6551.5 А 23

Агалаков В. С. и Сире А. Ш. А 23 Метеорологические ИСЗ. М., «Знание», 1977. 64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космонавтика, астрономия», 11. Издается ежемесячно с 1971 г.) Метеорологические искусственные спутники Земли (ИСЗ), обслуживающие сейчас практически все районы земного шара, позволили значительно увеличить обзорность и точность прогнозов погоды. Без использования метеорологических ИСЗ невозможно глобальное изучение распределения облачного покрова Земли, представляющего исключительный интерес для метеорологии. Об этих спутниках и их использовании рассказывается в данной брошюре. Она рассчитана на инженеров, студентов и преподавателей вузов, учителей средних школ, а также на более широкий круг читателей, интересующихся прикладным значением космических исследований. 20807 551.5 + 6Т6 © Издательство «Знание», 1977 г.

Литература

Введение

Наша планета окружена атмосферой, т. е. газовой оболочкой, являющейся сложной и своеобразной природной средой. Атмосфера все время находится в движении и постоянно меняет свои свойства. Наличие различных климатических зон на земном шаре, обусловленное наклоном оси вращения Земли по отношению к плоскости ее орбиты вокруг Солнца, неравномерное распределение суши и моря на поверхности нашей планеты и ряд других причин приводят к тому, что элементы земной атмосферы в довольно широких пределах варьируют в широтном и долготном направлениях.

Однако наиболее резко свойства газовой оболочки Земли меняются с высотой. Так, например, установлено, что большая часть массы атмосферы сосредоточена в весьма тонком приземном слое. Около 50% ее заключено в слое близ поверхности планеты до высоты 5 км, 75% — до высоты 10 км и почти 95% — до высоты 20 км.

Не удивительно, что благодаря такому распределению массы давление воздуха в атмосфере с высотой довольно быстро убывает. В то же время ее температура имеет более сложную зависимость от высоты (высотный ход). Именно по особенностям распределения температуры с высотой производится основное разделение атмосферы на слои, названные соответственно тропосферой (0 — 11 км), стратосферой (11 — 55 км), мезосферой (55 — 85 км), термосферой (85 — 500 км) и экзосферой (выше 500 км). Нередко применяется разделение атмосферы по высотным изменениям других метеорологических и геофизических элементов.

Роль каждого слоя атмосферы в формировании погоды нашей планеты весьма своеобразна и, к сожалению, еще, не выяснена до конца. Изучением строения и свойств атмосферы Земли, а также происходящих в ней физических и физико-химических процессов и явлений занимается метеорология. Исследуя явления, протекающие в различных слоях атмосферы, метеорология стремится установить их действительную связь как между собой, так и с другими явлениями природы, такими, как вариации и циклы солнечной активности, термодинамический режим океанов и морей, сейсмический режим и вулканизм суши и т. д.

Одной из основных задач практической метеорологии является проведение регулярных наблюдений за фактическим состоянием атмосферы (т. е. за погодой), необходимых для выявления и изучения законов, управляющих эволюцией атмосферных процессов, и составления прогнозов погоды. Метеорология в своей деятельности стремится вместе с тем все более полно и качественно учитывать постоянно возрастающие потребности различных сфер общественного производства. Уже на сегодняшний день она ставит конечной целью не только прогнозирование состояния воздушной среды с высокой достоверностью и с различной заблаговременностью, но и управление природными процессами в направлениях, необходимых для решения различных народнохозяйственных задач.

Смена погодных условий на земном шаре происходит, как правило, по чрезвычайно сложным, а нередко трудно выявляемым закономерностям, весьма далеким от цикличности. В связи с этим детальные наблюдения за погодой, оперативный сбор фактических данных и составление прогнозов погоды (особенно долгосрочных) остаются до настоящего времени очень сложным и трудоемким делом.

Чтобы оценить трудности, стоящие перед метеорологами, напомним, что объект их наблюдения и изучения — газовая оболочка нашей планеты — простирается от поверхности Земли в среднем на расстояние от 15 до 20 земных радиусов, а в зоне газового «хвоста» (в первом приближении атмосфера имеет вид капли) и того более. В то же время сама поверхность земного шара превышает площадь в 510 млн. км². Такими масштабами практического приложения своей деятельности приходится оперировать немногим специалистам.

Для решения упомянутых выше вопросов в рамках международного сотрудничества создана Всемирная служба погоды. В оперативные центры сбора информации этой службы поступают регулярно данные почти с 8000 наземных гидрометеорологических станций, с 600 станций (только в Северном полушарии) аэрологического зондирования, с 3000 самолетов и 4000 кораблей. При этом только в пределах нашей страны располагается более 4000 метеорологических станций, свыше 7500 метеопостов и около 6000 пунктов гидрологического наблюдения.

На основании информации, поступающей с указанной сети, в оперативно-прогностических подразделениях метеорологической службы составляются всевозможные карты погоды для различных участков земной поверхности, а также графики, разрезы и другие материалы, необходимые для гидрометеорологического обеспечения всех сфер человеческой деятельности. Однако если вспомнить, что почти три четверти поверхности земного шара занимают океаны и моря, а значительная часть суши представляет из себя труднодоступные районы (пустыни, горы, полярные зоны и т. п.), то становится очевидной малая эффективность освещения указанной сетью территории нашей планеты.

Разнообразие методов и технических средств, применяемых для наблюдения за атмосферой, в значительной степени обусловлено как весьма сложным ее строением и громадными размерами, так и быстрой изменчивостью различных ее параметров.

Очевидно, что дальнейший прогресс в современной метеорологии немыслим без повседневного использования гидрометеорологических наблюдений с космических аппаратов, в первую очередь со специализированных метеорологических ИСЗ. При этом вклад ИСЗ в практическую метеорологию зависит главным образом от качества их бортовой аппаратуры и количества задач, которые могут быть решены с помощью этой аппаратуры. Несомненно, что метеорологические ИСЗ в будущем станут исключительно эффективным средством изучения атмосферы нашей планеты.

Ракетное зондирование атмосферы

Успехи спутниковой метеорологии неразрывно связаны с достижениями в области ракетной техники. Создание ракет различных типов дало возможность использовать их для исследования верхних слоев атмосферы и околоземного космического пространства. Именно ракетные исследования позволили впервые осуществить непосредственное, прямое измерение основных параметров верхней атмосферы, что помогло специалистам по космической технике получить довольно правильное представление о характере окружающей среды, простирающейся на большие высоты. Хронологически ракетная метеорология предшествовала космической (спутниковой) метеорологии, благодаря чему на первых спутниках, предназначенных для исследования атмосферы, устанавливались почти те же научные приборы, что и на ракетах. Однако в дальнейшем и спутниковая, и ракетная метеорологии обособились друг от друга не только по причине использования различных технических средств и различных диапазонов исследуемых высот. но, главным образом, из-за использования различных методов исследования атмосферы. Если ракетная метеорология пользуется, в основном, прямыми методами измерения параметров газовой среды, то спутниковая — дистанционными, исследуя с космических высот преимущественно состояние тропосферы и нижней стратосферы.

Ракетное зондирование высоких слоев атмосферы имеет исключительно важное значение, и потребность в нем обусловлена повседневной практической деятельностью человека. Дело в том, что верхние слои атмосферы играют исключительную роль в жизни нашей планеты. Они представляют собой надежный экран, защищающий живой мир Земли от вредного воздействия некоторых видов солнечной радиации, космических лучей и метеоритов, непрерывным потоком вторгающихся в атмосферу из космического пространства. Кроме того, через верхнюю атмосферу Солнце воздействует на процессы, протекающие в более нижних слоях — в тропосфере и стратосфере. При этом изменения солнечной радиации отражаются на термобарометрическом состоянии нижней атмосферы, влияют на развитие циклонов и антициклонов, обусловливают колебания уровня воды в морях и океанах, изменяют условия прохождения радиоволн, а также вызывают целый ряд других явлений и процессов в физике нашей планеты. И наконец, детальное изучение свойств верхней атмосферы имеет очень важное значение для развития не только метеорологии, но и геофизики, космонавтики, радиотехники и других прикладных наук.

Имеющиеся в распоряжении метеорологов, помимо ракет, средства вертикального зондирования атмосферы (баллоны и самолеты) обладают ограниченным высотным потолком (около 30 — 40 км). Поэтому лишь ракеты имеют возможность доставить научно-исследовательскую и измерительную аппаратуру на любую высоту и даже за пределы земной атмосферы.

Запуск первой ракеты с целью измерения параметров воздушной среды был осуществлен 11 апреля 1937 г., однако практическая реализация программ регулярного ракетного зондирования атмосферы началась лишь в 50-х годах благодаря созданию как в Советском Союзе, так и за рубежом специализированных типов ракет, обладающих различными техническими характеристиками. Так, например, наряду с мощными ракетами, пригодными для комплексных исследований атмосферы на больших высотах, появились многочисленные типы сравнительно небольших ракет, предназначенных для массового зондирования мезосферы и нижней термосферы.

Первой в мире специализированной метеорологической ракетой явилась советская жидкостная одноступенчатая ракета МР-1, предназначавшаяся для измерения температуры, давления, плотности воздуха, а также распределения ветров на высотах до 100 км. Регулярное зондирование атмосферы начало проводиться с ее помощью с осени 1951 г.

Длина ракеты равнялась 8,5 м, а диаметр — 0,4 м. Стартовый вес ракеты МР-1 достигал 650 кг, и она была способна поднять на предельную высоту до 20 кг научной аппаратуры.

Первоначально бортовая измерительная аппаратура МР-1 состояла из термометров сопротивления, тепловых и мембранных манометров. Путем прослеживания за дрейфом парашютирующей головной части ракеты определялись направление и скорость ветра на различных высотах. Позднее на борту ракеты стали дополнительно устанавливать фотографическую аппаратуру, с помощью которой удалось получить первые снимки облачного покрова с больших высот.

Несмотря на ряд существенных недостатков, МР-1 для своего времени была довольно простой, удобной и надежной ракетой, позволявшей получать весьма важные данные о строении атмосферы, а также отрабатывать методику различных научных измерений на больших высотах.

В начале 60-х годов в Советском Союзе была создана более совершенная двухступенчатая твердотопливная метеорологическая ракета М-100 с высотным потолком зондирования атмосферы также около 100 км (рис. 1, а).

За счет применения твердого топлива параметры ракеты М-100 заметно отличаются от параметров ракеты МР-1. Ее стартовый вес около 480 кг, длина достигает 8,24 м при диаметре корпуса 0,25 м. Единственно, в чем М-100 уступает МР-1, то, что она может поднимать на предельную высоту лишь 15 кг научной аппаратуры.

Однако ракета М-100 за счет большей универсальности головной части позволила специалистам, помимо измерения температуры, давления, плотности воздуха и ветра, осуществлять широкий цикл исследований, включавший в себя наблюдения за магнитными бурями, полярными сияниями и другими метеорологическими и геофизическими явлениями, связанными с деятельностью Солнца.

С появлением у метеорологов серийных твердотопливных ракет значительно расширились возможности зондирования атмосферы в различных климатических зонах при разных условиях погоды, упростилось стартовое оборудование, резко повысилась надежность работы всего ракетного комплекса. И что самое главное — появилась возможность организовывать подвижные пункты ракетного зондирования, в первую очередь на научно-исследовательских морских судах.

Важным этапом в дальнейшем развитии исследований атмосферы явилось создание и внедрение в эксплуатацию с осени 1965 г. еще более совершенной твердотопливной метеорологической ракеты МР-12, способной поднимать до 50 кг различной аппаратуры на высоту 180 км (рис. 1, 6).

Рис. 1. Советские метеорологические ракеты: а — М-100 и б —МР-12

Основное достоинство ракеты МР-12, имеющей длину 8,8 м и диаметр 0,44 м, — способность проводить зондирование атмосферы в любых климатических и погодных условиях, ее многоцелевая направленность и универсальность. Последнее достигается тем, что в зависимости от цели метеорологического или геофизического эксперимента бортовая научная аппаратура ракеты может меняться от запуска к запуску.

В настоящее время с помощью ракет М-100 и МР-12 советские метеорологи имеют возможность проводить регулярные измерения температуры, давления, плотности, ионного и нейтрального газового состава атмосферы, концентрации электронов, аэрозольной составляющей, диффузии и турбулентности воздуха, распределения ветров на разных высотах, оптических характеристик атмосферы, потоков микрометеоритного вещества и ряда других параметров газовой оболочки нашей планеты.

