Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Оценка развития потенциально опасных и катастрофических явлений
по результатам космических наблюдений»
(Шифр «Сценарий»)
1.Сущность исследуемой проблемы
Изучению природных и техногенных катастроф всегда уделялось пристальное внимание. Большое количество работ и исследований посвящено проблемам возникновения катастрофических явлений (землетрясения, цунами и т. п.), оценке нанесенного ими ущерба и т. д. Среди множества задач, связанных с изучением катастроф, актуальной является задача оценки развития потенциально опасных и катастрофических явлений (схода ледников, пожаров, наводнений и т. п.). Даже приближенная оценка развития катастрофического явления может помочь снизить возможный ущерб, поскольку получив информацию о скорости распространения пожаров, о возможном времени схода ледника, развитии наводнения и т. п. можно предпринять действия, направленные на снижение ущерба. Поэтому информация о возможном развитии катастрофических и потенциально опасных явлений является чрезвычайно важной для структур МЧС, административных органов и т. д.
Особое значение имеет решение данной задачи для оперативного планирования наблюдений с борта КА или орбитальной станции. Получив оценку развития потенциально опасного и катастрофического явления, можно обоснованно планировать повторные наблюдения изучаемых явлений.
Несмотря на большую важность рассматриваемой задачи, ее корректное решение еще не найдено и изучение катастрофических и экологически опасных явлений по-прежнему является весьма актуальной задачей.
2.Краткая история и состояние вопроса в настоящее время
Изучение Земли является важнейшим научным и прикладным направлением современности. Большое количество задач по исследованию поверхности Земли, ее атмосферы, изучению околоземного космического пространства, магнитного и гравитационного поля Земли и др. решаются с помощью спутников. В последние десятилетия при решении указанных задач зарубежными учеными были получены выдающиеся результаты.
Приоритетным направлением отечественной космонавтики было освоение околоземного космического пространства с помощью пилотируемых долговременных орбитальных станций серии «Салют» и «Мир» [1].
Несмотря на признанные успехи применения спутников, следует отметить, что выполнение исследований на многоцелевых орбитальных станциях дает возможность существенно расширить программу экспериментов за счет рационального использования установленной на станции аппаратуры.
Задачам изучения Земли всегда уделялось большое внимание в программах исследований на отечественных орбитальных станциях. Для изучения катастрофических явлений, возникающих на земной поверхности, в программу научно-прикладных исследований на Российском сегменте МКС с самого начала полета станции был введен космический эксперимент «Ураган» [2].
Целью КЭ «Ураган» является отработка аппаратуры и методов по исследованию Земли, изучению катастрофических явлений на земной поверхности и в атмосфере. К началу полета МКС была составлена программа исследований, подготовлены предложения по составу аппаратуры. Выполнение ряда программ исследований на МКС встретило определенные трудности, описанные в [1]. Отметим здесь только проблему, связанную с ориентацией этой станции. Ориентация отечественных орбитальных станций «Салют» и «Мир» поддерживалась обычно таким образом, чтобы строительные оси станции ориентировались по осям орбитальной системы координат. Исследовательская аппаратура для изучения Земли была направлена при этом в подспутниковую точку, а научная аппаратура для астрономических экспериментов направлялась в зенит. Тем самым в полете обеспечивалось сканирование небесной сферы и поверхности Земли жестко установленной на станции аппаратурой. При необходимости наведения исследовательской аппаратуры на изучаемые объекты строилась инерциальная ориентация станции и выполнялись ее необходимые развороты [3]. Для МКС такая схема выполнения экспериментов невозможна вследствие малого значения располагаемого кинетического момента гиродинов американского сегмента, используемых для ориентации станции. В полете МКС с осями орбитальной системы координат совмещаются не строительные, а главные оси инерции станции, положение которых определяется текущей конфигурацией станции. Благодаря этому не создается гравитационный возмущающий момент. Тем не менее, за счет действия аэродинамического момента и других факторов, постоянно требуется разгрузка гиродинов, которая обеспечивается созданием гравитационного момента разгрузки гиродинов путем разворотов станции [4]. Таким образом, для МКС можно говорить лишь о некоторой «квазиорбитальной» ориентации. Наведение на исследуемые объекты на МКС с помощью гиродинов американского сегмента также невозможно.
Наличие описанной и других проблем на МКС [1] привело к необходимости использования в рамках КЭ «Ураган» ручной аппаратуры для изучения Земли (рис. Б1).
