Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности"
Выпуск № 1 (29) - февраль 2010 г. 1
Ю.В. Прус1, Б.Ж. Битуев1, В.М. Шаповалов2
(
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СТРАТОСФЕРНЫХ ДИРИЖАБЛЕЙ В ИНТЕРЕСАХ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ
Проведён анализ возможных технологий с использованием стратосферных дири-
жаблей в интересах систем безопасности территорий.

История создания стратосферных дирижаблей
Технические возможности освоения с помощью различного типа лета-
тельных аппаратов области стратосферы выше 20 км, часто называемой
"предкосмосом" (англ. "near space"), и открывающиеся перспективы для ре-
шения ряда задач военного и коммерческого характера впервые стали обсуж-
даться в конце 1940-х гг., когда возникла концепция использования страто-
сферных дирижаблей в качестве низкоорбитальных спутников Земли. Затем,
в связи с развернувшейся в 1950-1970 гг. между сверхдержавами СССР и
США "гонкой в космосе" и бурным развитием космических технологий, дан-
ное направление перестало считаться актуальным.
Дальнейшая разработка концепции использования дирижаблей в стра-
тосфере возобновилась в конце 1970 – начале 1980 гг. в связи с развитием
планов "звездных войн" – СОИ (стратегическая оборонная инициатива). При
этом некоторые из проектов стратосферных беспилотных дирижабельных
платформ получили поддержку государств и оборонных ведомств. В ходе
выполнения проектов к середине 1990 гг. сформировалась современная кон-
цепция использования стратосферных беспилотных дирижабельных плат-
форм, а также общая схема их технического устройства [1, 2].
Большинством проектов предусматривалось создание полностью авто-
номного беспилотного дирижабля, способного подниматься на высоту бо-
лее 20 км. Выбор данных слоев атмосферы (зона так называемой велопаузы,
разделяющей потоки воздуха с противоположно направленными скоростями)
определяется рядом обстоятельств. С увеличением высоты скорость ветра
растет и достигает максимума (более 30 м/с) на высотах порядка 10 км, а за-
тем к высотам около 20 км ветер спадает до минимума (около 10 м/c). На
данных высотах, наряду с незначительными скоростями преобладающих вет-
ров, отмечается также относительное их постоянство по направлению. Кроме
того, воздух имеет плотность в 30-40 раз меньшую, чем в приземном слое,
следовательно, меньше и нагрузки, воздействующие на конструкцию дири-
жабля. Также важно то, что стратосферные дирижабли не будут мешать воз-
душному движению, поскольку пассажирские самолеты летают на высотах до
12 км.
Предполагается, что основным полетным режимом при эксплуатации
стратосферных дирижаблей будет зависание над заданной точкой земной
поверхности и дрейф в пределах "куба" размером порядка 1×1×1 км. Такие
стратосферные дирижабли становятся фактически низкоорбитальными гео-
стационарными спутниками Земли, в связи с чем они получили название
геостационарных стратосферных платформ (ГСП).
Управление полетом и работой систем летательного аппарата предпо-
лагается осуществлять из диспетчерского центра преимущественно в автома-
тизированном режиме. Предполагаемая длительность автономного полета
дирижабля – от 3 до 10 месяцев. Энергообеспечение работы двигателей и
оборудования осуществляется за счёт накопления энергии, полученной от
солнечных батарей. Для полярных широт (проблема полярной ночи) рассмат-
ривается возможность использования компактного ядерного реактора.
Практическая реализация проектов сдерживалась в силу несовершенст-
ва технологий энергообеспечения двигательных установок и отсутствия не-
обходимых материалов для построения корпуса стратосферного дирижабля.
Для этих целей требуются легкие конструкционные материалы, обеспечи-
вающие необходимую прочность и жесткость аппарата достаточно большого
размера: для подъёма нескольких тонн полезной нагрузки на высоты порядка
20 км необходимый объем дирижабля составляет сотни тысяч кубометров ге-
лия или водорода, а линейные размеры дирижабля достигают нескольких со-
тен метров.
Также необходимы оболочечные материалы с высокой удельной проч-
ностью и малой газопроницаемостью. Достижения 1980-1990-х годов в об-
ластях энергетики (солнечные накопители и регенеративные энергетические
элементы, например водородные топливные элементы) и материаловедения
(композиционные и полимерные материалы, фотогальванические пленки)
обусловили возможности решения имеющихся проблем, и к 2003-2004 гг. по-
ступила первая информация о тестах прототипов стратосферных дирижаблей
с полезной нагрузкой от 2 до 5 тонн. Развернувшаяся к 2010 г. гонка ведущих
аэрокосмических компаний по созданию стратосферных беспилотных дири-
жаблей свидетельствует о начале новой волны научно-технической револю-
ции.