В последние годы в Советском Союзе для создания разветвленной сети станций ракетного зондирования атмосферы была создана небольшая твердотопливная метеорологическая ракета массового применения ММР-06. При стартовом весе около 135 кг ММР-06 имеет длину около 3,5 м и диаметр примерно 0,2 м. Она обеспечивает подъем до 5 кг измерительной аппаратуры на высоту 60 — 65 км. Запуск этой ракеты можно проводить и с кораблей. Данные, полученные с помощью этой ракеты, позволят метеорологам осуществлять более полный аэрологический анализ, что, в свою очередь, дает возможность существенно повысить качество прогнозов погоды.

Для всех метеорологических ракет схема полета и проведения научных измерений является примерно одинаковой. Запуск ракет производится обычно со специального стартового устройства, снабженного спиральными направляющими, что значительно повышает устойчивость ракеты в полете. При достижении ракетой заданной высоты, определяемой программой измерений, баллистический обтекатель головной части отстреливается, и датчики научных приборов вступают в непосредственный контакт с окружающей средой, после чего начинается регистрация параметров атмосферы. Затем при подъеме ракеты на максимальную высоту происходит отделение ее головной части от основного корпуса.

Приземление обеих частей ракеты осуществляется раздельно на парашютах, что позволяет многократно использовать отдельные ее узлы, так как парашюты обеспечивают сохранность не только частей корпуса ракеты, но и ее приборных комплексов. Кроме того, парашюты стабилизируют научные приборы в полете и уменьшают их скорость движения в окружающей среде, что значительно повышает надежность и достоверность научных измерений.

Передача информации по радиотелеметрическим каналам связи с борта ракеты в полете осуществляется, как правило, непрерывно в темпе измерений или же в записанном виде данные измерений возвращаются на Землю. С помощью системы внешнетраекторных измерений вся переданная ракетой информация о состоянии атмосферы привязывается к определенным высотам полета. Общее время полета метеорологической ракеты не превышает 7 — 8 мин.

Тяжелые ракеты, получившие название геофизических, используются для зондирования атмосферы до более значительных высот. Потолок их подъема практически не ограничен. Эти ракеты имеют большую грузоподъемность, что позволяет устанавливать на них не один, а несколько комплексов разнообразных научных приборов вплоть до контейнеров с живыми организмами.

Примером геофизических ракет могут служить советские многоступенчатые ракеты типа В-2А, В-5В и др.

Ракета В-2А явилась одной из первых отечественных геофизических ракет, которые использовались для измерения параметров верхней атмосферы, изучения спектра солнечного излучения, а также для проведения ряда медико-биологических исследований и технических экспериментов. Она имела длину около 20 м и диаметр более 1,6 м. Вес только ее головного блока превышал 1300 кг. С помощью этой ракеты неоднократно удавалось поднять более 200 кг научной аппаратуры на высоту до 200 км.

Исследования более высоких слоев атмосферы были проведены посредством запусков геофизических ракет типа В-5В. Эти ракеты, имея длину около 23 м и диаметр около 1,7 м, позволили осуществить подъем научных приборов до высот 450 — 500 км.

Дальнейшее совершенствование ракетной техники существенно отразилось и на улучшении характеристик геофизических ракет. Их последующим модификациям стали доступны высоты в 1000 — 1500 км и более. Возросла их грузоподъемность, универсальность и надежность, что в конечном итоге позволило значительно расширить нашу национальную, а также международную программу ракетных исследований атмосферы.

Одной из форм научно-технического сотрудничества специалистов различных стран является проведение совместных запусков метеорологических и геофизических ракет с целью исследования различных слоев земной атмосферы. В этом смысле большое значение представляют запуски геофизических ракет типа «Вертикаль», способных поднимать около 1,3 т полезного груза на высоту в несколько сотен километров. Первая ракета этого типа — «Вертикаль-1» — была запущена в СССР 28 ноября 1970 г. Ее потолок составил около 500 км. В экспериментах, проведенных с помощью этой ракеты, участвовали ученые Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Советского Союза и Чехословакии. В последующие годы был проведен еще ряд пусков ракет данного типа, причем от пуска к пуску программа экспериментов существенно менялась (рис. 2). При запуске ракеты «Вертикаль-4», осуществленном 14 октября 1976 г., зондирование атмосферы было проведено уже до высоты 1512 км. Последний запуск — «Вертикали-5» — был проведен 30 августа 1977 г. Ракета поднялась на высоту около 500 км и провела широкий круг исследований коротковолнового излучения Солнца и метеорных частиц

Рис. 2. Схема полета геофизической ракеты «Вертикаль-1»: 1 — открытие крышки спускаемого контейнера и раскрытие штанг с датчиками научной аппаратуры; 2 — закрытие крышки и отделение спускаемого контейнера; 3 — свободное падение; 4 — раскрытие парашюта

В течение нескольких лет продолжается успешное сотрудничество советских и французских специалистов в выполнении ракетных экспериментов. Так, например, в октябре 1967 г. с помощью советской метеорологической ракеты французские ученые осуществили эксперимент по образованию светящихся облаков с целью измерения температуры верхних слоев атмосферы. Кроме того, в рамках советско-французской программы «Аракс» был проведен эксперимент по зондированию магнитосферы быстрыми электронами с образованием искусственных полярных сияний.

Успешно развивается сотрудничество советских ученых и с учеными ряда развивающихся стран.

За рубежом наиболее интенсивное развитие ракетное зондирование атмосферы получило в США. Американскими учеными и конструкторами с конца 40-х годов по настоящее время разработано значительное количество разнообразных типов исследовательских ракет, позволивших осуществить обширную программу исследований различных слоев газовой оболочки нашей планеты.

Одна из первых американских исследовательских ракет — «Аэроби» — долгие годы являлась основным средством зондирования атмосферы, так как она позволяла поднять до 68 кг научной аппаратуры на высоту 100 км. С ее помощью американскими учеными была выполнена значительная часть ракетных исследований по программе Международного геофизического года. Дальнейшие ее модификации имели возможность вести зондирование атмосферы вплоть до высот около 300 км. Поскольку ракеты типа «Аэроби» были жидкостными, то в последующем их заменили твердотопливными ракетами.

Активное участие в осуществлении как национальных, так и международных программ ракетного зондирования атмосферы принимают ученые Великобритании, Канады, Франции, Японии и ряда других стран.

В настоящее время мировая сеть ракетного зондирования верхней атмосферы насчитывает около 50 постоянных наземных станций, а также несколько десятков временных и подвижных пунктов зондирования, располагающихся в основном на научно-исследовательских судах.

Несмотря на огромную значимость в деле изучения свойств земной атмосферы и наблюдения за ее состоянием, ракетные методы зондирования имеют ряд существенных недостатков.

Во-первых, данные, получаемые с помощью метеорологических ракет, не обладают такой полнотой, какую имеет, к примеру, информация, поступающая с сети аэрологического зондирования. Это обусловлено, с одной стороны, малым количеством пунктов ракетного зондирования на земном шаре, а с другой, сравнительно малой информативностью каждого ракетного эксперимента.

Во-вторых, невозможность из-за малого времени полета ракеты проводить систематические и продолжительные наблюдения за атмосферными явлениями и процессами, протекающими на больших высотах.

И наконец, в-третьих, невозможность организации глобальных ракетных наблюдений из-за редкой сети станций ракетного зондирования и сравнительной дороговизны каждого запуска.

Вот почему так важно было создать на базе искусственных спутников Земли несколько автоматических лабораторий, которые бы позволили с помощью дистанционных методов осуществлять постоянное и оперативное наблюдение за различными параметрами земной атмосферы и погодой в глобальном масштабе. Кроме того, использование метеорологических ИСЗ явилось естественным развитием методов ракетного зондирования верхних слоев атмосферы.

Однако спутниковые методы наблюдения за газовой оболочкой оказались далеко не универсальными. Научная аппаратура, установленная на борту ИСЗ, может осуществлять прямые измерения параметров окружающей среды лишь в зоне трассы своего полета, т. е. в строго заданных орбитой географических координатах и высотах. Ни выше, ни ниже трассы, ни в стороне от нее ни один ИСЗ проводить прямых, непосредственных измерений не может. Для этого требуются дистанционные методы, основанные на особенностях прохождения различных излучений (радиоволн, акустических волн и т. д.). Ракету же можно запустить практически везде.

В этом плане ракетные методы остаются незаменимыми. Таким образом, и ракеты, и спутники делают одно общее дело, взаимно дополняя друг друга.

В то же время необходимо признать, что информативность спутниковых методов во много раз превышает информативность ракетного зондирования. Поэтому, не умаляя ценности ракетного зондирования, можно с уверенностью констатировать, что спутниковые методы изучения верхней атмосферы и наблюдения за погодой с больших высот являются более перспективными.

Задачи спутниковой метеорологии

Значительное расширение возможностей авиации и освоение Мирового океана транспортным и рыболовным флотом потребовали от метеорологической службы коренной перестройки организационной структуры, методов работы и ее технической базы, так как прежняя организация службы погоды уже ни в коей мере не соответствовала возросшим требованиям. Ведь мало того, что информация о погоде должна быть собрана со всей поверхности земного шара. Ее необходимо получить и обработать в метеорологических центрах, а затем в наикратчайшее время передать периферийным оперативно-прогностическим подразделениям метеослужбы.

Кроме того, чтобы справиться с одной из самых трудных задач современной метеорологии — надежным долгосрочным предсказанием погоды, ученым необходимо сейчас разработать теорию общей циркуляции всей толщи земной атмосферы. Построить эту теорию, учитывая всю сложность процессов, действующих в воздушном океане, невозможно без систематических метеорологических измерений по всей поверхности нашей планеты и по всем высотам.

Таким образом, для того чтобы идти в ногу с жизнью и постоянно повышать качество метеорологического обеспечения всех заинтересованных потребителей (авиации, флота, сельского хозяйства, строительства и т. д.), гидрометеорологическая служба должна осуществлять оперативный сбор и объективный анализ погоды в глобальном масштабе.

С помощью одних метеорологических и аэрологических станций, даже с использованием радиотелетайпной и фототелеграфной аппаратуры, этого добиться практически невозможно. Значительную помощь в оценке метеорологической обстановки в доспутниковый период конечно оказывали (да и сейчас оказывают) радиолокационная техника, а также использование самолетов и кораблей. Однако и они не были в состоянии значительно уменьшить количество «белых пятен» на картах погоды. Устранить недостатки наземных метеорологических наблюдений и создать надежную службу погоды оказалось возможным лишь при условии, что сведения с наземной гидрометеорологической сети стали оперативно и регулярно дополняться данными с метеорологических ИСЗ. Только спутникам оказалось под силу обозревать всю нашу планету без пропусков территории в наикратчайшие сроки.

Именно глобальность получаемой с ИСЗ информации о режиме погоды и атмосферных процессах является наиболее важным фактором, определившим исключительно высокую значимость использования космической техники в метеорологических целях. Особую ценность при этом составляют сведения о состоянии погоды над теми районами, где сеть метеорологических станций и постов исключительно редка или вообще отсутствует.

Однако глобальность получаемой информации не исчерпывает всех преимуществ применения ИСЗ в метеорологии. С помощью наземных метеорологических станций, кораблей, самолетов и различных экспедиционных групп в принципе можно также осуществить сбор метеорологических данных с большей части поверхности нашей планеты. Однако для этого необходимо чрезвычайно много времени и требуются огромные денежные затраты. Кроме того, значительная часть добытой подобным путем информации к моменту составления карт погоды безнадежно устаревает и теряет всякую практическую ценность для нужд оперативного прогнозирования погоды. Таким образом, очень ценным преимуществом спутниковой информации следует считать ее исключительно высокую оперативность. Благодаря этому свойству появилась возможность по данным метеорологических ИСЗ составлять по нескольку раз в сутки и передавать в периферийную оперативную сеть метеослужбы мировые карты облачного покрова.

Важно отметить, что информация, поступающая с борта метеорологических ИСЗ, дает возможность с большей объективностью и глубиной проводить анализ динамики атмосферных процессов у поверхности Земли, нежели это делалось только с использованием данных наземной гидрометеорологической сети. Это обусловлено тем, что на снимках, полученных с помощью ИСЗ, атмосферные процессы прослеживаются в виде общей цельной картины, а не в виде «точечных» данных наземных метеорологических станций на картах погоды.

