomocí letadla na oblohu vykreslit nápis Airbus a povedlo se. Provoz letounu Zephyr již skutečně v mnohém připomíná provoz družic na oběžné dráze. Obdobné platformy mají širokou škálu uplatnění, přes měření kvality ovzduší a jiná vědecká měření ke špionáži a vojenskému využití.

Společnost Airbus už nyní vyvíjí ještě větší verzi označovanou jako Zephyr T, která by měla být schopna ve vzduchu vydržet déle a mít lepší nosnost pro vybavení. Prezentace na konferenci Φ-week ESA v roce 2018 ukázala možnost pokrytí pro různá užitečná zatížení, které je schopen Zephyr dostat do nadmořské výšky 20 až 22 km. V horizontálním směru umožňuje pokrýt oblast 500 km pro vizuální horizont a 580 km pro radiový a radarový horizont.

Na tomto místě bych také rád upozornil na projekt AlphaLink z Německa, který tu je už od roku 2012 a postupně se vylepšuje. Jedná se o myšlenku složení bezpilotních letadel do velké formace spojených k sobě koncem křídel. Tento systém slučuje výhody platforem pro vysoké nadmořské výšky a velkokapacitních družic. Integrovaný systém řízení letu umožňuje bezpečný provoz jednotlivých kusů i koordinovaný provoz celé konfigurace. Současný model AlphaLink X se skládá z 10 bezpilotních strojů s celkovým rozpětím křídel 215 metrů a užitečným zatížením 450 kg. Pouze s využitím solární energie lze sestavu udržet v provozu po celý rok a není nutné přerušení kvůli údržbářským činnostem nebo změnu zaměření sestavy. Během provozu lze jednotlivé stroje oddělit, nahradit nově vybaveným kusem a odpojený stroj poslat na základnu k údržbě či výměně přístrojů. AlphaLink lze využít také jako platformu pro pokrytí určeného území internetem. Jak by taková sestava fungovala, dobře demonstruje propagační video.

 

Snímkovací technika na oběžné dráze se potýká také s celou řadou vlivů způsobovaných například atmosférou nebo omezení úhlu zorného pole. Ve všech těchto ohledech mají platformy HAPS lepší výsledky. Je tu ovšem jedno možné kontroverzí využití, a to trvalé pokrytí určité oblasti kamerovým systémem. Což má samozřejmě své výhody, ale i nevýhody. Například v situacích, kdy zloděj ujíždí z místa činu, by byl podobný systém nenahraditelný, ale za cenu ztráty části soukromí všech obyvatel v oblasti.

Projekt společnosti Google X se zdál tvůrcům na začátku natolik šílený, že ho pojmenovaly „Cvok“ (Loon).

Projekt společnosti Google X se zdál tvůrcům na začátku natolik šílený, že ho pojmenovaly „Cvok“ (Loon). Obrázek: https://loon.com

2. Balóny

Druhým možným řešením, jak udržet platformu ve vzduchu i několik měsíců, je nasazení speciálních balónů, jako jsou například stratosférické balóny projektu „Cvok“ (Loon Balloons) společnosti Google X. Cvok proto, že se tvůrcům v začátcích zdál projekt opravdu praštěný. Ovšem poté co byly nasazeny v Peru, kde tamní obyvatelé v roce 2017 trápily extrémní deště a silné povodně, a úspěšně přenášely vysokorychlostní internet (přeneseno bylo přes 160 GB dat) na ploše 40 000 čtverečních km (asi velikost Švýcarska), už nikomu ten projekt šílený nepřišel. Výhodou balónů je, že díky plynu lehčímu než vzduch, nepotřebují k pobytu v atmosféře žádnou další energii. Tu potřebují až pro užitečné zatížení nebo manévrování, protože jak známo s aerostaty je spojeno také hned několik obtíží, zvláště pokud je chceme přimět vystoupat nad jedno konkrétní místo a udržet je tam. K tomu je třeba vybavit je manévrovacími motorky. Ovládání lze docílit i pouhou změnou nadmořské výšky, ale je to mnohem obtížnější. Ve výšce 20 km už samozřejmě nejsou mraky ani vzdušné proudy, je tedy relativně snadné ve vyšších polohách udržet stálou pozici. Stejně tak zde běžně nelétají žádná civilní letadla a nehrozí tedy srážka. Ovšem nejjednodušší způsob, jak udržet pozici, je balón přivázat, ale pak se zase nedostane moc vysoko, což neumožňuje snímkovat a komunikovat na velké vzdálenosti a to logicky snižuje využitelnost celé platformy a navíc například bez doprovodné lodi nemohou operovat nad vodní plochou.

Stratobus má oproti solárním letounům řadu výhod. První prototyp se očekává v roce 2020.

