«Яогань-41»: Китай продолжает удивлять

15 декабря 2020 г. в 21:41:57 по пекинскому времени (13:41:57 UTC) со стартового комплекса №101 площадки Вэньчан Центра космических запусков Сичан был произведен пуск РН «Чанчжэн-5» (CZ-5 №Y6) с геостационарным спутником дистанционного зондирования Земли «Яогань-41» (遥感四十一号卫星, Yaogan 41, YG-41). Аппарат был успешно выведен на геопереходную орбиту с параметрами:

• наклонение — 19.50°;
• минимальная высота — 176 км;
• максимальная высота — 35812 км;
• период обращения — 631.1 мин.

В каталоге Космического командования США спутник получил номер 58582 и международное обозначение 2023-197A.

Это был 568-й китайский космический старт, в том числе 502-й для ракет семейства «Великий поход», 25-й для Вэньчана и шестой для CZ-5. Напомним, что самый тяжелый китайский носитель совершил свой первый полет 3 ноября 2016 г., потерпел аварию при втором старте 2 июля 2017 г., успешно запустил геостационарный аппарат «Шицзянь-20» 27 декабря 2019 г., а в 2020 году использовался еще дважды, 23 июля и 23 ноября, для запуска межпланетных аппаратов – марсианского комплекса «Тяньвэнь-1» и комплекса доставки лунного грунта «Чанъэ-5».

CZ-5 имеет стартовую массу 874 т при стартовой тяге 1068 тс и обеспечивает выведение полезного груза массой до 14 тонн на геопереходную орбиту. Центральный блок ракеты диаметром 5 м использует два кислородно-водородных двигателя YF-77, а каждый из четырех стартовых ускорителей диаметром 3.35 м – два кислородно-керосиновых двигателя YF-100. Вторая ступень с двумя ЖРД YF-75D обеспечивает довыведение на опорную орбиту и формирование целевой орбиты или отлетной траектории.

Вариант этой ракеты без второй ступени называется CZ-5B и выпускается в интересах пилотируемой программы, обладая грузоподъемностью до 25 т на низкую околоземную орбиту. После испытательного пуска 5 мая 2020 г. полутораступенчатая версия использовалась 29 апреля 2021 г. для запуска Базового блока китайской космической станции «Тяньгун» и в 2022 году для доставки на орбиту двух целевых модулей этой станции. За это время CZ-5 прошла доработку с целью повышения надежности, упрощения и ускорения испытаний и предстартовой подготовки – в ближайшие годы частота полетов «пятерки» существенно увеличится.

Ракета CZ-5 с бортовым номером Y6, доставленная на полигон еще в октябре 2022 г., но  стартовавшая лишь через год, впервые использовала головной обтекатель диаметром 5.2 м и высотой 18.5 м. Возможно, он был заимствован с доработками как раз с полутораступенчатого варианта CZ-5B, и понятно, что его использование было задано габаритами полезного груза, не умещающегося под стандартный обтекатель CZ-5 диаметром 5.2 м и высотой 12.267 м. Как следствие, запущенная ракета имела рекордную высоту 62.8 м против 60.7 м у более легкой CZ-7A.

О предстоящем старте стало известно 28 ноября 2023 г. из опубликованных Филиппинами предупреждений о закрытии типичных для CZ-5 районов падения по трассе выведения на геопереходную орбиту. Утром 9 декабря ракету CZ-5 вывезли на старт, и хотя официального сообщения об этом не было, фотографии с вывоза появились в тот же день. 11 декабря Китай подтвердил план пуска, закрыв на 15 декабря с 13:32 до 14:26 UTC пристартовый район радиусом 10 км. Старт состоялся в пределах заявленного «окна».

Название «Яогань-41» появилось 10 декабря в форме слуха, но оказалось реальным. В сообщении о запуске официальное агентство Синьхуа открытым текстом объявило «Яогань-41» высокоорбитальным спутником оптического наблюдения и воспроизвело стандартную легенду о его назначении: аппарат «будет использоваться для обследования поверхности Земли, оценки урожайности, управления окружающей средой, метеорологического предупреждения и прогнозирования, а также комплексного предотвращения и снижения угрозы стихийных бедствий» и может быть применен «для информационного обслуживания строительства национальной экономики».

Издание «Чжунго хантянь бао» Китайской корпорации космической науки и техники CASC сообщило, что «Яогань-41» спроектирован и изготовлен входящей в ее состав Китайской исследовательской академией космической техники CAST («5-я академия») в Пекине. На этом официальная информация о КА пока исчерпывается.

Можно отметить, однако, что это уже пятый китайский КА наблюдения Земли с геостационарной орбиты (см. таблицу); китайцев не смущает тот факт, что подобные системы не использует кроме них почти никто. Все перечисленные КА являются разработками CAST.

