Часто можно услышать дискуссии о том, как будет выглядеть грядущая война на море. Будет ли она концептуально похожа на Вторую мировую? Сохранят ли авианосцы лидирующие позиции как основная ударная сила флота?
Один из аргументов в пользу того, что без авианосцев вести современную войну в мировом океане практически невозможно заключается в том, что несмотря на развитие ракетного оружия, для его применения, как минимум, необходимо обнаражить вражеский флот и выдать по нему целеуказание, что якобы может представлять неразрешимую проблему без авиации.
В частности, в статье Александра Тимохина на «Военном обозрении» «Морская война для начинающих. Выводим авианосец «на удар»» содержится следующее утверждение:
«Обращаем внимание на то, что при реальном количестве спутников глобального непрерывного покрытия у китайцев нет даже в мечтах: это не «Старлинк», который везде, вывести столько спутников, чтобы видеть всё, китайцы не могут, денег нет. У США, кстати, на разведсеть с полностью глобальным непрерывным (ключевое слово) онлайн-охватом тоже нет денег.
Эту оговорку надо сделать специально, так как есть целые секты горе-теоретиков, верящих в то, что вместо флота можно повыводить спутники на орбиту и по наведению с них пускать себе ракеты с берега по всем выявленным целям. Не получится, даже без учёта того, что картинка с орбиты — это не ЦУ. А спутниковая сеть с всемирным и непрерывным покрытием, автоматической классификацией подозрительных контактов, передачей их на опознавание живому оператору и автоматическому расчёту данных на применение дальнобойного оружия с берега будет не по карману даже всему «золотому миллиарду». Дешевле ещё десять «Нимитцев» построить и с них авиаразведку поднимать.»
Давайте попробуем несколько прояснить ситуацию.
Необходимое разрешение для обнаружения кораблей
В отличие от различных астрономических объектов, крупный надводный корабль днём не является целью слишком тусклой или неконтрастной в оптическом диапазоне.
Давайте посмотрим на фотографию китайской эскадры во главе с АВ «Лионян» с разным разрешением
На мой взгляд, корабли можно достаточно легко обнаружить на всех снимках, кроме последнего, где, хотя, по крайней мере, авианосец теоретически видно, но на общем фоне для человека затруднительно опознать это «пятнышко» как корабль.
Поэтому, я предлагаю условно принять минимальное разрешение для обнаружения авианосца в 100 м и для более мелких кораблей в 50 м.
Разумеется, речь идёт только об обнаружении, а не об идентификации корабля.
Также, мы не учитывали возможность применения оптической маскировки. Например, можно покрасить корабль в синий цвет. Или же вообще разработать какую-то систему, которая бы подстраивала оптические свойства корабля под море в данный момент. Впрочем, такие методы системы сейчас, очевидно, не применяются.
Если же говорить об идентификации, то предлагаю принять разрешение: 6 м для авианосца и 3 м для более мелких кораблей. (в принципе, даже с запасом)
Требования к спутниковой группировке морской разведки
Есть 3 подзадачи:
- обнаружение
- идентификация
- сопровождение, т.е. непрерывное слежение
При этом требования к группировке морской спутниковой разведки, а следовательно её масштабы и стоимость могут в достаточно широком диапазоне варьироваться в зависимости от того, какие возможности вы будете считать "достаточными".
Например, как ни странно, можно вообще отказаться от задач обнаружения. Предположим в начальный момент времени мы уже знаем, где располагается флот противника из других источников, а далее только следим за ним. Но, понятно, что это не очень хороший вариант, т.к., как минимум, корабли могут "потеряться" под облачным покровом или по другим причинам.
Если же такая задача стоит, возникает вопрос, с какой частотой вы хотите производить сканирование акватории? И будет ли это вся поверхность мирового океана или только интересующий район?
Далее, с какой частотой вы хотите обновлять координаты целей при сопровождении? Например, если вы, фотографируя каждый корабль, получаете изображения 10х10 км, частота обновления должна быть не более 5 мин, чтобы корабль не успел выйти за пределы области. Однако, в этом случае, если разрешение не достаточно для идентификации, то ваша цель может потеряться оказавшись в непосредственной близости от других кораблей или судов. А также сколько целей вы собираетесь сопровождать?
Наиболее высокие требования предъявляются к сопровождению, если эти данные планируется использовать для конечного наведения ракет. В этом случае частота обновления должна быть такая, чтобы между ними корабль не успел совершить манёвр сопоставимый с собственными габаритами. Это примерно 15 с для авианосца и 8 с для более мелких кораблей. При этом высоки также требования собственно к точности определения координат, что, вероятно, также требует разрешения в несколько раз выше требуемой точности. Впрочем, разумеется, нет необходимости предоставлять такие данные по всем целям одновременно.
