Космонавтика — это не только ракеты и спутники. Вот 7 земных технологий, которые пришли из космоса
Космос ассоциируется со снимками далеких планет, улыбчивыми космонавтами и анонсами масштабных запусков. Но о том, что на Земле нас постоянно окружают вещи и технологии, придуманные специально для космоса, мы мало задумываемся. Некоторыми мы пользуемся каждый день, другие применяются в довольно неожиданных областях. Вместе с Объединенной ракетно-космической корпорацией (ОРКК, входит в госкорпорацию «Роскосмос») мы вспомнили семь российских технологий, которые стали возможны благодаря космонавтике.
Спутниковая связь
Это, наверное, самая заметная в быту космическая технология: достаточно выйти на улицу, чтобы увидеть десятки спутниковых тарелок, а количество данных, которое передается через спутники на разных орбитах, огромно.
Спутниковая связь — передача данных радиоволнами через спутник. О том, что радиоволны бывают разными (длинные, средние, короткие и ультракороткие) и по-разному распространяются по поверхности Земли, ученые догадались еще до освоения космоса. Но быстро передавать данные на длинные расстояния долгое время не получалось. Дело в том, что длинные волны хоть и способны огибать планету, но требуют очень больших антенн, а данные передают очень медленно. Для ультракоротких волн достаточно небольших передатчиков, данные можно передавать на высоких скоростях, но при этом лишь на расстояния в пределах прямой видимости: когда приемник сигнала скрывается за горизонтом, связь с ним теряется. Чтобы обеспечить стабильную связь на коротких волнах, нужна сеть ретрансляторов — устройств, улавливающих сигнал и передающих его дальше. Возникла идея запустить ретрансляторы в космос: так можно распространять сигнал хоть на целое полушарие. С началом первых космических полетов телекоммуникационные спутники стали разрабатываться в СССР и США. Но государства пошли разными путями.
США для своих спутников-ретрансляторов стали использовать геостационарную орбиту над экватором (0° широты). На ней спутник обращается вокруг планеты со скоростью вращения Земли вокруг оси, поэтому с Земли может казаться, что он неподвижно висит в одной точке. Для СССР такая система была неудобна. Значительная часть страны расположена на севере, и пролетающий над экватором спутник оказывается низко над горизонтом — в плохой видимости от полярных областей. А выведение спутника на нулевую широту с северного космодрома требует очень много топлива.
Космические инженеры СССР подошли к проблеме со смекалкой: спутник запустили по вытянутой орбите в форме эллипса — так, чтобы с точки зрения Земли он «висел» (двигался, но очень медленно) над территорией СССР как можно дольше. С Земли кажется, что спутник быстро поднимается над горизонтом, замедляется, почти замирает около верхней точки и, двигаясь все быстрее, скрывается за горизонтом.
В 1964 году на орбиту запустили первый спутник «Молния», саму орбиту в итоге назвали так же. Уже в 1965 году с помощью «Молнии» Москва увидела прямую трансляцию морского парада Тихоокеанского флота, а жителям Владивостока показали московскую первомайскую демонстрацию. Спутниковое вещание из чуда быстро стало обыденностью. «Молнии» в разных модификациях запускались до середины нулевых, теперь же на этой орбите работают спутники связи под другим названием — «Меридиан».
С тех пор спутниковая связь используется для телевидения и интернет-связи. А еще в труднодоступных местах, например на судах или в малонаселенных районах Севера.
Навигационная система
Благодаря космическим технологиям телефон давно заменил нам компас и карту. При этом даже такая мелочь, как ориентация экрана на смартфоне (когда вы переворачиваете его, положение экрана меняется), — тоже результат развития космических технологий, связанных с ракетами и спутниками.
Впервые движущуюся по небу рукотворную звезду люди увидели 4 октября 1957 года. Тогда советская межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 вывела на орбиту первый спутник. Со смартфоном ее объединяет термин «инерциальная навигационная система». Представьте, что вам нужно сесть на велосипед с завязанными глазами, проехать на нем девять минут и вписаться точно в дверной проем. Система поддерживает ракету в устойчивом полете — так же, как поддерживает равновесие велосипедист. А двигатели выключаются, иначе ракета выведет его на неправильную орбиту.