В настоящее время для съемки на борту российского сегмента МКС используются цифровые фотоаппараты Nikon D4, Nikon D800 с длиннофокусными объективами, способными фиксировать цветные изображения объектов в видимом диапазоне с разрешением до 2-3 м и ручная спектральная аппаратура.
Рис. 1. Съемка земной поверхности экипажами с борта РС МКС
По сравнению со съемкой спутниками дистанционного зондирования Земли съемка земной поверхности с борта российского сегмента МКС имеет ряд особенностей. Анализируя особенности съемки земной поверхности с борта МКС, следует отметить [5-7]:
- возможности оперативного интеллектуального реагирования на события; съемку одного и того же объекта 1-3 раза в сутки; оперативно реализуемые возможности надирной и перспективной съемки и др.
Кроме того, поскольку орбита МКС имеет меньшую высоту по сравнению с солнечно-синхронными орбитами спутников ДЗЗ, это увеличивает разрешение снимков, получаемых на МКС аппаратурой, эквивалентной аппаратуре, устанавливаемой на спутниках.
Рис. 2. Интерьер РС МКС. Виден бортовой лэптоп с работающей программой отображения полетной обстановки системы «Сигма»
Для планирования съемок земной поверхности экипажами РС МКС и персоналом ГОГУ в РКК «Энергия» была разработана система «Сигма» (рис. 2), позволяющая моделировать условия съемки, выбирать объекты для съемки, прогнозировать облачность в районах съемки и решать другие задачи. Это позволяет экипажу самостоятельно планировать и выполнять съемку даже в личное время и выходные дни.
3.Описание КЭ и используемой аппаратуры
В КЭ «Сценарий» планируется использовать НА КЭ «Ураган».
Объектами исследования являются потенциально опасные и катастрофические явления на Земле, водной поверхности и в атмосфере:
- наводнения, пожары, загрязнения атмосферы, поверхности Земли и мирового океана и т. д. и методы оценки их развития.
Перечень задач КЭ «Сценарий»:
- отработка методов оценки развития катастрофических явлений на земной и водной поверхности;
- отработка методов определения скорости схода ледников по результатам космических наблюдений;
- отработка методов оценки развития наводнений;
- отработка методов оценки распространения загрязнений на водной поверхности (нефти и т. п.);
- отработка методов оценки развития катастрофических явлений в атмосфере и т. д.;
- отработка методов оценки возникновения катастрофических событий с помощью определения перемещений животных и птиц;
- разработка предложений по использованию отработанных методов в практических целях.
В рамках решения перечисленных задач планируется разработать методы и модели оценки развития потенциально опасных и катастрофических явлений: схода ледников, распространение загрязнений на водной поверхности, в атмосфере и т. д.
В конце 2014 г. на РС МКС доставлена видеоспектральная система ВСС. Пространственное разрешение ВСС 50м позволит решать с этим прибором новые задачи по сравнению с используемым в настоящее время прибором ФСС. ВСС работает в спектральном диапазоне 0.35 – 1.1. мкм [8-12]. Для отработки методов выполнения космонавтами съемки земной поверхности в спектральном диапазоне 0.43 – 0.9 мкм планируется изготовить и доставить на борт РС МКС научную аппаратуру «Гиперспектрометр». Данная аппаратура будет изготовлена отечественными производителями МФТИ и . Обработка результатов съемки аппаратурой «Гиперспектрометр» будет осуществляться на борту с участием космонавта. Это позволит повысить оперативность анализа полученных данных, повысит качество планирования наблюдений и сократит потоки оперативно передаваемых данных на Землю.
Для регистрации объектов на поверхности Земли в ИК-диапазоне ~ 3 – 10 мкм планируется использовать аппаратуру «Радиометр инфракрасный высокого разрешения» (РИВР), устанавливаемую на РС МКС. Аппаратура РИВР предназначена для автоматического проведения дистанционных измерений излучений наблюдаемых объектов в среднем и дальнем ИК-диапазонах длин волн. Пространственное разрешение аппаратуры РИВР 30 м. Это позволит, например, обнаруживать источники возгарания размером ~ 3 м.
Основная проблема использования ручной аппаратуры экипажем МКС была связана с планированием наблюдений в период сна экипажа или выполнения им важных служебных операций. Для решения этой проблемы разрабатывается аппаратура «Система ориентации видеоспектральной аппаратуры» (СОВА), предназначенная для автоматизации процесса выполнения измерений. Аппаратура СОВА крепится на иллюминатор РС МКС и позволяет наводить устанавливаемую на ней научную аппаратуру на исследуемые объекты, координаты которых и временная программа наблюдений вводятся в аппаратуру СОВА [13].