Stratobus má oproti solárním letounům řadu výhod. První prototyp se očekává v roce 2020. Obrázek: Thales Alenia Space

Nejvhodnějším designem v tomto směru jsou tedy nepřivázané aerostaty poháněné sluneční energií. Příkladem může být Stratobus společnosti Thales Alenia Space připomínající vzducholoď, který je 115 metrů dlouhý a 34 metrů široký, snadno řiditelný a schopný nést 250 kg užitečného zatížení, kterému dokáže poskytnout asi 5kW energie. Díky tomuto výkonu dokáže Stratobus vynést celou řadu nákladů, jako je například 80 kg vážící radar Searchmaster firmy Thales, schopný provádět vzdušné a povrchové vyhledávání až do vzdálenosti 370 km. Umí detekovat pohyblivé pozemní cíle a vytvářet podrobné obrázky typu ISAR a SAR. Což jsou složené radarové snímky. Radar využívá pohybu svého nosiče k umělé simulaci antény velkých rozměrů. Počítač poté data postupně skládá tak, že výsledná přesnost a rozlišovací schopnost odpovídají radaru s anténou několik stovek metrů velkou. Stratobus má ovšem místo i pro těžké optické aparatury jako třeba 53 kg vážící Euroflir 410 společnosti Safran. S mnohem větší kapacitou, než mají solární letadla, mohou vzducholodě jako Stratobus provádět širší škálu operací, od telekomunikací přes radarové a optické pozorování až ke špionáži. První prototyp se očekává v roce 2023 a bude vyroben pro francouzskou vyzbrojovací agenturu (DGA). Budoucí využitelnost platforem HAPS si asi nejlépe představíme, když si uvedeme několik příkladů.

 Středomořský námořní dohled

Vzhledem k současným migračním přesunům obyvatel z Afriky a Středního východu do Evropy je zásadní, aby bylo možné sledovat plavidla převážející migranty plující přes Středozemní moře. A to kvůli včasné organizaci záchranných operací na moři a včasné reakci na připlutí lodě k pevnině, abychom však mohli uhlídat takto velké oblasti, musí se evropské státy v současnosti spoléhat na radary krátkého dosahu přepravované čluny nebo na radary na palubě námořního dohledového letadla s omezenou dobou letu. 6 platforem HAPS nasazených ve 20 km s radarovým dosahem cca 400 km by bylo možné prohledávat a monitorovat území Středozemní moře od Maroka až po Egypt. Platformy HAPS ovšem lze využít i ke koordinaci a identifikaci plavidel nebo letadel v dané oblasti. Přidání přijímače AIS (Automatic Identification System), by rozšířilo další možnosti a umožnilo snadněji identifikovat nejen hledaná plavidla, ale také tzv. černé lodě. Se stejným vybavením by každá platforma HAPS mohla posloužit také jako přenašeč VHF (velmi krátké vlny) signálů na velké vzdálenosti, protože tento signál má omezenou dostupnost kvůli zakřivení Země.

Ukázka pokrytí oblasti středomoří 6 platformami HAPS.

Ukázka pokrytí oblasti středomoří 6 platformami HAPS. Obrázek: gosnold

Komunikace

Už s několika HAPS je možné zřídit komunikační síť daného státu, přičemž každá platforma HAPS by fungovala jako vysílač mobilního signálu. Ve výšce 20 km by tak jediný dokázal pokryt signálem území asi 200 km. Toto řešení sice pro hustě osídlené oblasti moderního světa není moc vhodné, ale nabízí snadný a rychlý způsob, jak nabídnout pokrytí řídce osídleným a zaostalým regionům. Ve srovnání se satelitní komunikací nabízí HAPS nižší latenci a mnohem nižší náklady, protože jsou 200krát blíž než geostacionární družice a díky tomu přijímače budou potřebovat až 400 000krát méně energie pro vzájemnou komunikaci, což mimo jiné umožní využití telefonů jako všesměrové antény. V tomto smyslu by taková síť HAPS byla silným konkurentem pro celosvětové komunikační sítě jako je třeba Iridium.

Platformy HAPS mohou k posílání dat využít hned několik způsobů. Nejzajímavější je ovšem využití samotné flotily k přenosu dat. Pouhé dvě pseudo-družice by dokázaly předat radiokomunikační data až do vzdálenosti 1160 km.

Platformy HAPS mohou k posílání dat využít hned několik způsobů. Nejzajímavější je ovšem využití samotné flotily k přenosu dat. Pouhé dvě pseudo-družice by dokázaly předat radiokomunikační data až do vzdálenosti 1160 km. Obrázek: ESA