Использование спутниковой информации на службе оперативного прогнозирования погоды весьма эффективно и в том смысле, что оно дает существенный экономический выигрыш по сравнению с использованием традиционных методов наблюдения и сбора метеорологической информации.

Возможность проведения широкой программы научных наблюдений и экспериментов с использованием ИСЗ позволяет существенно ускорить процесс дальнейшего и более детального изучения механизма передачи энергии в атмосфере от одного слоя к другому и ее трансформации, т. е. ускорить изучение эволюции во времени и пространстве термодинамических характеристик газовой оболочки нашей планеты. Выявление всех тонкостей этого механизма в будущем позволит разработать более совершенную теорию прогноза погоды, в том числе и долгосрочного, а также теорию прогноза изменений климата в планетарном масштабе.

Продолжающееся совершенствование метеорологических ИСЗ уже сейчас позволяет получать, помимо сведений о состоянии облачного покрова и подстилающей поверхности нашей планеты, также и данные о температуре различных участков суши и моря, об составляющих радиационного баланса системы атмосфера — Земля и об общем влагосодержании атмосферы. В недалеком будущем с помощью спутниковой информации возможно будет с высокой степенью точности оценивать, если не весь комплекс метеорологических элементов, то по крайней мере большую часть его, включая сведения о ветре, температуре воздуха на различных высотах, о зонах осадков, грозах, водности облаков и т. д. При этом универсальность наблюдений метеорологических ИСЗ будет постоянно возрастать как в результате повышения эффективности обработки уже получаемой с борта спутников информации, так и благодаря установке на их борту качественно новых научных приборов.

Как показывает практика, информация с метеорологических ИСЗ пригодна для использования не только в оперативной прогностической работе, т. е. для анализа текущих атмосферных процессов и составления прогнозов погоды, но и для решения целого ряда климатологических, океанографических, гидрологических и других задач. Сюда в первую очередь можно отнести возможность использования спутниковых данных для составления среднемесячных и среднегодовых карт глобального распределения облачности, снежного и ледового покровов суши и моря, для наблюдения за морскими течениями, за состоянием поверхности рек, озер, водохранилищ и других водоемов, для выявления лавино- и селеопасных районов и т. д.

Наконец, ИСЗ позволяет осуществлять регулярные глобальные наблюдения за состоянием верхних слоев земной атмосферы. Причем эти наблюдения могут вестись не только с помощью метеорологических ИСЗ, но и с любых других космических аппаратов, находящихся на околоземных орбитах.

Возможности метеорологических ИСЗ велики. Однако из всего сказанного вовсе не следует, что ИСЗ по точностным характеристикам, детализации и другим качествам выдаваемой ими информации смогут полностью заменить наземную (корабельную, самолетную) сеть гидрометеорологических станций и постов.

Основная задача метеорологических ИСЗ на сегодняшний день — оперативное обеспечение службы погоды фоновой информацией о состоянии атмосферы в глобальном масштабе и оперативное оповещение о крупномасштабных грозных явлениях погоды. И эту задачу они решают исключительно успешно.

Метеорологические ИСЗ «Метеор»

4 октября 1957 г. у планеты Земля появился первый искусственный спутник. Он был запущен в СССР. Значение этого события трудно переоценить. Оно явилось поворотным моментом, давшим толчок в использовании космической техники и космического пространства во многих областях науки и техники, в том числе и в метеорологии.

В Советском Союзе первые спутниковые наблюдения за отдельными параметрами атмосферы были выполнены на Третьем искусственном спутнике Земли в 1958 г. В частности, с его борта проводились непосредственные измерения давления и плотности газа на высоте орбиты ИСЗ. Однако считать его первым метеорологическим спутником было бы слишком оптимистично, так как он не отвечал многим требованиям, предъявляемым в настоящее время к такому типу объектов.

Для создания истинно метеорологического ИСЗ потребовалось проведение большого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Так например, на ИСЗ «Космос-4» были начаты испытания телевизионной аппаратуры. На спутниках «Космос-14 и -23» проходили испытания системы ориентации и стабилизации в пространстве будущих метеорологических ИСЗ. На спутнике «Космос-45» отрабатывалась инфракрасная аппаратура. Затем на ряде спутников серий «Космос», «Молния» и других космических аппаратах прошли испытания остальные системы метеорологических ИСЗ, а также их научный и служебный комплексы.

Наконец, 25 июня 1966 г. был запущен, собственно, первый советский метеорологический ИСЗ — «Космос-122». Правда, он был в значительной мере все-таки экспериментальным ИСЗ, однако начало было положено.

На смену экспериментальным «Космосам» пришли серийные метеорологические ИСЗ «Метеор» (табл. 1).

Каково же их устройство?

Таблица 1

Сводная таблица запусков спутников метеорологической космической системы «Метеор»

Прежде чем ответить на этот вопрос, напомним, что основное назначение специализированного метеорологического ИСЗ — метеорологические наблюдения по широкой программе — предъявляет весьма и весьма серьезные требования к его конструкции в целом. В связи с этим все оборудование космического метеорологического аппарата, размещенное на его борту, должно представляться единым комплексом различных научных и служебных систем, работающих как в автоматическом режиме, так и по командам с Земли.

Рис. 3. Общий вид советского метеорологического ИСЗ «Метеор»

Метеорологический ИСЗ «Метеор» (рис. 3) представляет собой цилиндрический контейнер высотой около 3,5 м и диаметром около 1 м, по боковым сторонам которого расположены панели солнечных батарей. Контейнер, в свою очередь, состоит из двух отсеков: верхнего — энергоаппаратного и нижнего — приборного. В энергоаппаратном отсеке размещаются основные служебные системы, а в приборном — измерительная метеорологическая аппаратура. С энергоаппаратным отсеком конструктивно связан механизм электропривода панелей солнечных батарей.

К собственно научному, а именно измерительному метеорологическому комплексу относятся телевизионная, инфракрасная и актинометрическая аппаратура, а также различные другие приборы, предназначенные для проведения тех или иных научных исследований и измерений.

В служебный же комплекс метеорологических космических аппаратов входят, как правило, системы ориентации корпуса ИСЗ и его солнечных батарей, системы электропитания и терморегулирования, программно-временные устройства и бортовые вычислительные машины, радиотелеметрические системы, командно-программные системы, системы радиоконтроля орбиты, системы единого времени, бортовые запоминающие и антенно-фидерные устройства.

Рассмотрение основных принципов и особенностей функционирования каждой бортовой системы метеорологического ИСЗ типа «Метеор» начнем с научного метеорологического комплекса.

Основой основ научного комплекса метеорологических ИСЗ является телевизионная аппаратура. Она предназначена для регистрации изображения облачного покрова и подстилающей поверхности нашей планеты вдоль траектории полета над освещенной стороной Земли и передачи этого изображения наземным приемным пунктам. Штатный комплект телевизионной аппаратуры первых метеорологических ИСЗ «Метеор» состоял из двух телевизионных камер, которые сконструированы таким образом, чтобы с высоты 600 — 700 км ширина полосы фотографирования местности составляла около 1000 км, а разрешение в надире¹ было бы не хуже 1,25 км. Столь высокая разрешающая способность телевизионной аппаратуры советских метеорологических ИСЗ позволила выявлять на снимках не только относительно мелкомасштабные атмосферные явления (например, отдельные облака размером в 3 — 4 км), но и получать исключительно ценную информацию о снежном и ледовом покровах на суше и в акваториях полярных бассейнов.

¹ Надир — точка пересечения перпендикуляра, опущенного с ИСЗ, с земной поверхностью.

Кроме того, сравнительно высокая чувствительность приемных блоков телевизионных камер ИСЗ «Метеор» позволяла получать весьма четкие контуры как облачных полей, так и отдельных облаков. Различие в отражательной способности самих облаков дало возможность проводить оценку их плотности и ряда других параметров. Своеобразная же форма облаков, их расположение в пространстве и структура, в каждый фиксированный момент времени, а также эволюция и характер их перемещения позволили специалистам получить много сведений о состоянии атмосферы в различных районах земного шара.

В связи с тем, что телевизионная аппаратура дает возможность получать метеорологическую информацию только с освещенной стороны нашей планеты, желательно, чтобы телевизионные камеры не работали впустую в тени Земли и выключались перед заходом ИСЗ за границу дня и ночи. Для этой цели на борту ИСЗ «Метеор» имеется специальное автоматическое устройство, которое выключает телевизионные камеры при углах возвышения Солнца над горизонтом менее 5° и включает их при таком же возвышении Солнца после выхода ИСЗ из теневой зоны.

Требования, предъявляемые синоптиками к обзорной информации метеорологических ИСЗ, весьма разнообразны. С одной стороны, их интересует фактическая метеорологическая обстановка в каком-то определенном районе земного шара (например, при нахождении ИСЗ в зоне пункта приема спутниковой информации). С другой стороны, им необходимо знать погоду различных регионов нашей планеты, удаленных от пунктов приема на многие тысячи километров (например, в антарктической зоне). При этом важно, чтобы информация с интересующих удаленных географических районов не пропадала совсем, а «записывалась» на борту ИСЗ и выдавалась им на приемные станции по заданной программе или по командам с Земли.

На основании этих требований бортовая телевизионная аппаратура имеет несколько режимов работы. Главный из них — режим запоминания информации (ЗИ), когда вся информация с телевизионных камер, отснятая за один или несколько витков (т. е. за несколько оборотов ИСЗ) на освещенной Солнцем части Земли, поступает на бортовые запоминающие устройства (магнитофоны). Затем, при нахождении ИСЗ в зоне радиовидимости наземных приемных станций, она в ускоренном темпе передается с борта (режим воспроизведения — ВП). Имеется у телевизионной аппаратуры и режим непосредственной радиопередачи (НП). В этом режиме телевизионная информация передается на наземные приемные станции без какого-либо предварительного запоминания на борту ИСЗ.

Предусмотрены и так называемые комбинированные режимы. Например, можно совместить передачу на Землю телевизионной информации в режимах воспроизведения и непосредственной передачи (НП + ВП). При желании можно задать бортовым телевизионным системам и такой режим, при котором ИСЗ будет вести непосредственную передачу телевизионных изображений на наземные станции приема с синхронным запоминанием их бортовыми магнитофонами (НП + ЗИ). Вполне естественно, что различные комбинированные режимы работы бортовых научных систем метеорологических ИСЗ являются наиболее эффективными, так как позволяют одним ИСЗ решать две очень важные задачи: сбор глобальной метеорологической информации в едином центре посредством ее предварительного запоминания на борту ИСЗ и одновременную выдачу «своей погоды» любому потребителю, имеющему соответствующую аппаратуру для приема спутниковых телевизионных передач. Последнее представляет наибольший интерес для периферийных метеорологических служб, в частности для судов, находящихся в просторах Мирового океана, и ряда других потребителей.

В качестве датчиков изображения в космических телевизионных системах советских метеорологических ИСЗ обычно применялись покадровые камеры с миниатюрными, специально разработанными для этих целей видиконами.

В последние годы на советских метеорологических ИСЗ взамен камер с покадровым изображением устанавливаются более совершенные — сканирующие (т. е. осуществляющие непрерывную строчноскользящую съемку) телевизионные системы. Эта усовершенствованная телевизионная аппаратура построена на принципе оптического сканирования подстилающей поверхности в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты ИСЗ, при условии жесткой трехосной ориентации его корпуса. Первые же летные испытания этой аппаратуры, проведенные в Советском Союзе на ИСЗ «Метеор» (№ 10), показали ее существенные преимущества перед телевизионной аппаратурой на видиконах.

В отличие от других научных и служебных бортовых систем телевизионная аппаратура «Метеоров» передает свои снимки на Землю с помощью собственного передатчика, а не через общую радиотелеметрическую систему всего ИСЗ. Это обусловлено, главным образом, большим количеством информации, выдаваемой телевизионными камерами, а также и энергетическими соображениями.

Чтобы получать обзорную метеорологическую информацию с теневой (ночной) стороны планеты, необходимо осуществлять фотографирование подстилающей поверхности не в видимом участке спектра волн, а в инфракрасных лучах. И хотя значительная часть этих лучей поглощается водяным паром, всегда находящимся в атмосфере, все же выявлено несколько участков инфракрасного спектра (своеобразных «окон» прозрачности атмосферы), в которых данное излучение проникает сквозь толщу земной атмосферы без существенного искажения. Для советских ИСЗ «Метеор» выбран один из них — диапазон от 8 до 12 мкм, в котором сконцентрирована большая часть тепловой энергии, уходящей от Земли в космическое пространство.