Исследование экологических проблем и катастрофических явлений на земной поверхности возможно также с помощью изучения путей миграции птиц и животных с использованием научной аппаратуры «ИКАРУС». С этой целью на животных и птиц устанавливаются миниатюрные датчики весом ~ 5 г. Каждый датчик включает приемник GPS, солнечную батарею, аккумулятор, передатчик сигнала на РС МКС, датчик температуры. На РС МКС устанавливается аппаратура и две антенны, передающая для включения миниатюрного датчика, и приемная, для приема сигнала от датчика с его координатами. По изменению путей миграции животных и птиц выявляются экологические проблемы на земной поверхности, а также климатические изменения [14,15]. Животные и птицы могут быть переносчиками болезней из зараженных районов. Перелеты птиц вблизи аэропортов могут стать причиной катастрофических столкновений с самолетами. Прогнозированию таких опасностей могут помочь методы, разрабатываемые с использованием аппаратуры «ИКАРУС».
Внезапные перемещения животных и птиц нередко связаны с готовящимися катастрофами: землетрясениями, извержением вулканов и т. п. [15]. Изучение возможностей использования реакции животных и птиц на готовящиеся катастрофы также исследуется на РС МКС с использованием аппаратуры «ИКАРУС».
Таким образом, введение в состав РС МКС новой НА позволит отработать методы наблюдения изучаемых объектов и явлений, методы обработки получаемых данных.
Выполнение КЭ «Сценарий» внесет вклад в решение сложной проблемы изучения катастрофических и потенциально опасных явлений в части оценки их развития [16-28].
4.Ожидаемые результаты КЭ
В ходе эксперимента планируется [29,30]:
- отработать методы развития катастрофических и потенциально опасных явлений на земной и водной поверхности;
- отработать методы определения скорости и момента схода ледников по результатам космических наблюдений;
- отработать методы оценки развития наводнений;
- отработать методы оценки распространения загрязнений на водной поверхности (нефти и т. п.);
- отработать методы оценки развития катастрофических явлений в атмосфере и т. д.;
- отработать методы оценки возникновения катастрофических событий с помощью определения перемещений животных и птиц;
- разработать предложения по использованию отработанных методов в практических целях.
Разработанные методы и модели будут использоваться для оперативного планирования повторных наблюдений изучаемых объектов с РС МКС, а также для выдачи данных в структуры МЧС, административные органы и т. д.
В части обеспечение проводимых и планируемых КЭ предполагается выполнить систематизацию катастрофических явлений, наблюдаемых с МКС, а также выполнить цикл работ по математическому моделированию катастрофических явлений, наблюдаемых с борта МКС.
Литература
, Научная и экономическая отдача программ орбитальных станций – основа стабильного развития отечественной космонавтики. Сборник под ред. , «Проблемы и задачи повышения эффективности программ исследований на космических кораблях и орбитальных станциях»// РКТ. Сер. XII. Вып. 1-2. Королев, 2011, с. 5-15. , , Изучение с борта Российского сегмента Международной космической станции в рамках программы «Ураган» катастрофических явлений, вызывающих экологические проблемы // Космонавтика и ракетостроение. 2015, № 1. С. 71 – 79. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М., «Машиностроение», 1984г., 264 с. , , Математическое и научно-техническое обеспечение экспериментов по программе изучения катастрофических явлений «Ураган» с борта МКС и анализ полученных результатов. Труды 40х Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники», Калуга, 13-15 сентября 2005г. Казань, изд-во КГУ, 2006г. с. 24-30. , , Мониторинг земной поверхности с Российского сегмента МКС. Труды 47 Циолковского, секция «Проблемы ракетной и космической техники», Казань, 2013, с.45-66. , , Изучение Земли с борта Российского сегмента Международной космической станции. Доклад на пленарном заседании 13ой Украинской конференции по космическим исследованиям. г. Евпатория, 2013. Belyaev M. Yu., Dessinov L. V., Karavaev D. Yu. Specifics of conducting and using imagery of the earth`s surface performed by the Russian ISS crew. IAC-13-B3.5.7. , , , , , , Видеоспектральная система ВСС для космического эксперимента «Ураган» на МКС. Одиннадцатая Всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Сборник тезисов докладов конференции. Москва, ИКИ РАН, 11-15 ноября 2013. , , Результаты испытаний фотоспектральной системы на МКС // Исследование Земли из космоса. 