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

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.

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.

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.

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.

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).

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.