Инфракрасная аппаратура ИСЗ «Метеор» представляет собой оптико-электронный прибор с углом обзора (сканирования) ±40 — 45° от направления в надир. С высоты 600 — 700 км она имеет ширину обзора около 1100 км и разрешающую способность примерно 15 км. Приемная часть инфракрасной аппаратуры при положительных температурах у поверхности Земли может зарегистрировать тепловые контрасты в 2 — 3° С, а при низких отрицательных температурах — в 7 — 8° С.

Инфракрасная аппаратура ИСЗ «Метеор» состоит из сканирующего зеркала, оптической системы, чувствительного элемента, преобразующего лучистую энергию в электрическую, и блока электроники. Основной состав аппаратуры размещается в нижней части герметического контейнера ИСЗ. Отдельные узлы ее приемного устройства располагаются вне контейнера и отделены от основной аппаратуры входным окном с фильтром, прозрачным для инфракрасного излучения в выбранном диапазоне электромагнитного спектра.

Измерение интенсивности уходящей радиации происходит по двухлучевой схеме, когда поток излучения уходящего от Земли (один луч), сравнивается с потоком излучения из космоса (другой луч). Оба луча поступают в приемное устройство ИСЗ «Метеор» через различные входные отверстия, ориентированные во взаимно перпендикулярных направлениях. Сигнал, пропорциональный интенсивности разностного потока, фокусируется на приемнике излучения (болометре), с которого соответствующий электрический сигнал поступает сначала в усилительный блок, а затем в выходное устройство.

Полученную информацию инфракрасная аппаратура передает либо на передатчик бортовой радиотелеметрической системы ИСЗ, а через него — на наземные приемные станции (рис. 4), либо как в «Метеоре-2» — на передатчик телевизионной системы (точнее, на передатчик совмещенного телевизионно-инфракрасного обзорного комплекса).

Включение инфракрасной аппаратуры ИСЗ «Метеор» в работу осуществляется с помощью бортового программного устройства или по команде с Земли. Режимы работы бортовой инфракрасной аппаратуры аналогичны телевизионной, т. е. имеются режимы ЗИ, ВП, НП и комбинированные НП + ВП или НП + ЗИ.

Для получения сведений о тепловом радиационном балансе Земли (о приходе и расходе тепловой энергии в системах Земля — атмосфера и Земля — космос) на ИСЗ «Метеор» установлена актинометрическая аппаратура. Научные измерения, проводимые ею, осуществляются с помощью нескольких радиометров, объединенных в единый комплект, куда входят два узкоугольных прибора с рабочим углом сканирования +60° от надира и два широкоугольных несканирующих прибора.

Узкоугольные приборы работают аналогично инфракрасной аппаратуре в спектральных интервалах 0,3 — 3, 8 — 12 и 3 — 30 мкм. Измерения в двух последних интервалах производятся одним прибором — при сканировании в одном направлении измеряется излучение в интервале 3 — 30 мкм, а в обратном — в интервале 8 — 12 мкм. Широкоугольные приборы, стоявшие только на «Космосах» и первых «Метеорах», измеряли излучение, уходящее от всей видимой части Земли и атмосферы.

Рис. 4. Карта облачного покрова одной и той же циклонической системы: слева — по результатам инфракрасного фотографирования; справа — по данным актинометрической съемки (цифрами указана высота верхней кромки облаков в километрах).

До появления искусственных спутников Земли практически невозможно было проводить непосредственные измерения составляющих радиационного баланса атмосферы, и вместо этого использовались приближенные расчеты. Можно с уверенностью утверждать, что накопление продолжительных актинометрических измерений с помощью ИСЗ позволит в дальнейшем полнее учитывать реальные энергетические процессы в атмосфере и тем самым систематически совершенствовать методы прогнозов погоды.

Актинометрическая аппаратура по своему устройству и принципу работы очень схожа с инфракрасной системой с той лишь разницей, что у нее больше каналов и меньше разрешение.

С высоты 600 — 700 км бортовая актинометрическая аппаратура ИСЗ «Метеор» имеет среднее разрешение около 50 км и ширину полосы обзора около 2500 км. Результаты измерений передаются на бортовую радиотелеметрическую систему, а оттуда на Землю (рис. 4, б).

Кроме перечисленных выше основных систем с целью испытаний и отработок на советских метеорологических ИСЗ устанавливались и другие научные приборы. Так, например, на некоторых ИСЗ «Метеор» проходила испытания спектрометрическая аппаратура для определения вертикального распределения температуры в атмосфере.

Перейдем к рассмотрению принципов работы основных служебных систем ИСЗ «Метеор».

Одним из самых важных условий нормального функционирования ИСЗ «Метеор» является обеспечение постоянной и весьма жесткой ориентации космического аппарата во время его полета по трем осям (тангажу, крену, рысканию). Эту важную задачу решает система ориентации ИСЗ. Она вступает в активную работу после вывода космического аппарата на орбиту.

Сразу же после отделения объекта от ракеты-носителя контроль положения корпуса ИСЗ «Метеор» по двум горизонтальным осям (по оси тангажа и оси крена) и выдача управляющих сигналов на исполнительные органы осуществляется с помощью датчиков инфракрасной вертикали, а по вертикальной оси (по оси рыскания) — датчиком углов (гироскопом). Имеются на борту ИСЗ также и гироскопические датчики угловых скоростей, контролирующие скорость вращения спутника вокруг своих осей.

Инфракрасные датчики ИСЗ «Метеор» представляют собой спектральные приборы, реагирующие на тепловое (инфракрасное) излучение Земли и следящие, тем самым, за положением линии земного горизонта (рис. 5). Они ответственны за то, чтобы вертикальная ось ИСЗ была постоянно направлена по нормали к земной поверхности. Датчик угла и датчик угловых скоростей, представляющие собой гироскопические приборы, следят за тем, чтобы корпус ИСЗ был строго ориентирован не только по курсу (оси рыскания), но и по остальным осям. Точность ориентации корпуса ИСЗ «Метеор» с помощью указанных приборов составляет около 3°.

Исполнительными органами системы ориентации ИСЗ «Метеор» при начальном успокоении, когда моменты вращения сравнительно велики, служат реактивные сопла, работающие в импульсном режиме на сжатом азоте. А в процессе орбитального полета исполнительными органами системы ориентации служат уже не реактивные сопла, а электродвигатели-маховики, оси которых совпадают с осями ИСЗ. В случае появления сигнала рассогласования от датчиков контроля положения счетно-решающее устройство системы ориентации включает в работу маховики, представляющие собой многополюсные двигатели переменного тока. Для сброса избыточного кинетического момента, накапливаемого двигателями-маховиками в процессе работы, на ИСЗ «Метеор» устанавливаются электромагниты, взаимодействующие с магнитным полем нашей планеты и постепенно гасящие колебания контейнера.

Точность стабилизации ИСЗ «Метеор» с помощью маховиков достигает уже ±1°. При этом контроль положения корпуса ИСЗ осуществляется дополнительными двумя солнечными датчиками, один из которых используется для сравнительно «грубой» ориентации объекта, а второй — для более точного учета дрейфа маховиков-гироскопов.

Рис. 5. Схема работы инфракрасных датчиков системы ориентации ИСЗ: 1 — сопла двигателей управления; 2 — оптические элементы

В отличие от большинства космических аппаратов панели солнечных батарей ИСЗ «Метеор» закреплены на корпусе объекта не неподвижно, а имеют возможность вращаться относительно него. Поэтому ориентация солнечных батарей на Солнце по азимуту и углу места происходит независимо от ориентации корпуса ИСЗ — с помощью собственной системы, состоящей из солнечных датчиков и электродвигателей.

В случае нарушения ориентации панелей солнечных батарей солнечные датчики ИСЗ «Метеор» выдают соответствующие управляющие сигналы на электродвигатели, которые, в свою очередь, осуществляют необходимый доворот панелей в сторону Солнца. Такая независимая ориентация солнечных батарей позволяет на освещенной части орбиты получать от них максимум электроэнергии, что чрезвычайно важно для нормального функционирования всего ИСЗ в целом.

Для обеспечения электроэнергией всех систем и устройств ИСЗ «Метеор» на его борту имеется система электропитания, состоящая из солнечных и химических батарей, а также элементов автоматики, управляющих процессами накопления и расходования электроэнергии.

Солнечные батареи до настоящего времени остаются основным источником электричества на борту ИСЗ, но работают они, к сожалению, лишь на освещенном участке орбиты. В них происходит преобразование солнечной энергии в электрическую за счет фотоэлектрического эффекта. Конструктивно солнечные батареи ИСЗ «Метеор» представляют собой громадные крылья-панели, площадь которых достигает 15 м2. Солнечные батареи осуществляют не только подачу электроэнергии системам ИСЗ, но и обеспечивают периодическую подзарядку бортовых химических источников тока.

Химические батареи ИСЗ «Метеор» состоят из серебряно-цинковых или кадмиево-никелевых аккумуляторов, сведенных в несколько групп. Для повышения надежности наиболее важные элементы системы электропитания зарезервированы.

Для создания необходимого теплового режима в приборном отсеке ИСЗ «Метеор» имеется система терморегулирования. В процессе работы аппаратуры ИСЗ колебания температуры внутри него не выходят за пределы от 0 до +40° С. Для этой цели в составе системы терморегулирования предусмотрены вентиляторы, элементы подогрева газового теплоносителя и охлаждения его. Кроме того, внешнюю поверхность ИСЗ «Метеор» подвергают специальной обработке для создания требуемого коэффициента отражения и поглощения солнечной энергии. Нередко на внешней части корпуса ИСЗ «Метеор» устанавливается специальная система шторок (жалюзи), которая в зависимости от условий освещенности ИСЗ солнечными лучами открывает или закрывает его внешнюю поверхность.

Бортовые программно-временные, вычислительные и логические устройства ИСЗ «Метеор» в зависимости от их назначения могут выполнять довольно широкий круг разнообразных задач. В основном они служат для включения и выключения различных бортовых систем ИСЗ во время, заданное программой. Однако они могут принимать участие и в работе систем ориентации корпуса ИСЗ и его солнечных батарей, проводить расчет параметров орбиты и условий освещенности Солнцем, а также выполнять отдельные операции по первичной обработке результатов измерений, проводимых как научным, так и служебным комплексами «Метеора».

Для контроля за изменениями орбиты ИСЗ, получения различных исходных данных для расчетов команд и программ, а также для радиосвязи с наземными станциями в составе служебного комплекса ИСЗ «Метеор» имеется ряд радиотехнических систем: радиоконтроля орбиты, командно-программной радиосвязи и радиотелеметрическая система.

Система радиоконтроля орбиты представляет собой набор как бортовых, так и наземных специализированных радиопередатчиков и ретрансляторов, с помощью которых осуществляется определение местоположения ИСЗ в пространстве, прогнозирование изменений элементов его орбиты и условий освещенности его Солнцем.

Комплекс аппаратуры командно-программной радиосвязи предназначен для передачи на борт ИСЗ радиокоманд и программ управления, для задания бортовым системам космического аппарата необходимых режимов работы. Он включает в себя соответствующий набор приемников, дешифраторов, коммутационных блоков и исполнительных устройств. В процессе полета бортовая аппаратура ИСЗ «Метеор» не только принимает и исполняет команды и программы, передаваемые с Земли, но и выдает подтверждение о прохождении и исполнении этих команд и программ на борту спутника.

Бортовая радиотелеметрическая система служит для накопления и передачи части научной и всего объема служебной спутниковой информации на наземные специализированные пункты приема. Она содержит, как правило, различные датчики, согласующие устройства, генераторы частоты, модулирующие, передающие и антенно-фидерные устройства, а также в некоторых случаях дополнительные эталонные системы электропитания и собственные запоминающие устройства.

Рис. 6. Антенна наземной станции приема спутниковой метеорологической информации

Следует отметить, что в последние годы в связи с дальнейшим совершенствованием космической техники наблюдается тенденция к совмещению радиотелеметрических (как наземных, так и бортовых) систем с другими радиотехническими системами (рис. 6), в первую очередь с системой радиоконтроля орбиты, и выделению отдельных радиоканалов для передачи всей научной информации: телевизионной, инфракрасной, актинометрической и т. д.