Все это возможно благодаря системе из гироскопов и акселерометров. Первые реагируют на изменение углов ориентации ракеты, вторые фиксируют ускорение.
Ракетную систему в смартфон не поставишь, иначе они были бы размером с арбуз и стоили несколько миллионов рублей. Но современные гироскопы и акселерометры стали настолько компактными, что разглядеть их можно только под микроскопом. А еще они сильно подешевели. Конечно, по точности они сильно уступают космическим системам, но для бытового использования подходят. Кстати, дроны, сигвеи, гироскутеры и моноколесо без космических разработок тоже, вероятно, не появились бы.
В рамках МАКС-2019 Объединенная ракетно-космическая корпорация совместно с партнерами представила AutoDrone — систему для полностью автоматического межполетного обслуживания дронов и обработки полученных данных. Дроны способны на выполнение самых разных задач — от мониторинга и перевозки грузов до сельхозработ. За сутки каждый из них может совершать до восьми вылетов. Содержать персонал для обслуживания и контроля дронов при этом не нужно.
Дистанционное зондирование Земли
Спутник на орбите — довольно точная иллюстрация поговорки «высоко сижу — далеко гляжу». Благодаря тому что спутник снимает Землю из космоса в разных диапазонах, мы получаем точный прогноз погоды, можем оценивать состояние урожаев и регистрировать стихийные бедствия, например лесные пожары. Если раньше для определения проходимости над ледоколами приходилось запускать вертолеты, то теперь льды изучают по спутниковым фотографиям.
Спутники ДЗЗ со временем делают все более качественные и красивые фото. Так, в 2012 году научные издания восхищались рекордными, 121-мегапиксельными снимками Земли, полученными с российского спутника «Электро-Л». На фотографии размером в 100 мегабайт и разрешением 1 километр на пиксель удалось запечатлеть полушарие Земли целиком. Сегодня на орбите работает уже второй аппарат серии, а скоро в космос отправится третий.
Спасение жизней при несчастных случаях
Самая наглядная польза от космонавтики видна в работе международной поисково-спасательной системы КОСПАС-САРСАТ: она спасла уже больше 46 000 человек. Первый случай произошел 9 сентября 1982 года: тогда в горах Британской Колумбии разбился небольшой канадский самолет с тремя людьми на борту. Спасатели несколько раз облетели предполагаемое место катастрофы, но не смогли ни засечь сигнал аварийного радиомаяка, ни найти место падения. По чистой случайности над головами потерпевших пролетал советский спутник «Космос-1383», запущенный всего за месяц до происшествия. Он засек аварийный сигнал, определил место падения и передал информацию на ближайший наземный пункт. Уже на следующий день пилотов и пассажира нашли и доставили в госпиталь. Они стали первыми, кого удалось спасти благодаря космонавтике.
Сегодня оборудование КОСПАС-САРСАТ ставится на разные спутники, а спасатели получают аварийный сигнал уже через пять-семь минут. В 2019 году прошли опытные испытания радиомаяка для российских космонавтов: устройство совмещено с рацией, определяет местоположение по существующим спутниковым системам и передает аварийный сигнал. У аварийного маячка существует и миниатюрная версия: ее рекомендуют брать с собой летчикам, экстремалам и туристам, которые собираются на время сбежать от цивилизации. Их производят в филиале ОРКК — Научно-исследовательском институте космического приборостроения.
Роботы-беспилотники
Считается, что в сфере электроники СССР значительно отставал от Запада. На самом деле советские космические корабли были более автоматизированы, чем корабли НАСА. Первую в истории стыковку действительно провели американские астронавты, но кораблем при этом управляли вручную. А первая автоматическая стыковка — достижение советских инженеров. Спустя полтора десятилетия ситуация повторилась: в 1981 году Space Shuttle отправился в первый полет с экипажем, а в 1988 году «Буран» летел уже в автоматическом режиме. Сегодня российские корабли стыкуются с МКС автоматически, в то время как грузовой Dragon, например, по-прежнему ловят манипулятором.
