Wywiad wojskowy USA i problem trzech ciał. Jak śledzić obiekty bliżej Księżyca? [ANALIZA]

4 września 2021, 12:44
HI595-1001
Ilustracja: U.S. Air Force Capt. David Buehler/AFRL [afrl.af.mil]

Jak sugerują najnowsze pogłoski o nadchodzącej aktualizacji amerykańskiego rządowego raportu pt. Challenges to Security in Space, agencja wywiadu wojskowego DIA (Defense Intelligence Agency) uznała pilną potrzebę wydatnego zwiększenia zasięgu rozpoznania i namierzania w kosmosie. Mowa jest o dystansach znacznie dalszych niż skrajne orbity geostacjonarne - aż po zasięg wytyczany trajektorią, po której wokół Ziemi krąży... sam Księżyc.

Rozległa domena (hipotetycznych) operacji kosmicznych

Zapowiedzi ukazania się kolejnej wersji tematycznego raportu DIA (Defense Intelligence Agency), wydanego pierwotnie w lutym 2019 roku pod tytułem Challenges to Security in Space, pojawiły się przy okazji tegorocznej konferencji Space Symposium, organizowanej 23-26 sierpnia w Colorado Springs. Doniesienia tej treści przekazał m.in. serwis Space News. Zgodnie z nimi, służba wywiadu podlegająca Departamentowi Obrony Stanów Zjednoczonych podkreśliła potrzebę fundamentalnego poszerzenia zdolności zapewniających świadomość sytuacyjną w kosmosie. Te natomiast dotyczyć mają nie tyle pasa orbit zajmowanych przez satelity użytkowe, co przestrzeni znajdującej się daleko poza nimi - domyślnie aż do granicy sfery, w której porusza się Księżyc (obejmując również punkty libracyjne wspólnego układu grawitacyjnego z Ziemią - nazywane punktami Lagrange'a).

Raport DIA w swoim pierwszym wydaniu podkreślał przede wszystkim rosnące wyzwania związane z konfrontacyjną postawą i doskonaleniem zdolności kosmicznych Chin i Rosji. Wskazano również na coraz większe możliwości tych państw w kwestii zdobywania informacji o działaniach amerykańskich w kosmosie i ich śledzenia.

Obecnie do zakresu tego dodawane są - jak wynika z dostępnych informacji - przewidywane konsekwencje wzmożonej eksploracji przestrzeni wokółksiężycowej, stawiającej nowe wyzwania w kontekście utrzymywania bezpieczeństwa transportu kosmicznego. Niejako w powiązaniu wspomina się także o ryzyku zawłaszczania newralgicznych obszarów oddziaływania w tej przestrzeni przez rywali międzynarodowych.

image
Ilustracja: NASA/ Jason Crusan-Wikimedia Commons (domena publiczna)

DIA idzie w tej kwestii śladami innych amerykańskich ośrodków rządowych, które w podobnym tonie postulują konieczność wypracowania nowych zdolności monitorowania ruchu sztucznych obiektów i ich aktywności w głębokiej przestrzeni okołoziemskiej. Chodzi tutaj m.in. o opracowanie opublikowane w maju br. przez Air Force Research Laboratory (AFRL), pod tytułem A Primer on Cislunar Space. Oprócz bliższego zdefiniowania samego wymiaru (przestrzeń rozciągająca się od najdalszej granicy użytkowych orbit satelitarnych aż po sferę bezpośredniego oddziaływania Księżyca), w raporcie podkreślono jego rosnące znaczenie, zarówno w sensie użytkowym, jak i strategicznym.

Martwe pole kosmicznego zwiadu

Ogólne przesłanie raportu pozostaje skierowane jednak przede wszystkim do US Space Force, wzywanego do wypracowania rozwiązań pozwalających Stanom Zjednoczonym oraz społeczności prywatnych operatorów na bezpieczne i niezakłócone prowadzenie operacji w głębokiej przestrzeni okołoziemskiej. Był to kolejny już zamierzony ruch AFRL w tym kierunku, po zaproponowaniu rok wcześniej realizacji eksperymentalnego projektu Cislunar Highway Patrol System (CHPS). Wspomniana inicjatywa zakłada sfinansowanie badań i testów rozwiązań inżynieryjnych w obszarze dalekodystansowego monitorowania przestrzeni kosmicznej oraz aktywności sztucznych obiektów - zarówno na poziomie sensorów, jak i algorytmów śledzenia. Jak się wskazuje, to zadanie obarczone poważnymi wyzwaniami technicznymi.