Экономическая целесообразность использования
стратосферных дирижаблей
Экономическая целесообразность использования стратосферных дири-
жаблей очевидна из сравнения затрат на эксплуатацию различных типов ле-
тательных аппаратов. Согласно данным [3], стоимость почасовой
эксплуатации: для спутников – $1000-4000, для беспилотных авиасистем
(типа HAWK) – $300-1000, для стратосферных дирижаблей – $2-5.
Следует учитывать, что за 10-15 лет, в течение которых орбитальный
спутник несет свою вахту, большая часть оборудования серьезно устаревает.
В случае неисправности или выхода из строя оборудования орбитального
космического спутника осуществить его ремонт или замену невозможно.
Стратосферный дирижабль по окончании вахты может приземляться для об-
служивания, ремонта, изменения и модернизации полезной нагрузки в при-
способленном ангаре с соответствующей инфраструктурой и персоналом. В
это время на дежурство заступает дирижабль-дублер.
Подготовка космического аппарата до вывода на орбиту занимает, как
правило, до полутора лет, а также требуется создание структурно отлаженной
телекоммуникационной спутниковой системы. Геостационарная стратосфер-
ная платформа может быстро входить в режим обслуживания абонентов в ра-
диусе своего "пятна", не дожидаясь создания глобальной инфраструктуры. В
случае необходимости стратосферный дирижабль может легко поменять рас-
положение, а для орбитального космического спутника такая процедура
весьма проблематична.
Отслужившие свой срок спутники зачастую становятся "космическим
мусором", представляющим источник потенциальной опасности как для дру-
гих космических аппаратов, так и в дальнейшем при неконтролируемом па-
дении на земную поверхность. Загрязнение остатками ступеней ракет и иным
мусором, образующимся во время выведения спутников на орбиты достигло
таких масштабов, что к середине века некоторые участки геостационарных
орбит могут оказаться совсем непригодными для работы из-за угрозы повре-
ждения аппаратов частичками мусора. Использование стратосферных дири-
жаблей позволит сократить загрязнение космоса, поскольку по завершении
срока эксплуатации воздухоплавательные комплексы приземляются и утили-
зируются, как обычная авиационная техника.
Одним из серьезных преимуществ стратосферных дирижаблей является
их экологическая чистота. При запуске и выводе космических аппаратов на
орбиту сжигаются десятки тонн токсичного ракетного топлива, разрушающе-
го озоновый слой атмосферы. В процессе эксплуатации геостационарных
платформ (ГСП) на базе стратосферных дирижаблей применяются техноло-
гии преобразования солнечной энергии и энергии других источников без
вредных выбросов в атмосферу.
Области возможного применения
геостационарных стратосферных дирижабельных платформ
Изначально проектирование стратосферных дирижабельных комплек-
сов осуществлялось в соответствии с концепцией технологий двойного на-
значения, и предусматривало возможности применения как военного – для
противоракетной обороны, так и коммерческого – в качестве специализиро-
ванных телекоммуникационных платформ [1-3].
Установленные на ГСП системы радиолокационного контроля позво-
ляют вести наблюдения за всеми летающими объектами в любом направле-
нии в радиусе около 600 км. Поэтому их использование считается наиболее
действенным средством в деле противоракетной обороны. При установке ла-
зерных радаров появляется возможность засекать низколетящие объекты, в
том числе крылатые ракеты. ГСП могут также эффективно применяться в
системе управления наземными зенитными ракетными комплексами.
ГСП могут использоваться для непрерывного детализированного на-
блюдения в локальном пространстве, что крайне важно, например, при про-
ведения антитеррористических операций.
Основная цель мирного использования ГСП – удешевление различных
сервисов, включая системы связи, Интернет, ретрансляцию сигналов цифро-
вого телевидения высокой четкости и радиосигнала. Также через ГСП может
осуществляться высокоскоростная передача данных с помощью мобильных
терминалов. По оценкам специалистов, использование телекоммуникацион-
ного оборудования ГСП позволит в сотни раз увеличить пропускную способ-
ность радиоканалов в одном и том же частотном диапазоне.
Очевидно, что указанные направления не исчерпывают всех возможных
областей применения стратосферных дирижабельных платформ. Стратосфер-
ные дирижабли, по мнению многих специалистов, могут эффективно приме-
няться при решении ряда важных задач, например, таких как мониторинг, на-
блюдение, некоторые научные исследования.
Интеграция стратосферных геостационарных платформ
в территориальные системы безопасности и жизнеобеспечения
Одно из важных направлений дальнейшего развития концепции геоста-
ционарных стратосферных дирижабельных платформ связано с перспектива-
ми их интеграции в системы безопасности и жизнеобеспечения территорий,
находящихся в обслуживаемой ими зоне.