Метеорологические ИСЗ зарубежных стран

Первыми американскими специализированными метеорологическими ИСЗ были аппараты «Тирос», полное название которых в переводе с английского означает «Спутник для наблюдений, оснащенный телевизионной и инфракрасной аппаратурой» (рис. 7, а). В результате запусков этих ИСЗ, начатых НАСА в 1960 г. и закончившихся в 1965 г. (см. табл. 2), проводилась широкая программа научных исследований, в соответствии с которой отрабатывались метеорологическая аппаратура, методика наблюдений и работа наземного комплекса.

Основной задачей ИСЗ «Тирос» было фотографирование облачного покрова и подстилающей поверхности Земли в приэкваториальных и умеренных широтах. И только два последних «Тироса» из-за увеличения наклона их орбит могли осуществлять фотографирование полярных районов. Система ориентации «Тиросов» была очень несовершенной и не соответствовала полностью данному типу ИСЗ. В то же время метеорологическая информация, полученная в процессе их полетов, с успехом использовалась метеослужбами многих стран, поскольку другой спутниковой информации в то время попросту не было.

Корпус ИСЗ «Тирос» (см. рис. 7, а) представлял собой цилиндр весом около 130 кг с жестко укрепленными на его поверхности элементами солнечных батарей. Для фотографирования облачного покрова и подстилающей поверхности на борту ИСЗ «Тирос» были установлены две кадровые телевизионные камеры: одна широкоугольная с полосой обзора около 1300 км и одна узкоугольная, имевшая полосу обзора около 130 км. Разрешающая способность широкоугольной камеры с высоты около 700 км составляла почти 3 км, а узкоугольной камеры — около 0,3 км. Поле зрения камер (точнее, угол обзора) соответственно равнялось около 100 и 14°. Фотографирование обеими камерами осуществлялось одновременно (с интервалом в 30 с). Точность привязки снимков к географическим координатам была, как правило, невысокой и составляла примерно ±90 км.

Рис. 7. Общий вид американских метеорологических ИСЗ (в произвольном масштабе): а — «Тирос»; б — «ЕССА», в — «НОАА», г — «Нимбус»

Кроме телевизионной системы, на борту большинства «Тиросов» устанавливалась и инфракрасная аппаратура, позволявшая фотографировать облачный покров и подстилающую поверхность на ночной стороне Земли. Работая в нескольких диапазонах электромагнитного спектра (от 0,2 до 30 мкм), инфракрасная аппаратура позволяла проводить довольно широкий круг метеорологических исследований — изучать распределение водяного пара, собственное тепловое излучение Земли, отраженную солнечную радиацию, общее инфракрасное излучение планеты и, наконец, вести фотографирование облачного покрова в оптическом диапазоне длин волн.

Служебный комплекс ИСЗ «Тирос» обеспечивал пространственную ориентацию этих объектов и динамичное управление ими, программирование и командное управление работой бортовой аппаратуры, а также передачу телеметрических данных и сигналов радиомаяков.

Таблица 2

Сводная таблица серийных метеорологических ИСЗ США

Стабилизация корпуса ИСЗ «Тирос» проводилась посредством его закручивания вокруг своей вертикальной оси со скоростью около 10 оборотов в минуту, которое им придавалось на начальном этапе полета. Таким образом, используя стабилизирующий принцип гироскопа, ИСЗ «Тирос» вынуждены были ориентироваться в пространстве в определенном положении, что резко ухудшало их информативную способность, поскольку в течение одного оборота вокруг Земли они были обращены к Земле различными сторонами, в то время как объективы научной аппаратуры располагались только в днище их корпусов.

Несмотря на ряд существенных недостатков в конструкции ИСЗ «Тирос», их запуски позволили накопить значительный опыт метеорологических наблюдений с ИСЗ и подготовить необходимые условия для создания новых метеорологических спутников США.

На смену ИСЗ «Тирос» пришли более совершенные метеорологические спутники «ЕССА»² (см. табл. 2). Эти ИСЗ были выполнены в форме восемнадцатигранной призмы высотой 57 см и диаметром 105 см. Их вес составлял около 140 кг (рис. 7, б)

² ЕССА — Управление США по исследованию околоземного пространства, которому принадлежали ИСЗ.

Такая своеобразная колесовидная форма корпуса ИСЗ «ЕССА» объяснялась стремлением создать наиболее благоприятные условия для работы телевизионных камер (для получения ими максимального числа фотографий облачного покрова) при отсутствии строгой ориентации объекта относительно Земли. В отличие от «Тиросов» спутники «ЕССА» после вывода их на орбиту закручивались вокруг своей оси тангажа таким образом, чтобы ось их вращения располагалась перпендикулярно плоскости орбиты. И сам спутник напоминал плоский цилиндр (колесо), катящийся по орбите.

ИСЗ «ЕССА» запускались на квазиполярные солнечно-синхронные орбиты высотой около 1400 км. Главная особенность солнечно-синхронных орбит состоит в том, что ИСЗ, находясь на такой орбите, имеет возможность проходить над любой точкой земной поверхности в одно и то же местное время. Причем время его нахождения на дневной и ночной сторонах планеты оказывается диаметрально противоположным. Например, если на освещенной стороне планеты ИСЗ «работает» в местный полдень, то на неосвещенной стороне у него в надире будет всегда местная полночь.

Всего было запущено 9 космических аппаратов данного типа. Метеорологическая аппаратура ИСЗ «ЕССА» состояла, как правило, из двух кадровых телевизионных камер и одного многоканального радиометра. Телевизионные камеры в зависимости от номера объекта могли вести или непрерывную автоматическую передачу получаемых изображений, или работать в режиме ЗИ с последующей передачей информации на наземные приемные пункты. Поле зрения телевизионных камер достигало 108°, что позволяло осматривать полосу подстилающей поверхности планеты шириной до 3200 км. При этом разрешающая способность снимков колебалась от 2,4 км (в центре кадра) до 8,4 км (к его краям).

Устанавливаемые на ряде ИСЗ данной серии радиометры (аналогичные радиометрам «Тиросов») осуществляли измерения теплового излучения планеты, а также солнечной радиации, отраженной как от поверхности Земли, так и от нижних слоев ее атмосферы, что в итоге позволяло проводить термическое зондирование нижней атмосферы и в любое время суток наблюдать облачный покров.

Более совершенными метеорологическими ИСЗ оперативного наблюдения, заменившими в настоящее время «ЕССА», явились спутники «НОАА»³, запуски которых начались в 1970 г. (см. табл. 2). Первый ИСЗ данного типа имел название «ИТОС», что в переводе с английского означает «Модернизированный спутник типа «Тирос».

³ НОАА — Национальное управление США по исследованию океана и атмосферы, которому принадлежат эти ИСЗ.

Космические аппараты «НОАА» представляют собой прямоугольный параллелепипед размером 102 х 102 х 125 см и весом более 300 кг. Они обеспечиваются жесткой трехосной ориентацией и стабилизацией с точностью до ± 1° и снабжены тремя панелями солнечных батарей размером 165 x 91 см каждая с максимальной суммарной мощностью около 400 Вт. ИСЗ «НОАА» запускаются на круговую квазиполярную солнечно-синхронную орбиту высотой 1450 км и с наклонением в 102°.

Особенностью бортового служебного комплекса метеорологического ИСЗ «НОАА» является наличие более сложной, так называемой пассивно-активной, системы терморегулирования. Ее пассивным элементом служат два контрольно-тепловых черных кольца, меняющих коэффициент поглощения солнечных лучей корпусом ИСЗ в зависимости от угла их падения, а активным — жалюзи, изменение положения шторок которых меняет площадь открытой излучающей поверхности корпуса.

Основой научной аппаратуры данного метеорологического ИСЗ является усовершенствованный многоканальный сканирующий комплекс, работающий как в оптическом, так и инфракрасном диапазонах спектра. Разрешающая способность всей аппаратуры при полосе обзора, равной 4000 км, в среднем меняется в надире от 3 км (на дневной стороне) до 8 км (на ночной стороне Земли).

Телевизионная система данного комплекса одной частью камер (обычно двумя) может вести обзор облачного покрова и подстилающей поверхности в режиме НП, а другой частью камер (тоже двумя) — в режиме ЗИ + ВП.

Для наблюдения за облачным покровом и подстилающей поверхностью в любое время суток, а также термического зондирования нижней атмосферы используются остальные две камеры комплекса, работающие в инфракрасном диапазоне волн от 0,52 до 12,5 мкм. При этом канал инфракрасной системы 0,52 — 0,73 мкм благодаря своему высокому разрешению может служить оперативной заменой телевизионной системы в случае ее повреждения или выхода из строя.

На отдельных ИСЗ серии «НОАА» (например, на «НОАА-2») данный комплекс работал только в инфракрасном диапазоне волн. При этом разрешение изображения варьировалось от 7,4 км (в надире) до 22 км (на краю полосы обзора), а чувствительность аппаратуры к контрастам наблюдаемых температур составляла ±2° С (при положительных) и ±8° С (при отрицательных температурах). Кроме того, ИСЗ «НОАА», не имеющие на своем борту телевизионной системы, дополнительно оснащались радиометрами высокого и среднего разрешения, что позволяло получать карты температурного поля поверхности Земли и распределения температур в приземном 35-километровом атмосферном слое. На отдельных ИСЗ «НОАА» были также установлены приборы для измерения протонной составляющей солнечного излучения.

Своеобразной разновидностью метеорологических ИСЗ являются спутники «Блок-D», запуски которых начали осуществляться для нужд ВВС США еще в 1965 г.

Бортовая аппаратура ИСЗ «Блок-D» предназначена для получения изображений подстилающей поверхности планеты в глобальном масштабе в видимом и инфракрасном диапазонах спектра со средним разрешением около 3,6 км (при общем метеорологическом обзоре), а для получения аналогичных изображений отдельных районов земного шара и термического зондирования атмосферы — с разрешением 0,6 км (при детальном метеорологическом обзоре). Для этой цели на их борту устанавливается обзорная аппаратура телевизионно-сканирующего типа, работающая в нескольких спектральных диапазонах, и восьмиканальный сканирующий радиометр (0,4 — 13,0 мкм) с разрешением около 36 км.

Спутники «Блок-D» конструктивно выполнены в виде двенадцатигранной призмы высотой 1,64 м и диаметрами верхнего и нижнего оснований, равными соответственно 1,1 и 1,32 м. Вес спутников по мере их модификации возрос со 100 до 200 кг. На объектах имеются системы ориентации, состоящие из гиромаховиков и магнитных катушек, обеспечивающих жесткую стабилизацию корпуса.

Метеорологические ИСЗ «Блок-D» запускаются на круговые солнечно-синхронные орбиты высотой около 865 км. Научная информация с ИСЗ может передаваться на Землю как в режиме НП, так и в режиме ЗИ + ВП.

В настоящее время разработаны и готовятся к запуску усовершенствованные ИСЗ данной серии, получившие название «Блок-5D». Они имеют цилиндрический корпус длиной почти 6 м и диаметром около 1,14 м. Общий их вес составляет примерно 500 кг. В полете этот ИСЗ должен жестко стабилизироваться по трем осям с таким расчетом, чтобы объективы научной аппаратуры были постоянно направлены в надир. ИСЗ данного типа будут выводиться на полярные круговые орбиты высотой 810 км, что позволит обеспечивать полный обзор поверхности земного шара один раз в сутки для каждого ИСЗ.

ИСЗ «Блок-5D» подобно своим предшественникам будут оснащены многоканальным сканирующим комплексом для наблюдения за облачным покровом и подстилающей поверхностью планеты в любое время суток с максимальным разрешением на местности около 0,5 км и шестнадцатиканальным радиометром для картографирования с большой точностью температурного поля поверхности земного шара, а также для определения вертикального распределения температуры и влажности, наблюдения за озоном, полярными сияниями, грозами и некоторыми другими явлениями и процессами, протекающими в нижних слоях атмосферы.

Одной из наиболее совершенных разновидностей американских метеорологических ИСЗ явились экспериментальные спутники «Нимбус» (табл. 3).