Wzrost aktywności będzie wymagał większej świadomości domeny - chcemy tam być, zapewniając bezpieczeństwo lotów, gdy Stany Zjednoczone ponownie postawią nogę na Księżycu.

Kpt. David Buehler, koordynator programów w Air Force Research Laboratory  

CHPS ma tutaj otworzyć drogę do zapełnienia poważnej luki, jaka występuje w wymiarze zdolności wykrywania i śledzenia przedmiotów między skrajem orbity geostacjonarnej (gdzie znajdować się ma obecnie większość satelitów Sił Kosmicznych Stanów Zjednoczonych) a Księżycem. Odnosi się to jedynie częściowo do konieczności wypracowania wyższych parametrów urządzeń obserwacyjnych (większego zasięgu podglądu) - podstawowe utrudnienie stanowią tutaj znaczące komplikacje związane z algorytmami określania charakterystyk ruchu obiektów oraz analizą dynamiki orbitalnej na większych dystansach od Ziemi i pod wpływem Księżyca. Chodzi o zachodzące odstępstwa od przyjętych sposobów matematyczno-fizycznego określania parametrów orbitalnych (elementów orbity), kojarzonych z ruchem keplerowskim - w układzie odniesienia obejmującym dwa ciała (Ziemię i sztucznego satelitę o pomijalnej masie). Przypadek ruchu w przestrzeni współdzielonej z Księżycem jest już materią wykluczającą stosowanie zasad ruchu keplerowskiego i klasycznego pojmowania orbit jako różnych wariacji uporządkowanego ruchu okrężnego. To moment, w którym wkraczamy na grunt zjawiska popularnie nazywanego problemem trzech (i więcej) ciał.

Głównie z tego powodu precyzyjne monitorowanie i śledzenie ruchu obiektów w dowolnym miejscu pomiędzy Ziemią a Księżycem nastręczać ma poważnych trudności. Aby z tym sobie poradzić, na użytek systemów Space Domain Awareness (SDA), Air Force Research Lab przyjmuje uproszczony schemat izolowanego układu trzech ciał (Ziemia-Księżyc-statek kosmiczny), o idealnie kołowych torach ruchu i wspólnej, stałej płaszczyźnie (Circular Restricted 3-Body Problem  - CR3BP). Choć układ ten nie odzwierciedla rzeczywistości, ma już umożliwiać uzyskiwanie matematycznych przybliżeń niezbędnych do określania geometrycznych modeli ruchu obiektów. "Ze względu na różnice między [układami dwu- a trójskładnikowymi], podczas typowania trajektorii, najlepszą praktyką jest wskazywanie chwilowych wektorów położenia i prędkości w uproszczonym układzie inercjalnym, w pewnym znanym momencie, rezygnując ze stosowania parametrów orbitalnych" - wskazano w opracowaniu A Primer on Cislunar Space.

image
Ilustracja: NASA [nasa.gov]

Jednocześnie podkreślono w tym kontekście zapotrzebowanie na całą gamę nowego rodzaju sensorów kosmicznych oraz urządzeń zapewniających punkt odniesienia dla obserwacji. "Nie ma jednej lokalizacji czujnika, która mogłaby zapewnić podgląd całej przestrzeni cislunarnej" - wskazano w raporcie AFRL. Odpowiedzi na tego rodzaju kwestie mają dostarczyć m.in. wyniki eksperymentów we wspomnianym projekcie Cislunar Highway Patrol System. Co jednak dodatkowo ciekawe, AFRL pokłada również nadzieje w startującej jeszcze w tym roku misji NASA CAPSTONE, która ma sprawdzić zdolności umieszczania i stabilizacji lekkich satelitów na orbicie okołoksiężycowej.