Поскольку полезная нагрузка проектируемых в настоящее время стра-
тосферных дирижаблей невелика (2-5 тонн), при решении проблем безопас-
ности и жизнеобеспечения территорий необходимо ориентироваться, прежде
всего, на максимально возможное использование изначально установленного
на них оборудования, включающего радары, лидары, телескопы, электронно-
оптические преобразователи, средства телекоммуникации и связи.
На основе интеграции ГСП в системы безопасности и жизнеобеспече-
ния территорий может быть создана эффективная система раннего обнаруже-
ния опасных событий и явлений природного и техногенного характера, ава-
рий и пожаров. Перспективным представляется применение новых техноло-
гий также и для ряда других целей, связанных с охраной различных объектов,
обеспечением общественной безопасности и т.п. Это обстоятельство свиде-
тельствует о необходимости межведомственного сотрудничества с целью
создания эффективной системы комплексной безопасности населения, про-
мышленных объектов и территорий.
Осуществление непрерывного мониторинга воздушного пространства,
местности, различных инженерных и природных объектов представляется
вполне возможным при соответствующем использовании устанавливаемых
на ГСП приборов.
На базе ГСП возможно создание системы стратосферного базирования
для проведения глобального мониторинга и исследований тропосферы с вы-
сокой разрешающей способностью при синоптических наблюдениях.
Радары ГСП могут эффективно применяться при проведении радиолока-
ционных исследований атмосферы, в системах штормооповещения, метео-
обеспечения авиации и пр. Представляется реальным создание на базе ГСП
стратосферных систем непрерывного автоматизированного радиолокацион-
ного мониторинга облачности, определения грозо- и градоопасности облаков,
своевременного распознавания опасных явлений погоды. Разрабатываемые в
настоящее время автоматизированные системы обработки радиолокационной
информации и управления противоградовыми операциями открывают новые
возможности для оперативного радиолокационного контроля эффективности
воздействия, основанные на измерении площадных, объемных и интеграль-
ных характеристик облаков [4].
Создание лидарных систем для ГСП является альтернативой орбиталь-
ным лидарным системам, например, созданным в рамках программы LITE
(Lidar In-Space Technology Experiment). Современные космические проекты
разделились на два направления – совершенствование "атмосферных" и соз-
дание геодезических лидаров, способных сканировать рельеф земной поверх-
ности с приемлемой разрешающей способностью [5, 6].
Установленная на ГСП "атмосферная" лидарная система способна осу-
ществлять зондирование атмосферы в отсутствие облачности с очень хоро-
шим пространственным разрешением по вертикали и горизонтали. К задачам,
которые, в частности, может решать такая лидарная система, относятся: кон-
троль распределения и общего содержания аэрозолей; измерение оптической
толщи и высоты облачности; оценка атмосферных параметров, таких как
влажность, скорость ветра, температура, давление; измерение высотных про-
филей распределения водяного пара и газов.
Известно, что эффективность использования лидара непосредственно
зависит от высоты его подъема. В наземном лидаре принимаемый отражён-
ный свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых нижних слоях атмо-
сферы. Подъем лидара в воздух или на орбиту существенно улучшает соот-
ношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Оснащение
ГСП лидарной системой дает возможность зондирования атмосферы на таких
волнах, которые полностью поглощаются в нижних слоях атмосферы, что
обеспечивает ряд преимуществ над лидарами, установленными на самолетах
и земной поверхности.
Лидарная система, установленная на ГСП, вполне способна различать,
а при соответствующей компьютерной обработке первичных данных и распо-
знавать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров [7, 8].
В отличие от обнаруживающих и распознающих лишь тепловые аномалии
пассивных инфракрасных систем, такая лидарная система может выявлять и
различать дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению
химического состава и прозрачности воздуха. Технология с радиусом обна-
ружения дымов в 20 км была впервые заявлена в [9] , активные поиски опти-
мальных конфигураций систем и процедур автоматизированной обработки
результатов измерений продолжаются [10].
Спутниковые лидарные системы не позволяют добиться эффективного
отображения рельефа местности из-за больших высот. Так, поднятый на вы-
соту 260 км лидар LITE весом 2 тонны с зеркальным телескопом диаметром
1 м, "рисовал" на земле размытое пятно диаметром 300 м, [5, 6]. Простые рас-
чёты показывают, что подобные геодезические лидары, базирующиеся на
ГСП, вполне способны сканировать рельеф земной поверхности с достаточ-
ной для практического использования (в современных геоинформационных, а
также в перспективных "неогеографических" системах) разрешающей спо-
собностью.