Таблица 3

Сводная таблица запусков экспериментальных и геостационарных американских метеорологических ИСЗ

Начиная с 1964 г., было запущено шесть ИСЗ этого типа. Цель их запусков — отработка методов метеорологических исследований с помощью ИСЗ, а также испытание отдельных метеорологических систем аппаратов, которые впоследствии частично стали использоваться на метеорологических ИСЗ типа «НОАА» («Тирос-М»).

Основной особенностью ИСЗ данной серии явилось наличие на их борту более совершенной системы ориентации самого спутника и системы ориентации солнечных батарей, близких к системам ИСЗ «Метеор».

Конструктивно ИСЗ «Нимбус»⁴ (рис. 7, г) представляли собой круглую стабилизированную платформу диаметром 1,5 м, к верхнему днищу которой была пристроена ферма с дополнительным отсеком и двумя крыльями солнечных батарей, осуществлявших автоматическое слежение за Солнцем. Общая высота корпуса ИСЗ составляла около 3 м, а размах панелей солнечных батарей достигал 3,4 м. Вес ИСЗ в зависимости от целей запуска варьировался от 380 до 770 кг.

⁴ «Нимбус» в переводе с английского означает «кучевые облака».

Поскольку американские ИСЗ «Нимбус» были экспериментальными объектами, то программы полета каждого из них отличались друг от друга, что, в свою очередь, обусловливало и различие в комплексах их научной аппаратуры. Четыре первых «Нимбуса» были снабжены телевизионной и инфракрасной аппаратурой, осуществлявшей наблюдения (в разное время суток) подстилающей поверхности и облачности, а также актинометрической системой для контроля за составляющими радиационного баланса Земли и атмосферы.

Телевизионная аппаратура этих спутников состояла из трех телекамер, работавших в режиме ЗИ + ВП, и одной камеры, осуществлявшей непосредственную передачу изображений местности в реальном масштабе времени (режим НП). Ширина полосы обзора с высоты 1100 км достигала 2500 км при разрешении (в надире) до 3,5 км.

Кроме телевизионной аппаратуры они имели инфракрасные радиометры, работавшие в диапазоне длин волн от 3,4 до 4,2 мкм и имевшие высокую разрешающую способность. Для актинометрических наблюдений использовались пятиканальные радиометры, аналогичные радиометрам «Тиросов».

Следующий ИСЗ этого типа — «Нимбус-5» — был тяжелее предыдущих, поскольку на его борту была размещена более сложная научная аппаратура. Этот ИСЗ внес весьма важный вклад в разработку новых методов дистанционного зондирования земной атмосферы. Помимо всего прочего во время полета этого ИСЗ испытывалась усовершенствованная радиокомандная система, обеспечившая прием до 512 команд вместо 128 на предыдущих ИСЗ данной серии.

Научный комплекс «Нимбуса-5» состоял из шести приборов: микроволнового радиометра (с электрическим сканированием) для получения микроволновых изображений подстилающей поверхности и выявления зон осадков (рабочий диапазон располагался в пределах длин волн от 1,35 до 1,55 см), инфракрасного радиометра для определения вертикального распределения температур (3,7 — 19,7 мкм), микроволнового спектрометра для выявления вертикального распределения температур и влажности (5 мм и 1,35 см), инфракрасного радиометра для круглосуточного наблюдения за облачным покровом и подстилающей поверхностью планеты (0,8 — 11,2 мкм), радиометра с селективной модуляцией для термического зондирования тропосферы и стратосферы (15 мкм) и радиометра для определения температуры подстилающей поверхности и содержания водяного пара в атмосфере (6,5 — 12,5 мкм). Причем первые четыре прибора были запущены в космос впервые, тогда как остальные представляли собой модифицированные варианты приборов, уже применявшихся ранее.

ИСЗ «Нимбус-5» дважды в сутки (около моментов местного полдня и местной полуночи) осуществлял обзор всей поверхности нашей планеты. Его научная аппаратура позволяла решать весьма широкий круг разнообразных задач. Она давала возможность выявлять зоны осадков, осуществлять термическое зондирование атмосферы, определять вертикальное распределение влажности, предположительно оценивать состав поверхностных пород, различать типы растительности, их вегетационный период и т. д.

Характерная особенность научного комплекса «Ним-буса-5» — наличие на его борту телевизионных систем, работающих только в инфракрасном диапазоне. Отсутствуют оптические каналы и в телевизионной системе на «Нимбусе-6». По составу своей научной аппаратуры этот ИСЗ близок к «Нимбусу-5». В то же время на его борту, так же как и на борту «Нимбуса-4», была установлена научная система для опроса и определения координат наземных автоматических метеорологических станций, океанических буев, шаров-зондов, кораблей и самолетов. Помимо оперативного сбора различной гидрометеорологической информации с последующей ее ретрансляцией на приемные наземные пункты, эта система позволяет получать данные о ветровом режиме на различных высотах (посредством прослеживания траекторий шаров-зондов, запускаемых с земной поверхности) .

Таким образом, эти специализированные метеорологические ИСЗ имели возможность не только проводить наблюдения за погодой, но и осуществлять сбор (и передачу на приемные пункты) результатов метеорологических наблюдений со станций и постов наземной гидрометеорологической сети.

Помимо чисто экспериментальных задач спутники серии «Нимбус» позволяли службе погоды эпизодически получать информацию о состоянии облачного покрова над всей поверхностью земного шара, о вертикальном распределении температуры и влажности над планетой, о режиме ветров над отдельными районами земной поверхности, о температуре поверхности Мирового океана, о распределении стратосферного озона и, наконец, о потоках электронов и солнечных протонов на высоте полета ИСЗ.

Исследованием Земли из космоса в прикладных целях занимаются в настоящее время помимо СССР и США еще ряд государств и международных организаций (в частности, организация западноевропейских стран — ЕАС). В их космические программы входят и вопросы космической метеорологии.

В этом плане определенный интерес представляют исследовательские спутники «Эол» (Франция), «Метеосат» (ЕАС), «Осуми» и «ГМС-1» (Япония).

Французский экспериментальный ИСЗ «Эол» был предназначен для изучения общей циркуляции атмосферы в южном полушарии и для сбора метеорологической информации с шаров-зондов, снабженных специальной исследовательской аппаратурой. ИСЗ «Эол» 16 августа 1971 г. был выведен на эллиптическую орбиту с перигеем 670 км, апогеем 910 км и наклонением 50°. Корпус ИСЗ имел форму восьмигранной призмы высотой 0,58 м и максимальным поперечным размером 0,71 м. Вес его составлял примерно 84 кг. ИСЗ «Эол» был снабжен солнечными батареями и гравитационной системой ориентации (с выдвижным стержнем длиной около 10 м).

Из научной аппаратуры данного ИСЗ наибольший интерес представляла бортовая специализированная система «запроса» шаров-зондов, которая могла опрашивать одновременно до 64 абонентов, запоминать информацию о температуре воздуха, давлении и других параметрах атмосферы, а затем по командам с Земли передавать ее на наземные пункты приема.

Определенный успех в области спутниковой метеорологии достигнут в Японии. 11 февраля 1970 г. был запущен японский исследовательский ИСЗ «Осуми» — перигей орбиты 335 км (расчетная величина 620 км), апогей 4896 км (расчетная величина 4300 км), наклонение к экватору 31,0° (расчетная величина 31,2°), период обращения около 141 мин. И хотя сам ИСЗ «Осуми» практически являлся последней ступенью японской ракеты-носителя, его бортовая аппаратура позволяла осуществлять измерения ряда параметров верхних слоев атмосферы. Кроме того, в 1977 г. в Японии был осуществлен запуск геостационарного ИСЗ «ГМС-1».

Геостационарные ИСЗ

Если искусственный спутник Земли запустить на круговую экваториальную орбиту (с наклонением к экватору, близким к 0°) высотой около 36 тыс. км, то он как бы неподвижно зависнет над расчетной точкой земной поверхности, так как угловая скорость его обращения вокруг Земли будет равна угловой скорости вращения самой Земли вокруг своей оси. Такие ИСЗ, называемые геостационарными, представляют для службы погоды огромный интерес по ряду причин.

Во-первых, находясь постоянно над одной и той же экваториальной точкой земного шара, такой ИСЗ имеет возможность непрерывно обозревать заданный район планеты. Этим достигается исключительно высокая оперативность выдаваемой им обзорной метеорологической информации.

Во-вторых, такое «неподвижное» относительно поверхности Земли положение ИСЗ позволяет существенно упростить его бортовые комплексы, например, исключать с борта ИСЗ запоминающие устройства (тем самым, исключить режимы ЗИ).

И, в-третьих, такие «привязанные» ИСЗ могут с большей эффективностью и оперативностью осуществлять сбор различной метеорологической информации с наземной гидрометеорологической сети, а также с автоматических метеостанций, шаров-зондов, морских буев, самолетов, кораблей, низколетящих ИСЗ и любых других абонентов, находящихся в их поле зрения.

Первое практическое применение геостационарных ИСЗ для нужд метеорологии началось с запусков американских экспериментальных ИСЗ серии «АТС»⁵ (табл. 3). И хотя почти половина этих ИСЗ неполностью выполнила запланированную метеорологическую часть программы исследований, опыт работы с подобными ИСЗ был весьма полезен.

⁵ Сокращение от полного названия ИСЗ, которое в переводе с английского означает «Прикладной технологический спутник».

Рис. 8. Общий вид американского ИСЗ «АТС»

ИСЗ «АТС» использовались не только для метеорологических целей. В задачу их запусков входили и обеспечение дальней связью самолетов с наземными станциями, ретрансляция цветных телевизионных изображений, а также испытание различных конструкционных материалов и бортового оборудования.

ИСЗ «АТС» (рис. 8) представляет собой цилиндр диаметром 1,47 м и высотой 1,52 м. Вес ИСЗ в зависимости от комплекта бортовой аппаратуры колебался от 350 до 400 кг. В качестве источников электроэнергии использовались солнечные и химические батареи. «АТС» имел пространственную ориентацию, благодаря чему объективы научной аппаратуры были постоянно направлены в надир. На отдельных ИСЗ этой серии (например, на «АТС-1») ориентация и стабилизация корпуса осуществлялись путем закручивания его корпуса вокруг своей оси (стабилизация вращением), тогда как на других ИСЗ «АТС» (например, на «АТС-3») это достигалось посредством выдвижения длинных штырей (гравитационная стабилизация).

Опыт работы с ИСЗ типа «АТС» позволил создать и вывести 17 мая 1974 г. на околоземную орбиту первый американский специализированный геостационарный метеорологический ИСЗ, получивший наименование «СМС-1»⁶ (см. табл. 3). ИСЗ вышел на орбиту высотой 35 800 км и с углом наклона плоскости орбиты к экватору примерно в 2°. Долгота его подспутниковой точки (надира) — 45,2° з. д. — находилась в районе устья реки Амазонки. Корпус ИСЗ имеет форму цилиндра с основанием 1,9 м и высотой 2,3 м. Вес ИСЗ составил 286 кг. На орбите он был стабилизирован вращением вокруг своей вертикальной оси со скоростью около 100 оборотов в минуту.

⁶ Полное название в переводе с английского означает «Стационарный метеорологический спутник».

16 октября 1975 г. был запущен второй спутник данного типа.

ИСЗ «CMC» были предназначены в основном тля получения и передачи изображений облачного покрова и подстилающей поверхности американского континента, приема и ретрансляции (в реальном масштабе времени) информации нескольких тысяч автоматических станций и постов, а также для регистрации потоков солнечного ветра и наблюдения за активностью Солнца. Для решения этих задач ИСЗ имеют инфракрасную аппаратуру (многоканальный сканирующий радиометр), приборы для регистрации заряженных частиц и рентгеновских лучей в диапазоне длин волн от 0,5 до 8 Å, магнитометр и специальную аппаратуру для сбора и ретрансляции метеоданных.

С помощью радиометра эти ИСЗ имеют возможность осуществлять постоянное наблюдение за облачным покровом в области вокруг подспутниковой точки до ±70° по широте и долготе. Разрешение оптических каналов радиометра составляет почти 0,8 км, а инфракрасных — около 6,5 км. Фотографии с ИСЗ на Землю поступают с интервалом примерно в 30 мин.

На базе экспериментальных ИСЗ «CMC» в США были созданы эксплуатационные геостационарные метеорологические ИСЗ, получившие название «ГОЕС»⁷. Первый ИСЗ этой серии был выведен на орбиту с долготой подспутниковой точки 75° з. д. (западное побережье Южной Америки).