Китайские КА ДЗЗ на ГСО

Дата запуска	Наименование	Носитель	Тип	Разрешение	Точка стояния
28.12.2015	Гаофэнь-4	CZ-3B	оптический	50 м	105.7°в.д.
11.10.2020	Гаофэнь-13 №01	CZ-3B	оптический	15-20 м	117.9°в.д.
17.03.2023	Гаофэнь-13 №02	CZ-3B	оптический	15-20 м	146.7°в.д.
12.08.2023	Луди таньцэ 4 №01	CZ-3B	радиолокационный	20 м	89.6°в.д.
15.12.2023	Яогань-41	CZ-5	оптический

Для гражданского КА «Гаофэнь-4» был заявлен основной режим кадровой съемки с перенацеливанием в пределах территории 7000×7000 км², причем площадь кадра составляет 400×400 км², а пространственное разрешение – лучше 50 м в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне и лучше 400 м в средневолновом ИК-диапазоне. Низкое разрешение отчасти компенсируется возможностью непрерывного наблюдения – разумеется, при отсутствии облачности в заданном районе.

Для спутников «Гаофэнь-13» неофициально называлось пространственное разрешение на уровне 15–20 метров. Подробное описание их не публиковалось, что в сочетании с номером 13 указывает на военного заказчика (гражданскими являются КА «Гаофэнь» с номерами от 1 до 7).

«Луди таньцэ-4» является единственным в своем роде спутником радиолокационного наблюдения с геостационарной орбиты.

Что касается «Яоганя-41», то его главным отличием от предшественников является размер. Возможности ракеты CZ-3B при выведении на стандартную ГПО ограничены массой 5500 кг, в то время как CZ-5 способна вытянуть 14000 кг – и выбор именно стандартной, а не оптимизированной ГПО говорит о близости массы КА к этому пределу. Стоит напомнить, что до сих пор рекорд среди геостационаров оставался за американским КА Jupiter 3 (Echostar 24), запущенным 28 июля 2023 г. ракетой Falcon Heavy – около 9200 кг на ГПО. Понятно, что китайский аппарат израсходует на довыведение порядка 40% своей массы, но и после этого окажется настоящим «слоном» на геостационарной орбите.

Зачем же разработчикам КА потребовались габариты, соответствующие 18-метровому обтекателю, с соответствующей массой? Ответ представляется логичным: их определяет оптическая система с уникальными характеристиками, обеспечивающая намного лучшее разрешение при наблюдении с расстояния 36000–38000 км, чем у предшественников.

Вспомним, что в августе 2018 года Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики CIOMP отчитался об изготовлении заготовки асферического зеркала из карбида кремния диаметром 4.03 м. Соответствующая научно-исследовательская работа была начата в 2003 году, спустя шесть лет было получено госфинансирование опытно-конструкторских работ в размере 196 млн юаней, а еще девятью годами позже предъявлен результат: от освоенного диаметра 1.5 м Китай шагнул сразу к четырехметровой отметке.

Стоит подчеркнуть, что руководитель проекта Чжан Сюэцзюнь (张学军; в настоящее время директор CIOMP) назвал в 2018 г. новое зеркало «необходимым компонентом для создания большого телескопа для наблюдения Земли с высоким разрешением, для изучения дальнего космоса и для систем астрономических наблюдений», поставив съемку Земли на первое место по приоритету. В публикациях 2022 года говорилось уже лишь об «астрономических наблюдениях и других областях использования».

Из этих публикаций следует, в частности, что из первой четырехметровой заготовки сделали полноценное зеркало, которое в 2019 г. было сдано заказчику. Разработчики сообщили, что удельная масса зеркала была менее 120 кг/м² (что с учетом его площади соответствует примерно 1500 кг полной массы), среднее отклонение от заданной формы составило лишь 15.2 нм, а качество поверхности оказалось на уровне 0.8 нм. Отражающая способность зеркала превысила 95%.

Трудно удержаться от предположения, что именно оно и стало главным зеркалом оптической системы КА «Яогань-41».

Стандартная формула Рэлея для предельного углового разрешения дает для диаметра 4 м и длины волны 500 нм величину 0.15×10^-6, что соответствует пространственному разрешению 5.5–5.8 м при наблюдении с указанных ранее высот; в фиолетовой части спектра и в ближнем ультрафиолете оно было бы еще лучше. Согласование теоретического предела с реальными параметрами оптической системы достигается, например, при фокусном расстоянии 52 м и приемнике изображения с элементами размером 8 мкм, что, по-видимому, вполне достижимо в заданных габаритах КА путем складывания оптической оси. Будет интересно сравнить эту реконструкцию с реальными параметрами оптической системы «Яоганя-41» – ведь рано или поздно они будут опубликованы.

Заметим, что амбиции Китая идут дальше нашего расчета. Главный конструктор «Гаофэня-4» Ли Го (李果) называл в качестве третьего этапа (после GF-4 и GF-13) создание системы с разрешением 3-5 м при диаметре главного зеркала 3-4 м, а на четвертом этапе прогнозировал достижение уровня 1-2 м с использованием новых технологий.

Известно также, что в 2016 г. в рамках специального проекта по наблюдению Земли и навигации Министерством науки и техники КНР была задана проработка средств съемки с геостационара с кадром 100×100 км², с пространственным разрешением не хуже 2.5 м в панхроматическом и 5.0 м в мультиспектральном диапазоне. Если не говорить о новых способах перехитрить природу, не вполне понятно, как предполагается обеспечить такие параметры – в восьмиметровое главное зеркало как-то не верится…

Автор: Liss