Принцип геометрического подобия в спутниковом наблюдении
Если у нас есть спутник на орбите высотой 500 км, который фотографирует в надире (т.е. вертикально вниз) с разрешением 10 м/пк и с производительностью 500 000 км.кв/день (это всего лишь непрерывная съёмка полосы шириной чуть менее 1 км), то при повышении его орбиты до 1000 км, разрешение снизится до 20 м/пк, а производительность увеличится до 2 000 000 км.кв/день. Т.е. производительность обратно пропорциональна квадрату разрешения. При этом, такой параметр как «количество пикселей получаемых в секунду» в данном случае это 58 000 пк/с остаётся инвариантным.
Это справедливо, если спутник ограничен частотой фотографирования или скоростью передачи данных. Также, в рассмотренном случае спутник (или только его камера, что намного лучше, т.к. на это не нужно тратить топливо, а только электроэнергию) качается вправо-влево относительно направления движения делая более одного снимка по ширине полосы захвата, при этом угловая скорость этих движений инвариантна высоте орбиты. Это не единственный, но распространённый способ.
Здесь считается, что ширина полосы захвата существенно меньше, чем горизонт.
Например, WorldView-4 в панхроматическом режиме имеет 0,31 м/пк и 680 000 км.кв/день, т.е. 81,89 Мп/с. Это значит, что просканировать всю Земли с разрешением 50 м/пк он мог бы за 40 мин. В реальности, конечно, это невозможно чисто геометрически.
Рекорд кратковременной скорости сканирования принадлежит китайскому спутнику Beijing-3: 347 Мп/с.
Статистика по оптическим спутникам
Для того, чтобы оценить сколько будет стоить группировка спутников для эффективного слежения за флотом противника, нам необходимо воспользоваться данными по существующим оптическим спутникам, публикуемыми в открытых источниках. (в первую очередь это спутники дистанционного зондирования Земли, но также мы добавили 5 астрономических: Хаббл, Джеймс Уэбб, TESS, Gaia, Кеплер). Мы постарались найти данные про самые "топовые" и интересные образцы, такие как WorldView-2,3,4, GeoEye-1, QuickBird-2, RapidEye, Planet Scope. К сожалению, данные весьма не полны. Также, приведён американский разведывательный спутник KH-11, данные по которому могут быть не точны.
Нас интересует в первую очередь скорость сканирование, апертура (от которой зависит разрешение), стоимость, срок активного существования, а также масса. При этом "приведённую стоимость" мы будет давать в долларах 2021 г. за 10 лет активного существования (т.е. если реально спутник работает 5 лет, то стоимость удваивается).
Как видите, астрономические спутники обычно дороже, чем ДЗЗ. При этом и те и те имеют очень широкий разброс в стоимости тонны, около порядка. Это сразу свидетельствует о широком разбросе наших дальнейших оценок. Однако, линейная корреляция с массой наблюдается.
Корреляция с квадратом апертуры также наблюдается. У астрономических спутников её ломают Уэбб и TESS, которые имеют не типичный конструктив.
По влиянию скорости сканирования на стоимость пока достаточно мало данных. Рабочая версия, что линейная корреляция есть.
Если кто-то думает, что разрешение матрицы определяющее влияет на стоимость спутника, то пока это не подтверждается. У нас есть телескоп Gaia с рекордными для космических аппаратов 938 Мп, который ограничивает возможные оценки стоимости магапикселя матрицы.
В целом, можно принять, что для типичного оптического спутника стоимость оценивается примерно как 700 млн. $ за метр^2 апертуры или 10 млн. $ за 1Мп/с скорости сканирования. Срок активного существования при этом 10 лет.
Однако, если использовать "лоу-кост" технологии, как это делает спутники-кубсаты Planet Scope, то эти значения снижаются до 80 и 0,4, соответственно.
Вероятно, при очень массовой производстве, эти значения могут ещё существенно снижены. Например, спутники Старлинк имеют по минимальным оценкам стоимость около 1 М$/т, что более чем на порядок дешевле всего выше рассмотренного, а сами по себе телескопы/камеры на земле также стоят несравнимо дешевле. Но, мы ограничимся двумя оценками выше.
Ещё есть данные про скорость перенацеливания, кстати.
Геометрические факторы
Оценим, сколько нужно спутников, чтобы любая точка Земли могла наблюдаться в любой момент времени и при достаточной высоте над горизонтом. Минимум нужно 4 спутника на очень высоких орбитах. Максимум около 100 при очень низких орбитах.
Продолжение следует.