Poszukiwanie punktów zakotwiczenia

W kontekście najbardziej dogodnej lokalizacji czujników wskazuje się co najmniej kilka takich - naziemnych, w przestrzeni okołoziemskiej, jak również na orbicie okołoksiężycowej i w otoczeniu naturalnego satelity Ziemi. Wszystkie one mają być częścią jednolitego, wieloskładnikowego systemu. Jako szczególnie użyteczne do takich celów określa się jednakże - jak można się spodziewać - punkty libracyjne w układzie Ziemia-Księżyc. AFRL porównuje ich rolę wręcz do tej, jaką względem Ziemi odgrywa orbita geostacjonarna - dając specyficzne zdolności stabilizacji obiektów kosmicznych w tej przestrzeni.

Co do ogółu, ośrodki analityczne w USA nawołujące do zaradzenia niedoborowi świadomości sytuacyjnej ponad orbitą geostacjonarną podkreślają jednocześnie, jak trudne będzie to zadanie. Wymieniany jest cały katalog przeszkód - przede wszystkim znajdujące się tam obiekty zwyczajnie trudniej jest dostrzec (większe odległości wymagają bardziej zaawansowanych zdolności teledetekcji). Ponadto przedmioty w ruchu naturalnym po orbicie zwalniają w miarę wzrostu odległości od Ziemi (to ma oznaczać dłuższe interwały czasowe niezbędnej analizy zmierzającej do określenia parametrów ruchu). Co więcej, systemy optyczne mają trudności z obserwacjami w pobliżu Księżyca ze względu na jego wysoki współczynnik albedo (zdolność odbijania światła). Wreszcie też, pozorny ruch Słońca względem układu Ziemia-Księżyc powoduje, że występują cykliczne trudności w obserwowaniu części przestrzeni okołoksiężycowej.

Osobną sprawą jest utrudnione śledzenie już znanych obiektów. Przede wszystkim Ziemia obraca się znacznie szybciej w relacji do bardziej oddalonych płaszczyzn orbitalnych (pojedyncze obserwatorium naziemne może podążać za obiektem w radykalnie krótszym czasie). Z kolei dysponując nawet siecią sprzężonych czujników, nie do uniknięcia ma być opracowanie strategii asynchronicznego gromadzenia danych, komplikując planowanie zadań i ich realizację.

Przestrzeń Ziemia-Księżyc ma 10 razy większy zasięg niż GEO, [na takim dystansie] obiekty będą 100 razy słabiej widoczne. Dodatkowo, to 1000 razy większa objętość przestrzeni do monitorowania.

Doug Hendrix, dyrektor generalny ExoAnalytic Solutions - firmy obsługującej sieć teleskopów optycznych do śledzenia obiektów na orbicie

Garść spostrzeżeń

Wszystko to prowadzi do wniosków o konieczności osadzenia głównych zasobów takiego systemu (dalekosiężnego rozpoznania sytuacyjnego) w samej przestrzeni kosmicznej. Jako szczególnie atrakcyjne wymienia się ponownie punkty Lagrange'a - w roli stabilnych węzłów zakotwiczenia instrumentów podglądu przestrzeni Ziemia-Księżyc (zdaniem AFRL, "mogą zapewnić wyjątkową perspektywę wykrywania"), a w przyszłości być może nawet wokółksiężycowego systemu pozycjonowania i nawigacji. Inną wskazywaną grupą potencjalnie użytecznych czujników są systemy elektrooptyczne na orbitach umożliwiających skojarzenie ich ruchu z okresem synodycznym obiegu Księżyca wokół Ziemi (przy czym nie są to łatwo dostępne orbity).

image
Projekt CAPSTONE. Ilustracja: NASA/Rocket Lab/Advanced Space/Tyvak Nano-Satellite Systems [nasa.gov]

Co do klasyfikacji technicznej takich zdolności, AFRL podkreśla potencjalnie najwyższą użyteczność - obok klasycznych instrumentów optycznych i elektrooptycznych (teleskopy i kamery) - także radiowych systemów nadawczo-odbiorczych (z wyłączeniem radarów, uznawanych za niezdatne w tej roli z powodu wysokiego zapotrzebowania na energię oraz skutecznych tylko na krótkim dystansie).