2014, № 6. С. 27 – 39. , , Обработка спектров и изображений с фотоспектральной системы в космическом эксперименте «Ураган» на МКС // Исследование Земли из космоса. 2014, № 6. С. 54 – 65. , , Летная отработка исследовательской аппаратуры «Фотоспектральная система» на борту российского сегмента МКС //Космическая техника и технологии. 2014. № 1. С. 22–28. , , Спектральные распределения яркости излучения при спектрометрировании Земли из космоса // Журнал прикладной спектроскопии. Минск, 2012. Т. 79. № 4. С. 669–675. , , Аппаратура и программно-математическое обеспечение для изучения земной поверхности с борта Российского сегмента Международной космической станции по программе «Ураган» // Космонавтика и ракетостроение. 2015, № 1. С. 63 – 70. , , Использование информации о перемещении животных и птиц в программе «Ураган» на российском сегменте Международной космической станции. Материалы 48 Научных Циолковского, Калуга, 2013. Использование информации о перемещении животных для изучения катастрофических явлений и экологических проблем с РС МКС. Труды 48 Циолковского, Секция «Проблемы ракетной и космической техники», Казань, 2014г. , , Использование съемки земной поверхности с МКС в интересах топливно-энергетического комплекса. Журнал Известия РАН «Энергетика» №4, 2013, с.75-90. , Программа дистанционного зондирования земной поверхности «Ураган» и использование ее данных для мониторинга гидрологических ситуаций. Всероссийская научная конференция «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз». 07-12 октября 2013 г. Туапсе, 2013 г. с. 59-64. Когда грозит наводнение. Анапское Черноморье, № 000 (13296), 3 октября 2013г. , , Затяжной прыжок водяного барса. «Энергия: экономика, техника, экология». , , Мониторинг земной поверхности и катастроф с российского сегмента Международной космической станции. В сб. Информатизация географических исследований и пространственное моделирование природных и социально – экономических систем, РАН, Научный совет по фундаментальным географическим проблемам, М., 2013, с. 82 – 98. , Программа дистанционного зондирования земной поверхности «Ураган» и использование ее данных для мониторинга гидрологических ситуаций. Всероссийская научная конференция «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз». 07 – 12 октября 2013 г. Туапсе, 2013 г. Мониторинг опасных экзогенных процессов по данным съемки с МКС. Реалии и перспективы. XVII сессия Объединенного научного совета по фундаментальным географическим проблемам при МААН и Научного совета по фундаментальным географическим проблемам РАН «Роль географии в изучении и предупреждении природно-антропогенных стихийных явлений на территории СНГ», г. Алматы, Казахстан, 9 – 14 сентября 2013 г. , , , Географо-гидрологический подход к оценке рисков наводнений в населенных пунктах в горных и предгорных районах Кавказа. VII Всероссийский гидрологический съезд. Санкт-Петербург, 19-21 ноября 2013 г. , Динамика моренного покрова на ледниках Памира по данным дистанционного зондирования. Одиннадцатая всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», г. Москва, ноябрь 2013. Возможности съемки гор с борта МКС. Международная конференция «Современные проблемы географии», г. Тбилиси, ноябрь 2013. , , Секерж- Идентификация системы океанских волн по космическим снимкам // Известия РАН. Теория и системы управления. 2009. №1. С. 116-126. , , Секерж- Идентификация источника океанических кольцевых волн вблизи острова Дарвин по фотоснимкам с Международной космической станции // РКТ. Труды. Серия XII. Вып. 1-2. Королев, 2011. С. 218-232. Информационная система поддержки проведения космического эксперимента по дистанционному зондированию Земли (на примере эксперимента по мониторингу катастрофических явлений с борта Российского сегмента Международной космической станции). Премия администрации г. Королёв. , Анализ развития катастрофического наводнения в г. Крымске на основе данных дистанционного зондирования бассейна реки Адагум. Всероссийская научная конференция «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз». 07 – 12 октября 2013 г. Туапсе, 2013 г. с.127-136. , , Способ определения скорости движения фронтальной части ледника с космического аппарата // № заявки 2014120766 от 01.01.2001г. , , Способ определения координат фотографируемых с космического аппарата земных объектов // № заявки 2014135024 от 01.01.2001г.