Špionáž

Platformy HAPS s radary a optickými senzory půjdou samozřejmě využít i v oblasti bezpečnosti a mohou zastat trvalý dohled nad určitou oblastí nepřetržitě 7 dní v týdnu. Pro velkoplošné sledování mají radary zajímavou vlastnost. Pomocí Dopplerova efektu mohou velmi snadno filtrovat terénní a statické objekty a detekovat pouze pohybující se objekty. Tento režim se nazývá GMTI (Ground Moving Target Indicator). V tomto módu dokáže jediná platforma HAPS detekovat všechna auta v okruhu 70 km. To je větší rozsah, než jakého lze dosáhnout pomocí optických senzorů, které jsou navíc omezeny atmosférou. Nicméně i optické senzory mají na palubě stále svůj význam. Mohou totiž být použity na zajímavých místech, jako jsou města. V městských oblastech jsou budovy při pozorování zdrojem překážek, protože skrývají co se děje v ulicích a čím vyšší je budova, tím horší bude překážka, takže úhel pro sledování musí být co nejblíže vertikální pozici, což v otevřené krajině není tolik nutné a na to se dobře hodí optické senzory. HAPS, jako například Stratobus, se pohybuje mnohem pomaleji než typický sledovací dron a je i méně citlivý. Nad oblast je proto třeba dopravit ho z dostatečným předstihem.

Během mise bude jakákoli platforma HAPS generovat velké množství dat, které může posílat hned několika způsoby. Buď přímo do oblasti dosahu, nebo na velké vzdálenosti za pomocí laserového spojení s geostacionární družicí. Nejzajímavější je ovšem využití samotné flotily platforem k přenosu dat. Pouhé dvě pseudo-družice by dokázaly předat radiokomunikační data až do vzdálenosti 1160 km a takovýto druh přenosu by mohl být dokonce levnější než využití satelitní sítě.

Snímek s vysokým rozlišením, který pořídil v roce 2018 při svém letu stroj Zephyr pomocí optické sestavy OPAZ.

Snímek s vysokým rozlišením, který pořídil v roce 2018 při svém letu stroj Zephyr pomocí optické sestavy OPAZ. Obrázek: Airbus DS 2018, Airbus Zephyr

Jak je vidět z výše uvedených příkladů, HAPS nabízí rozmanité způsoby využití a to za zlomek nákladů, které dnes stojí družicové sítě. Zatímco jednoduchá pseudo-družice s omezenou pohyblivostí se hodí ke sledování jednoho konkrétního místa, tak sofistikovanější modely schopné nést pokročilé multifunkční radary mají mnohem větší možnosti využití. Užitečné se zdají zejména nad vodními plochami, což je činí zajímavými například pro rejdařské společnosti nebo pobřežní stráže. Jediným velkým problémem a omezením by mohlo být to, že většina zemí určitě nebude přijímat přelety podobných platforem „s otevřenou náručí“. Obzvlášť pokud jdou využít i jako účinná špionážní zbraň a to by mohlo mít diplomatické nebo dokonce i horší následky. HAPS také vytváří ideální platformy pro přenos signálů a poskytování komunikačních služeb v řídce osídlených oblastech, přičemž záleží na zájmu operátorů a samozřejmě je tu i možnost pozorování Země. Zda se podobné platformy v budoucnu skutečně uchytí nelze s jistotou říct, ale pokud se opravdu začnou používat, tak by se mohly v některých případech stát vážnou konkurencí klasických družic a především těch snímkovacích. Jejich nasazení je ovšem zajímavé ještě z jednoho hlediska. Získané zkušenosti z jejich provozu totiž půjdou dobře využít pro realizaci obdobných platforem pro průzkum těles Sluneční soustavy. Například pro návštěvu planety Venuše nebo měsíce Titan.

Zdroje informací:
http://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/Could_High-Altitude_Pseudo-Satellites_Transform_the_Space_Industry
https://www.airbus.com/defence/uav/zephyr.html
https://livestream.com/esa/phiweekbighall/videos/183569616
https://www.newsinit.cz/google-x-project-loon/
https://en.alphalink.space/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/var/esa/storage.jpg
https:wordpress.com/2016/10/geo.jpg
https://www.deviantart.JWST-609517268
https://files.wordpress.com/.jpg
https://airbus-h.assetsadobe2.com/is/image
https://www.nasa.gov/sites/default.jpg
https://www.switzerland-innovation.com/sites.jpg
https://thalesgroup.com/sites/default/files/database.jpg
https://files.wordpress.com/2018/12/2018.png
http://www.esa.int/Enabling_Support
https://www.intelligence-airbusds.com

Družice ve velkých výškách atmosféry, 4.9 out of 5 based on 8 ratings
Pin It
(Visited 2 881 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 4.9/5 (8 votes cast)
(Visited 2 881 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


6 komentářů ke článku “Družice ve velkých výškách atmosféry”

  1. SFENCE napsal:

    Jak je zde v calnku graf: Graf ukazuje vztah mezi průměrem zrcadla (v horní části) a rozlišením z geostacionární dráhy (v dolní části).

    Da se nekde neco podobneho najit pro nizsi obezne drahy nebo treba v interaktivni podobe?

  2. athlo napsal:

    Satelity BlackJack vyrobi OneWeb a vynese SpaceX?
    Uz se tesim na komentovany prenos 🙂 Snad to nebudou vypoustet jako NROL..

Zanechte komentář

You must be logged in to post a comment.