Finalnie, raport AFRL formułuje też kilka ciekawych wniosków z punktu widzenia mechaniki orbitalnej dalekodystansowych operacji kosmicznych. Jak podkreślono w pierwszej kolejności, utrzymanie się na odległej orbicie lub trajektorii okołoziemskiej wymaga często powtarzanych delikatnych manewrów. Dodatkowo - te niewielkie manewry w warunkach słabszego ziemskiego oddziaływania grawitacyjnego i wpływu księżycowego mogą powodować nieproporcjonalnie duże zmiany trajektorii ruchu.

Przy tym, niezbędne przemieszczenie w rozpatrywanej przestrzeni odbywa się w sposób odmienny w porównaniu z LEO czy GEO. Wprawdzie część takich manewrów wykonywano już w praktyce przy okazji różnych misji księżycowych (bezpośredni transfer orbitalny), w odróżnieniu jednak od tych sposobów transportu (z dużym wydatkiem energetycznym), dla działań operacyjnych w przestrzeni Ziemia-Księżyc rozważane są głównie opcje transferów o niskim zaangażowaniu napędu lecz wydłużonym okresie ich wykonywania i powtarzalności manewrów składowych.

Koniec końców, dotychczasowe przemyślenia DIA oraz AFRL odnoszą się przede wszystkim do zadań, jakie spodziewane są do realizacji w ramach misji i operacji US Space Force. O ile USSF sygnalizowało niejednokrotnie uznawanie przestrzeni Ziemia-Księżyc jako swojej domeny operacyjnej (w dotychczasowych dokumentach doktrynalnych), nie zostało to dotąd przekute w ściśle określony plan i harmonogram realizacji działań monitorujących. Te natomiast mają być kluczowe w kontekście chociażby spodziewanych pierwszych efektów programu księżycowego NASA Artemis, jako ważnego operacyjnego segmentu zabezpieczenia powrotu Amerykanów na Księżyc już w najbliższych latach.


image
Reklama

 

KomentarzeLiczba komentarzy: 33
Viktor
sobota, 4 września 2021, 17:32

DIA potrzebuje kasy na teleskopy ruchu v obiektów w kosmosie za pasem asteroid Da się zrobić 3mld usd plus rakieta nośna

olo
sobota, 4 września 2021, 15:58

Widzę że w amerykańskiej mentalności nic się nie zmienia. Jak nie żandarm świata to jego jedyny właściciel. Moralność bandyty.

Davien
niedziela, 5 września 2021, 14:11

Jak na razie to "miłujaca pokój" Rosja wynosiła broń w kosmos:)

Fanklub Daviena i GB
niedziela, 5 września 2021, 15:30

Tak - obronne (bo do niczego innego się nie nadawało) działko 23mm i nie Rosja, tylko Sowieci. A teraz podaj przed kim zamierzali się bronić i dlaczego? I jakie państwo wetuje rezolucję ONZ wniesioną przez Rosję i Chiny, popieraną przez 97% państw świata, w tym UE, o zakazie umieszczania broni w Kosmosie? :D

y
sobota, 4 września 2021, 19:57

Tak, w odróżnieniu od miłujących "bez analogów" pokój Rosjan.

Piotrek
niedziela, 5 września 2021, 20:38

Dokładnie. Tylko stany chcą być właścicielem tego świata.