Стыковка вообще довольно сложный процесс. Ракета-носитель может вывести аппарат на орбиту рядом с целью, к которой нужно пристыковаться, но дальше он должен маневрировать сам. Ему нужно знать расстояние и скорость относительно цели, чтобы не промахнуться, не врезаться и состыковаться мягко. Российская система работает с помощью радиоволн, передающих и принимающих антенн, которые позволяют точно знать взаимное положение и скорости. Аппаратура последних десятилетий стала легче, точнее и умнее. Сегодня ее используют на «Союзах», «Прогрессах» и МКС.
Технологию модифицировали для использования на Земле. В этом году екатеринбургское НПО автоматики, которое занимается системами управления ракет-носителей, представило беспилотный трактор с компьютерным зрением на основе нейросетей. В основе — все та же инерциальная навигационная система. Датчики, камеры и центр управления на основе GPS/ГЛОНАСС ставятся на сельскохозяйственную технику и управляют ее перемещениями с точностью до трех сантиметров. На долю человека остаются только дороги общего пользования: по закону беспилотные аппараты пока не могут ездить по ним без водителя.
Сельская и промышленная техника — комбайны, тракторы, трамваи и поезда, — скорее всего, станет беспилотной раньше автомобилей. Если вы ездите на трамваях Усть-Катавского вагоностроительного завода, обратите внимание на шильдик в передней части вагона: он говорит, что предприятие входит в состав «Роскосмоса». И если беспилотные решения для трамваев еще разрабатываются, то уже сегодня водителям помогает автоматизированная система управления. Она реализует умные тормоза, защищает человека от ошибок и пишет телеметрию для лучшего обслуживания техники.
Кислородный концентратор
Космос — недружелюбная среда. Космическому кораблю нужна сложная система жизнеобеспечения, чтобы люди могли там жить и работать. Одна из главных угроз для космонавтов на орбитальных станциях — поломка основной системы жизнеобеспечения, которая может привести к недостатку кислорода или переизбытку углекислого газа. Для нештатных ситуаций в России разработали концентратор кислорода. Работает он так: компрессор подает сжатый воздух на молекулярное сито, через него не может пройти ни азот, ни другие газы — кроме кислорода. На выходе получается почти чистый O2: в случае аварии им можно дышать.
На Земле космическая технология нашла применение в медицине катастроф. Например, в России спасатели часто используют концентратор кислорода «Курьер»: полевому госпиталю проще найти дизель-генератор, чтобы подключить устройство, чем подвезти баллон с кислородом.
Топливо и энергетика
Фантасты давно мечтают о том, что космонавтика подарит миру какой-нибудь новый доступный источник энергии. Один из перспективных способов получения чистой энергии — термоэлектрический преобразователь.
Обычно энергию для космических аппаратов добывали с помощью солнечных батарей. Но когда запускали советские спутники УС-А с системами морской разведки, выяснилось, что для непрерывной работы радара их батарей не хватит. Спутник должен был летать по низкой орбите и постоянно уходить в тень Земли. Поэтому аппараты оборудовали атомными реакторами «Бук». Они превращали тепло в электричество — как раз при помощи термоэлектрического преобразователя. А уже следующая версия, реактор «Топаз», впервые в мире использовал термоэмиссионный преобразователь. Это устройство представляет собой ламповый диод, в котором нагрев катода выбрасывает электроны и создает электрический ток. Сегодня термоэмиссионные генераторы считаются перспективным земным способом добычи электричества, ведь катод можно нагревать любым способом, даже солнечными лучами.
Космические компетенции используются и в более привычных областях энергетики. Объединенная ракетно-космическая корпорация и ОАО «Корпорация „Московский институт теплотехники“» разрабатывают оборудование для гидроразрыва пласта. С его помощью добывают углеводороды. ПАО «НПО „Искра“», создающее для космонавтики твердотопливные ракетные двигатели, производит также компрессорное оборудование и насосные станции для нефтегазовой отрасли.