⁷ Полное название ИСЗ в переводе с английского — «Геостационарный спутник для исследования окружающей среды».

Корпус ИСЗ «ГОЕС» имеет диаметр 2,1 м и высоту 1,45 м. Его вес составляет 300 кг. Он стабилизирован вращением вокруг своей вертикальной оси. Научный комплекс «ГОЕС-1» состоит из набора сканирующих радиометров, работающих в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн и осуществляющих съемку облачного покрова и подстилающей поверхности в любое время суток, а также из системы сбора и регистрации гидрометеорологической информации с наземной сети станций (метеостанций, морских буев, шаров-зондов, самолетов, морских судов и т. д.).

Второй ИСЗ этой серии — «ГОЕС-2» — был выведен на орбиту 25 мая 1977 г. над подспутниковой точкой с долготой 135° з. д. Цель его запуска — сбор гидрометеорологической информации с центрального и восточного районов Тихого океана.

ИСЗ «ГОЕС» со временем будут включены в Международную метеорологическую космическую систему — ММКС. По программе ММКС организацией западноевропейских стран ЕАС разрабатывается еще один геостационарный ИСЗ — «Метеосат». Осенью 1977 г. с помощью американской ракеты-носителя он был выведен на геостационарную орбиту над подспутниковой точкой с долготой 0°. Этот ИСЗ предназначен для получения изображений облачного покрова в оптической и инфракрасной областях спектра, для сбора и ретрансляции гидрометеорологической информации наземной автоматической сети станций с территории Европы, Африки и Атлантики.

Основу научной аппаратуры ИСЗ «Метеосат» составляет двухканальный сканирующий радиометр, работающий в диапазонах 0,5 — 0,7 и 10,5 — 12,5 мкм и имеющий разрешение соответственно для каждого канала 3,5 и 7 км. Конструкция радиометра позволяет довести в дальнейшем его разрешение до 1.25 км. Кроме радиометра, на борту ИСЗ имеется радиопередающая аппаратура, осуществляющая сбор и ретрансляцию данных с 4000 наземных абонентов через каждые 6 ч.

В будущем на ИСЗ данного типа предполагается устанавливать дополнительные научные приборы, позволяющие проводить термическое зондирование атмосферы, выявлять интенсивность осадков и определять влагосодержание приземных слоев воздуха.

В соответствии с соглашением с другими странами по программе ММКС Япония осуществила 14 июля 1977 г. запуск геостационарного ИСЗ «ГМС-1» над точкой с долготой 140° в. д. Технические характеристики и состав аппаратуры этого ИСЗ аналогичны соответствующим системам для спутников «ГОЕС» и «Метеосат». Цель запуска — получение гидрометеорологической информации с восточной части Азии и западных районов Тихого океана.

Принимают участие в международной метеорологической космической программе и советские ученые. Согласно принятым обязательствам Советский Союз в недалеком будущем планирует вывести на геостационарную орбиту с долготой подспутниковой точки 70° в. д. советский метеорологический ИСЗ с комплексом научной аппаратуры, аналогичной зарубежным геостационарным метеорологическим ИСЗ. Первые шаги по отработке вывода объектов на такие орбиты уже сделаны посредством запусков геостационарных ИСЗ связи «Радуга» и «Экран».

Метеорологические космические системы

Опыт использования обзорной информации первых метеорологических ИСЗ показал, что для успешного решения большинства задач по сбору и анализу гидрометеорологических данных, а также прогнозу с их помощью погодных условий на больших территориях (а тем более в глобальном масштабе) явно недостаточно одного ИСЗ, каким бы универсальным и информативным он ни был.

Чем же это обусловлено?

Главным образом динамикой самого космического полета. Дело в том, что положение плоскости орбиты ИСЗ в космическом пространстве меняется очень и очень медленно. Однако сам ИC3 движется по орбите, делая один оборот в среднем за 100 мин. За это время Земля за счет собственного вращения вокруг своей оси успевает сделать поворот на несколько десятков градусов относительно плоскости орбиты ИСЗ. Таким образом, низколетящий ИСЗ в результате сложения этих двух движений может пройти над любым заданным приэкваториальным районом нашей планеты лишь два раза в сутки. Следовательно, при самых благоприятных условиях один ИСЗ максимум два раза за сутки может провести обзор всей земной поверхности.

Метеорологам же необходимы глобальные карты погоды не реже 4 — 6 раз в сутки. И чтобы обеспечить такую частоту обзора подстилающей поверхности, необходимы несколько (2 — 3) метеорологических ИСЗ, плоскости орбит которых соответствующим образом были бы разнесены друг от друга.

Кроме того, преимущество системы ИСЗ перед отдельными спутниками заключается и в принципиальных возможностях бортовой спутниковой аппаратуры. Вспомним, что спутник, выведенный на круговую орбиту высотой 600 — 700 км, имеет период обращения примерно 97 — 98 мин. За это время Земля успевает повернуться вокруг своей оси на угол около 24°, что соответствует линейному смещению на экваторе около 2600 км, или 1500 км на широте Москвы. Если же высоту орбиты метеорологического ИСЗ увеличить до 1100 — 1200 км, то его период обращения возрастет до 108 — 109 мин. Вместе с этим до 27° возрастет и его межвитковое смещение, соответствующее почти 3000 км на экваторе, или около 1700 км на широте Москвы. Из этого факта вытекает весьма важный вывод, что ширина полосы обзора подстилающей поверхности земного шара бортовой научной аппаратурой в среднем должна соответствовать величине межвиткового смещения метеорологического ИСЗ на экваторе. В противном случае ИСЗ не сможет без пропусков оперативно «осматривать» всю поверхность нашей планеты.

В последние годы советскими и зарубежными учеными были разработаны более совершенные типы обзорных систем для метеорологических космических аппаратов. Так, например, за счет улучшения ряда технических характеристик и применения сканирующего способа фотографирования удалось увеличить ширину полосы обзора телевизионной системы до 2000 — 2500 и даже 4000 км при разрешении в надире от 0,8 до 1,5 км (для ИСЗ с высотой орбиты более 1000 км). Вполне естественно, что использование таких более совершенных систем позволит вполне обходиться меньшим количеством метеорологических ИСЗ.

Таким образом, для решения задач по сбору гидрометеорологической информации и повышению качества прогнозов погоды в распоряжении службы погоды должны находиться не отдельные метеорологические ИСЗ, а целые метеорологические космические системы.

В Советском Союзе метеорологическая космическая система «Метеор» начала функционировать весной 1967 г. В период создания в ее состав входили экспериментальные метеорологические ИСЗ «Космос-144 и -156», а также пункты приема, обработки и распространения метеорологической информации, службы контроля состояния бортовых систем ИСЗ и управления ими. Взаимное расположение орбит обоих ИСЗ было выбрано таким образом, чтобы система «Метеор» получила возможность осуществлять наблюдения за погодой одних и тех же районов Земли с интервалом в 6 ч. Однако при этом удавалось проводить фотографирование лишь половины поверхности нашей планеты.

С запуском спутника «Космос-184» система «Метеор» оказалась способной вести сбор метеорологической информации уже со всей территории земного шара.

В дальнейшем в систему «Метеор» поочередно вводились следующие спутники, так, чтобы в системе постоянно находились два-три исправных метеорологических ИСЗ.

Опыт работы с первыми ИСЗ «Метеор» позволил выявить сильные и слабые стороны метеорологической космической системы и наметить пути ее совершенствования. Благодаря проведенным доработкам и созданию усовершенствованных метеорологических спутников серии «Метеор» оперативность, качество и объем выдаваемой ею информации постоянно повышаются. Непрерывно возрастает продолжительность и надежность работы метеорологических ИСЗ на орбите. В частности, разработаны и испытаны более совершенные бортовые программные устройства, повышающие автономность и надежность функционирования отдельных бортовых систем и спутников в целом.

11 июля 1975 г. и 7 января 1977 г. в соответствии с программой дальнейшего развития метеорологической космической системы «Метеор» в Советском Союзе были произведены запуски метеорологических ИСЗ «Ме-теор-2». С выходом этих новых космических аппаратов на орбиту система «Метеор» вступила в свой новый этап.

На основе опыта разработки, запуска и эксплуатации экспериментальных ИСЗ «Тирос» в США в 1966 г. была создана метеорологическая космическая система «ТОСС»⁸. Начало ее существования было положено запуском спутников серии «ЕССА». Введение в строй этой системы, состоявшей не менее чем из двух ИСЗ, рассматривалось как первый этап на пути создания национальной метеорологической системы «НОМСС»⁹, предусматривавшей одновременное функционирование в ней не менее 5 — 6 метеорологических ИСЗ.

⁸ ТОСС — оперативная спутниковая система на базе ИСЗ типа «Тирос».

⁹ НОМСС — Национальная оперативная система американских метеорологических ИСЗ.

В 1970 г. метеорологическая космическая система США была модернизирована Спутники «ЕССА» были заменены более совершенными метеорологическими аппаратами типа «НОАА» («ИТОС»), и сама система получила наименование «НОАА».

С 1974 г. в состав американской национальной метеорологической системы вошли геостационарные ИСЗ типа «CMC». С появлением геостационарных спутников — а это имеет весьма важное принципиальное значение — американская метеорологическая космическая система начала строиться на базе использования разнотипных и разновысотных космических аппаратов, что уже само по себе резко повысило оперативность и эффективность системы в целом.

Кроме указанной системы «НОМСС», в США имеется еще и метеорологическая космическая система ВВС, в состав которой входят метеорологические ИСЗ «Блок-D» («Блок-5D»).

При разработке программы полета каждого метеорологического ИСЗ, а тем более при разработке заданий по созданию метеорологических космических систем наиболее пристальное внимание каждый раз уделяется выбору оптимальных орбит космических аппаратов. В процессе решения данного вопроса учитывается ряд факторов.

1. Орбиты метеорологических ИСЗ желательно выбирать круговыми — для получения равномасштабных телевизионных и инфракрасных снимков земной поверхности и простоты их фотомонтажа. Такие орбиты позволяют в большинстве случаев избежать необходимости вводить поправки на изменение высоты полета не только в результаты обзорного наблюдения, производимого ИСЗ, но и в весь комплекс космических метеорологических измерений.

2. При выборе угла наклонения орбиты наибольший интерес представляют квазиполярные (близкие к полярным) и экваториальные орбиты. Дело в том, что при запуске спутников на орбиты, близкие к полярным, установленная на них аппаратура получает возможность обозревать всю земную поверхность, тогда как при наклонениях до 50 — 60° (например, у первых «Тиросов» он составлял лишь 48,4°) приполярные области оказываются в метеорологическом отношении неосвещенными. Спутники же, выведенные на экваториальные орбиты, могут проводить съемку подстилающей поверхности лишь в низких и умеренных широтах, однако только на эти орбиты можно выводить геостационарные ИСЗ (например, «АТС», «CMC» и т. д.).

3. При запуске ИСЗ на орбиту его можно выводить в полет либо с восточной, либо с западной составляющей азимута. При построении орбиты полета с азимутом более 90°, т. е. с западным наклонением, удается создать так называемые солнечно-синхронные орбиты. Эти орбиты оказываются исключительно удобными при проведении ряда метеорологических измерений (так как наблюдения ведутся в одно и то же местное время), хотя вывод ИСЗ на такие орбиты не всегда осуществим, поскольку при этом предъявляются особые требования к местоположению полигонов запуска ИСЗ и к используемым ракетам-носителям.

Рис. 9. Схема приема, обработки и распространения спутниковой метеорологической информации: 1 — пункт управления системой; 2 — координационно-вычислительный центр; 3 — центр управления; 4 — аппаратура преобразования метеоинформации (5 — телевизионная, 6 — актинометрическая, 7 — инфракрасная информация); 8 — Гидрометцентр СССР; 9 — 17 — потребители метеоинформации (9 — авиация, 10 — полярные станции, 11 — флот, 12 — международный обмен, 13 — служба прогнозов погоды, 14 — население, 15 — сельское хозяйство, 16 — геологоразведка, 17 — лесное хозяйство)

4. Существенное значение для проведения различных метеорологических измерений имеет высота полета ИСЗ, так как от нее зависит не только ширина полосы обзора подстилающей поверхности, но и разрешающая способность бортовой аппаратуры. Несмотря на то что эти два требования противоположны друг другу, прогресс ракетно-космической техники в последние годы позволил с одновременным увеличением высоты полета космических объектов существенно расширить как полосу обзора местности, так и повысить разрешение изображений. Добиться этого оказалось возможным в первую очередь с помощью оптико-электронной сканирующей аппаратуры (например, аппаратуры ИСЗ «Метеор-2», «НОАА» и т. д.). Кроме того, от высоты полета ИСЗ зависит и частота обзора всей планеты. Как показывают теоретические расчеты и опыт работы с метеорологическими ИСЗ, для создания метеорологической космической системы, имеющей возможность осматривать всю поверхность земного шара с интервалом 3 ч, достаточно трех ИСЗ с высотой их орбит около 1400 км и более. Если же высота полета спутников будет снижена до 500 — 600 км, то общее количество ИСЗ в такой системе должно быть увеличено до 8.