Eytu
sobota, 4 września 2021, 15:25

Problem trzech ciał będzie potrzebny w ochronie przed najazdem kosmitów. Jeżeli istnieje wroga cywilizacja, i zbliża się do Ziemi od milionów lat ( ograniczenia prędkości- przyśpieszenia i unikanie zagrożeń kosmicznych), to porusza się prawdopodobnie za jedną z gwiazd znajdujących się do 20 lat świetlnych od Ziemi. Ustanowienie przez obcych w bezpiecznej odległości od gwiazdy centrum monitorowania naszej planety pozwoli im nasłuchiwać naszą cywilizację i ewentualny atak. Przebycie od 4 do 20 lat świetlnych niezauważonym jest trudne, ale nie niemożliwe. Jeżeli istnieją - zastosują maskowanie temperaturowe ( front statku kosmicznego będzie schłodzony do temperatury tła) oraz pochłanianie fal radiowych ( obrona przed radarami). Jedynie co może ich zdradzić to zasłanianie gwiazd. I na tym trzeba się skupić. Zbudować w kosmosie obserwatoria gwiazd i rejestrować zaniki ich widma. Jeżeli program odkryje prawidłowość ( zanikanie po krzywej, oznaczać będzie to ruch obiektu. Aby nie dostawać fałszywych wskazań (od licznych planetoid) - te teleskopy trzeba umieścić na zewnątrz pasa Kuipera powyżej 50 au.

kowalsky
niedziela, 5 września 2021, 23:57

Cixin Liu zasiał ziarno niewiary w "dobrych przybyszów"? A jak kilka dekad temu sir Marin Reese ostrzegał NASA i Sagana przed słaniem wizytówek ludzkości w kosmos to uważano go za skrjnego pesymistę.

Alterego
niedziela, 5 września 2021, 00:26

Jesli to bedzie zaawansowana, agresywna cywilizacja to niestety nie mamy żadnych szans, my wciąż ze sobą walczymy. Jeśli marzy Ci się, że będzie jak w filmie "Dzien Niepodleglosci", to sugeruje powrót na ziemię

XVG_
sobota, 4 września 2021, 18:52

Na razie dopiero ma dość do postawienia na najbliższej nam "planecie" infrastuktury, więc...

Strzelec
sobota, 4 września 2021, 18:51

Ty slyszysz sam siebie? Obca cywilizacja zbliza sie do nas od milionow lat? To niezle dziadki tu przyleca. A sprzet ktory wytrzyma tyle czasu to w ogole kosmos. Tacy goscie nie musieliby nas obserwowac i chowac sie za planetami, tylko wzieliby co chca z marszu o ile by w ogole zauwazyli takie mrowki jak my. Przestan czytac tyle S-F, albo zacznij jakas dobra, gdzie autorzy daja wiecej science niz fiction.

Eytu
niedziela, 5 września 2021, 21:28

A wiesz co oznacza słowo "jeżeli"? Gdyby ludzie nie zastanawialiby się w sposób" jeżeli " to matematyka, chemia, astronomia itd byłaby na poziomie kamienia łupanego. Jest hipoteza i jest jej sprawdzenie na przykład jeżeli "weźmiesz wodę i weźmiesz kwas, to jak możesz te substancje łączyć..." Tego nie musimy robić , bo już to sprawdzono.

kkk
sobota, 4 września 2021, 16:57

tak to bardzo pilny problem. a tak na powaznie skad mieliby wiedziec ze tu jestesmy? sygnaly radiowe emitujemy niewiele wiecej niz 100 lat

Eytu
niedziela, 5 września 2021, 17:05

Jak bierzesz grudkę ziemi z gleby, to skąd wiesz że w środku są bakterie i robaki? Po prostu z doświadczenia. Ziemia i planety o takich jak nasza właściwościach oraz nasz układ słoneczny tworzą życie w kosmosie. Jeżeli kosmici wytworzyli gdzieś cywilizację, mają dokładnie takie same jak my parametry swojej planety i gwiazdy ( planetę marspodobną chroniącą przed asteroidami, gazowe giganty itd) to odkrywając Ziemię będą wiedzieli na 100 procent że jest życie. Założą, że wykształciła się inteligencja. Dlatego aby nie wpaść na gorszych od siebie, muszą nas najpierw poobserwować. Dopiero poznając nasz poziom cywilizacyjny uderzą. Jeżeli podróżują od milionów lat , są dużo do przodu przed nami, chyba że wolniej myślą:)

Tweets Space24