Под названием "неогеография" в настоящее время принято понимать
новые средства и методы работы с геопространственной информацией. Они
отличаются от предыдущих – карт и геоинформационных систем – тремя ос-
новными признаками: использованием географических (в отличие от
картографических) систем координат, применением в качестве основного
растрового (а не векторного) представления географической информации; а
также использованием открытых гипертекстовых форматов представления
географических данных [11-17]. Представляется весьма вероятным, что ис-
пользование стратосферных лидарных геодезических систем позволит реали-
зовать новые неогеографические подходы к работе с локализованной в гео-
графическом пространстве и во времени информацией.
Представляется перспективным использование телекоммуникационно-
го оборудования ГСП при дальнейшем развитии авиационных технологий
мониторинга территорий, основанных на применении беспилотных летатель-
ных аппаратов (БЛА), оснащенных приборами наблюдения в различных оп-
тических диапазонах (видимом, ИК- и УФ-диапазонах, с аппаратурой спек-
трального анализа и т.п.) [18, 19]. Появляется реальная возможность создания
системы непрерывного мониторинга обслуживаемой территории из единого
диспетчерского центра с ретрансляцией каналов управления и передачи пер-
вичных данных мониторинга, полученных БЛА, через телекоммуникацион-
ное оборудование геостационарной платформы.Наиболее перспективными представляются методики мониторинга на
базе ГСП, обусловленные возможностями применения современных инфор-
мационных и телекоммуникационных технологий для управления БЛА и
оборудованием, а также обработки первичных данных с процедурами распо-
знавания образов и использования систем поддержки принятия решений
[18-20].
При этом, в зависимости от конкретной ситуации, могут быть выбраны
наиболее оптимальные варианты патрулирования БЛА территорий. Управле-
ние патрулированием на базе ГСП может осуществляться в автоматическом,
автоматизированном или ручном режиме, быть сплошным либо выборочным.
Высота полёта БЛА в автоматическом режиме управления может меняться от
наибольшей, с минимальным допустимым разрешением сканирования, с пе-
реходом на меньшую высоту при распознании возможного опасного события
(обнаружения выброса вредных веществ, возможного очага возгорания и т.п.)
сканирующей автоматизированной системой мониторинга (АСМ).
При дальнейшей процедуре распознавания либо установлении возмож-
ного опасного события оператор должен получить от АСМ сигнал о необхо-
димости перехода на автоматизированный либо на ручной режим управления
БЛА. После перехода управления к оператору БЛА продолжается наблюде-
ние за обстановкой и осуществляется передача необходимой информации о
происшествии в региональный или федеральный центр управления кризис-
ными ситуациями, где принимается решение о проведении соответствующих
мероприятий, направленных на идентификацию и установление обстоя-
тельств возможного опасного события.
Как следует из вышесказанного, представляется возможным значитель-
но расширить и дополнить первоначально определенный при проектировании
стратосферных дирижаблей список функциональных задач, которые могут
решаться при эксплуатации ГСП.
Учитывая обширные потенциальные возможности ГСП, необходимо
выработать и положить в основу проектирования комплекса технических
средств единую концепцию, предусматривающую выполнение всего возмож-
ного спектра задач на основе оптимального, обусловленного возможностями
использования современных информационных и телекоммуникационных
технологий, использования установленного на них оборудования, электрон-
ной вычислительной и телекоммуникационной техники.
Согласованное выполнение таким сложным техническим объектом об-
ширного набора разнообразных функций требует создания управляющей как
самим летательным аппаратом, так и работой установленного на нем обору-
дования интегрированной автоматизированной системы, включающей ком-
поненты бортового и наземного базирования.
Создание целостной автоматизированной системы мониторинга в со-
ставе интегрированной автоматизированной территориальной системы безо-
пасности и жизнеобеспечения в соответствии с принципами системного под-
хода к проблеме обеспечения безопасности позволит не только значительно
повысить, но и реально обеспечить качественно новый уровень защищенно-
сти населения, промышленных объектов и территорий от всех видов внут-
ренних и внешних угроз техногенного, природного и антропогенного харак-
тера.
Очевидно, для интеграции новых аэрокосмических технологий в систе-
мы безопасности и жизнеобеспечения территорий необходимо создание соот-
ветствующей целостной инфокоммуникационной инфраструктуры, обеспечи-
вающей потребности всех заинтересованных ведомств и организаций [20, 21].
При проектировании данной системы требуется организация и коорди-
нация деятельности соответствующих научных, конструкторских, опытно-
экспериментальных, учебных и практических подразделений не только МЧС
России, но также всех заинтересованных ведомств и организаций (следует
также изучить и возможности организации международного сотрудничества
по данному направлению).

Отредактировано Дмитрий (2014-09-22 15:50:24)