5. Для создания метеорологических космических систем очень важно добиться исключительно точного разноса орбит ИСЗ по долготе относительно друг друга. Так, например, для системы, состоящей из трех ИСЗ, восходящие узлы их орбит (т. е. точки пересечения орбит с земным экватором при движении спутников из Южного полушария в Северное) необходимо разнести строго на 60° по долготе. В противном случае проекции их орбит на земную поверхность будут сходиться вместе или, наоборот, расходиться на значительные расстояния, в результате чего ИСЗ будут фотографировать одну и ту же местность или оставлять непросмотренными значительные приэкваториальные области. Такое нежелательное явление может возникнуть из-за неточности вывода ИСЗ на орбиту. Чтобы избежать этого, необходимо уже в полете проводить коррекцию орбит космических аппаратов. Для этой цели на борту метеорологических ИСЗ должны быть установлены специальные корректирующие двигательные установки.

Одним из наиболее перспективных типов корректирующего двигателя является ионно-плазменный двигатель, создающий тягу за счет высоких скоростей излучаемой двигателем плазмы. Впервые такой двигатель был установлен на ИСЗ «Метеор» (№ 10), запущенном 29 декабря 1971 г. В период с 14 по 22 февраля орбита этого ИСЗ была изменена по высоте на 16,5 км, в результате чего спутник ежесуточно стал совершать ровно 14 оборотов, давая возможность службе погоды получать метеорологическую информацию строго с одних и тех же районов земного шара в одно и то же суточное время.

Непосредственное управление советскими метеорологическими ИСЗ и метеорологическими космическими системами производится соответствующими центрами управления с помощью наземного аппаратурного комплекса, который включает в себя вычислительные центры, командно-программные станции, станции траекторных измерений, а также станции приема всего объема научной и служебной информации (рис. 9). Для сокращения сроков получения гидрометеорологической информации созданы также специализированные центры сбора, обработки и анализа метеорологических данных совместно с данными сети наземных гидрометеорологических наблюдений.

Практическое использование метеорологических ИСЗ

С самого первого дня своего выхода на околоземные орбиты метеорологические ИСЗ снискали добрую славу «охотников» за циклонами и тайфунами. Зарождаясь в просторах Мирового океана, эти опасные явления природы нередко обрушивают свою силу на густонаселенные районы земного шара, сея смерть и разрушения, затрудняя судоходство и полеты авиации.

Вопросы зарождения и эволюции тропических циклонов, а также пути их дальнейшего движения оказалось возможным выявить только с помощью космических наблюдений. Так, например, на основании анализа многолетней спутниковой информации сотрудникам Гидрометцентра СССР удалось установить ряд районов возникновения тропических циклонов в Индийском океане.

Систематические спутниковые наблюдения за облачным покровом позволили обнаружить многие важные особенности распределения облачных полей и развития атмосферных процессов. Было установлено, что циклонические образования (циклоны умеренных широт и тропические циклоны) обладают исключительно высокой степенью организации облачного покрова, имеющего, как правило, вид облачной спирали, закрученной вокруг центра циркуляции. При этом у циклонов умеренных широт (в зависимости от стадии их развития) отдельные спиральные полосы могут отходить от центра вихревой структуры на расстояния до 1000 км. Телевизионные и инфракрасные снимки облачности позволили объективно доказать, что фронтальным разделам (переходным зонам между холодными и теплыми воздушными массами) также соответствуют системы облаков, располагающиеся четкими грядами и полосами, и весьма детально изучить закономерности их формирования и эволюции. Было также выявлено, что облачные системы в виде ячеек имеются и у большинства антициклонов — областей повышенного давления.

На спутниковых фотографиях были обнаружены кроме того небольшие облачные вихри, наблюдающиеся в холодных массах воздуха тыловых частей почти у всех циклонов. Они получили название вторичных вихрей. Двигаясь быстрее фронтальных разделов, вторичные вихри нередко возбуждают волнообразование на фронтах, способствуя развитию новых циклонов.

Существенную помощь спутниковые наблюдения оказывают в выявлении и других опасных гидрометеорологических явлений. Так например, благодаря информации метеорологических ИСЗ удается получать сведения о весеннем вскрытии рек и озер, следить за паводками, селями, наводнениями, ледовой обстановкой на морях и океанах, границей снежного покрова, эволюцией ледников и т. д.

Многие отрасли народного хозяйства испытывают самую насущную потребность в получении разнообразной гидрометеорологической информации. Наиболее очевидна польза спутниковых данных для обеспечения безопасности полетов авиации и судовождения. Большая пространственная и временная протяженность маршрутов, пролегающих зачастую в районах с редкой сетью метеорологических станций, делает спутниковую информацию практически единственным источником сведений о погоде в интересующих регионах. Оповещение о гидрометеорологической обстановке по маршруту, выдача рекомендаций о наиболее благоприятных курсах следования, прогноз погоды по всему маршруту — вот далеко не полный перечень функций синоптиков, вооруженных спутниковыми данными по обеспечению экипажей самолетов и судов.

Так, например, в СССР только в 1970 г. по рекомендованным метеорологами курсам было выполнено более 6000 морских рейсов, что дало в среднем около 5% сокращения продолжительности плавания и позволило сэкономить несколько миллионов рублей.

Анализ ледовой обстановки, проведенный по спутниковым фотографиям, позволил в 1967 г. на два месяца раньше срока открыть навигацию по Северному морскому пути. Значение этого факта для экономики нашей страны трудно переоценить.

Используется спутниковая информация для получения данных о состоянии ледников, рек и озер, а также для обеспечения прогнозами погоды таких важных отраслей деятельности человека, как сельское хозяйство, гидромелиорация и гидроэнергетика.

Существенную помощь спутникам в деле изучения земной атмосферы оказывают и ракеты. Посредством ракетного зондирования удалось выявить целый ряд особенностей строения верхних слоев атмосферы и проследить их изменения во времени и пространстве. Так, например, было обнаружено, что на высотах 60 — 65 км скорость ветра может достигать 350 — 400 км/ч. Были определены суточная, годовая и широтная зависимости основных параметров атмосферы от высоты. Было измерено вертикальное распределение концентрации различных газов и выявлено, что максимум концентрации озона располагается обычно на высоте 27 — 28 км.

Данные ракетного зондирования позволили в итоге составить глобальную картину высотных воздушных потоков, а также распределения температуры и давления воздуха. Анализ полученного с помощью ракет материала показал, что между Северным и Южным полушариями существует весьма интенсивный воздухообмен и что никакой «твердой стенки», как считалось ранее, на экваторе не существует. Кроме того, было выяснено, что в зимние месяцы в арктической стратосфере наблюдаются весьма мощные повышения температуры и что подобные потепления — обычное явление в высоких широтах в зимнее время.

Таким образом, и ИСЗ, и ракеты, дополняя друг друга, помогают метеорологам все полнее раскрывать тайны земной атмосферы.

Перспективы космической метеорологии

Каждый новый метеорологический ИСЗ, запущенный на околоземную орбиту, и каждый новый тип ИСЗ, поступивший в распоряжение метеорологов, используется не только для получения разнообразной метеорологической информации, но и для проверки и испытания более совершенной бортовой аппаратуры и новых методов метеорологических наблюдений.

Например, широкий комплекс работ по существенному усовершенствованию бортовых научных систем ИСЗ «Метеор» позволил в недалеком прошлом без какого-либо ущерба качеству спутниковой метеорологической информации поднять высоты орбит спутников с 650 до 900 км, что, в свою очередь, дало возможность увеличить не только полосу обзора подстилающей поверхности всем научным комплексам ИСЗ, но и продлить активное существование ИСЗ на орбите.

В настоящее время уже разработана и проходит всестороннюю проверку аппаратура, позволяющая получать с ИСЗ распределения температуры и влажности в атмосфере, выявлять зоны осадков и осуществлять наблюдения за состоянием поверхности моря и т. д.

К концу 70-х годов планируется создать метеорологическую космическую систему, в которую войдут пять-шесть геостационарных и около десяти низколетящих ИСЗ разных стран. Работы по реализации этой международной программы ведут специалисты СССР, США, Японии и ряда западноевропейских государств. Несколько ИСЗ по этой программе уже запущено.

В последние годы наметилась тенденция комплексно использовать метеорологические ИСЗ. Уже в настоящее время с их помощью ведутся наблюдения не только в интересах метеорологии, но и океанологии, гидрологии, геологии, сельского хозяйства, гидроэнергетики, а также в интересах исследования природных ресурсов и охраны окружающей среды. В дальнейшем список потребителей этой информации будет возрастать. Да и непосредственно для самой метеорологии объем решаемых задач с помощью ИСЗ непрерывно растет.

Несколько слов о возможности использования пилотируемых космических кораблей для нужд метеорологии.

Опыт космических полетов в СССР и США показал, что человек, находясь на борту космического корабля, может оказать неоценимую помощь службе погоды в вопросах наблюдения за атмосферными процессами и дальнейшего изучения их. Подобно метеорологу-наблюдателю на самолете (вертолете), космонавт с борта своего корабля имеет возможность не только своевременно заметить, но и всесторонне оценить то или иное явление природы, что не всегда под силу аппаратуре метеорологического ИСЗ. Кроме того, космонавт может из общего потока научной информации, выделить и в первую очередь передать на Землю те сведения, которые необходимы для оперативного метеорологического обеспечения потребителей (например, информацию о ледовой обстановке).

Конечно, человек не сможет заменить собой все бортовые автоматические устройства спутника, да это и не будет входить в круг его обязанностей. Оптимальное сочетание функций, выполняемых бортовой аппаратурой и космонавтом (с учетом возможностей ремонта и подстройки аппаратуры космонавтом), еще более расширит возможности применения ИСЗ для нужд метеорологии.

Литература

Агалаков В. С, Сире А. Ш. Космические аппараты исследуют природные ресурсы. М., «Знание», 1976.

Бескин В. В. и другие. Актинометрическая аппаратура советских метеорологических спутников Земли. — Тр.ГГО, вып. № 221. М., Гидрометеоиздат, 1968.

Ветлов И. П. и другие. Инфракрасная аппаратура спутников системы «Метеор». — «Метеорология и гидрология», 1970, № 4.

Герман М. А. Спутниковая метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 1975.

Инженерный справочник по космической технике. М., Воениздат, 1977.

Кондратьев К. Я. Новые зарубежные метеорологические спутники. Л., Гидрометеоиздат, 1975.

Космонавтика: состояние и перспективы. М., «Знание», 1974.

Минина Л. С. Искусственные спутники Земли на службе метеорологов. М., «Знание», 1970.

Сонин Е. К. Радиоэлектронное оборудование космических аппаратов. М., «Энергия», 1972.

Тесленко В. П. и другие. Космос и погода. Л., Гидрометеоиздат, 1974.

Штерн М. И. Космос — земле. М., «Наука», 1976.

Владимир Сергеевич Агалаков, Анатолий Шлемович Сире

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ИСЗ

Гл. отраслевой редактор В. П. Демьянов Редактор Е. Ю. Ермаков Мл. редактор Т. И. Полякова Обложка И. И. Зоткина Худож. редактор М. А. Гусева Техн. редактор Т. Ф. Айдарханова Корректор В. В. Каночкина

Т-16077. Индекс заказа 74211. Сдано в набор 9/IX-77 г. Подписано к печати 15/Х-77 г. Формат бумаги 84 х 1087м. Бумага типографская № 3. Бум. л. 1,0. Печ. л. 2,0. Усл. печ. л. 3,36. Уч.-изд. л. 3,22. Тираж 30 280 экз. Издательство «Знание». 101835, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Заказ 1562. Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4. Цена 11 коп.