Все это происходит по самым разным направлениям, казалось бы, не имеющим никакого отношения к обыденности. Но это и есть наука.
Одна из крупнейших ведущих отечественных научных организаций «Национальный центр космических исследований и технологий» недавно подвела итоги своей работы по государственной трехлетней программе научных исследований.
Какими оказались результаты работы за этот непростой период, включивший в себя в том числе жесткий «карантинный» год, мы попросили рассказать Марата Нургужина, председателя правления АО «НЦКИТ», профессора, доктора технических наук.
ПРИОРИТЕТ — СОБСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
— Главной задачей формирования ядра космической деятельности в Казахстане является разработка собственных технологий, необходимых для эффективного функционирования созданных космических систем и наземной инфраструктуры, развитие космических исследований в области дальнего и ближнего космоса, Земли из космоса. Без научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности создание собственных технологий невозможно в принципе.
Объектами исследований научных коллективов «Национального центра космических исследований и технологий» являются природно-техногенные процессы земной поверхности и литосферы, околоземное космическое пространство, ближний и дальний космос, создание материалов с заданными свойствами и приборы космического назначения.
За 2018-2020 годы центром была выполнена трехлетняя программа, утвержденная решением Высшей научно-технической комиссии при Правительстве Республики Казахстан по итогам открытого конкурса Аэрокосмического комитета.
Выполнение этой программы — результат огромного труда ученых и инженеров центра и его институтов, ветеранов отечественной науки и молодых специалистов, с которыми в первую очередь связаны самые современные и перспективные исследования и разработки.
В результате выполнения программы созданы новые методы и технологии — для оценки и прогноза состояния природнохозяйственных систем, месторождений полезных ископаемых, промышленных и урбанизированных территорий в целях обеспечения их безопасного развития, мониторинга агропромышленности, прогноза чрезвычайных ситуаций, биоопасностей, изучения объектов дальнего и ближнего космоса. Также разработаны экспериментальные и инженерные образцы приборов, узлов и материалов для космических аппаратов, аппаратно-программных средств для конечных пользователей космической продукции и услуг. В итоге получены 13 результатов научно-технической деятельности, из них внедрены 10 разработок и получены 13 актов внедрения.
Задачи космической отрасли Казахстана предполагают развитие как новых космических технологий, так и сопряженной с ней фундаментальной науки. Создание научных основ космических технологий, собственного опытно-экспериментального производства, сборки и испытаний компонентов космических системы снизит зависимость отрасли от зарубежных технологий.
Деятельность ведущих космических государств и компаний направлена на создание взаимосвязанных космических и наземных систем для предоставления полного комплекса услуг широкому спектру пользователей в рамках единого информационного пространства. С интеграцией спутниковых и наземных телекоммуникационных систем, систем дистанционного зондирования Земли и глобальной навигации связано развитие нового информационного общества.
Эффективное освоение космоса требует опережающего развития научных исследований в областях радио- и геофизики, изучении нестационарных процессов в атмосфере, биосфере и литосфере Земли, космического мониторинга природных ресурсов, чрезвычайных ситуаций, создания космической техники и технологий, материаловедения, астрономии и астрофизики, физики солнечно-земных связей.
О ЗЕМНОЙ ТВЕРДИ
— Для Казахстана очень важно развивать технологии мониторинга и прогнозирования природных и техногенных процессов. Литосфера на нашей территории не отличается стабильностью. Напротив, тектонической активности подвержены большие площади, и не только в горной местности. Сегодня космические технологии широко применяют в изучении геодинамических и геофизических процессов.
Методы дистанционного зондирования Земли являются эффективным средством изучения состояния природно-хозяйственных комплексов и экосистем на территории республики, прогноза динамики их развития, разработки научно-обоснованных рекомендаций по устойчивому развитию и рациональному природопользованию.
Изучение механизмов формирования геодинамического состояния литосферы с привлечением современных спутниковых технологий и математических методов, исследование взаимосвязи процессов на поверхности Земли и в верхних слоях атмосферы, а также созданные на этой основе методы дистанционного контроля движения земной поверхности дополняют существующие традиционные методы оценки катастрофических геофизических явлений, включая сейсмическую опасность.
Исследования современных геодинамических процессов земной коры Казахстана нацелены на использование спутниковой информации системы высокоточной спутниковой навигации (СВСН) в масштабах всей страны. Объектом исследований является современные движение земной поверхности территории Казахстана, геодинамические и сейсмические особенности земной коры сейсмоопасных регионов Северного Тянь-Шаня.
В результате исследований разработана методика мониторинга современных геодинамических процессов территории Казахстана на основе данных СВСН РК. Эта методика и соответствующие карты могут быть использованы для дальнейшего развития спутниковой системы мониторинга в целях прогноза опасных геодинамических процессов, проще говоря, возможных землетрясений.
Техногенная деятельность человека также должна учитывать природные возможности и пределы воздействия, в том числе при масштабном строительстве. Эти процессы надо уметь моделировать, чтобы избежать возможных техногенных катастроф. Для мониторинга и оценки технического состояния сооружений на урбанизированных территориях продолжены работы по проведению сбора, обработке и анализ высокоточных спутниковых GPS-измерений, георадиолокационных данных и радарных снимков. Разработана геоинформационная система наземно-космического мониторинга геодинамических процессов в городах Нур-Султане и Алматы с использованием данных GPS-измерений, радарных снимков и математического моделирования. Построены карты-схемы пространственно-временного распределения скоростей движений и смещений земной поверхности территорий.
Создан Web-GIS-портал для мониторинга геодинамических процессов территории городов Нур-Султана и Алматы. На портале отражены данные границ городов, тектонических разломов, цифровой модели рельефа, радарной интерферометрии, GPS-измерений, георадарные профили, оценки концентрации напряжений в верхней части земной коры Алматы, а также карты-схемы скоростей движений и смещения земной поверхности. Все эти данные доступны государственным и коммерческим структурам и должны учитываться при развитии мегаполисов.
Проведен большой комплекс исследований динамики земной коры, связанных с поиском углеводородов. Не вдаваясь в «научные дебри», можно сказать, что создана методика проведения пространственного параметрического моделирования по созданию карт региональной нефтеперспективности, что позволяет существенно сократить затраты и сроки геологоразведки по поиску месторождений нефти и газа.
Продолжается изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных геосферах Земли, например, в ионосфере и литосфере. Проще говоря, учеными, в том числе нашими, доказано, что наша планета, ее атмосфера и околоземное космическое пространство — единый организм и все процессы взаимосвязаны и находят свое отражение в других средах. Современными исследованиями подтверждается, что не только Солнце, но и литосфера влияет на физические процессы, протекающие в верхних геосферных оболочках. Гравитационное воздействие Луны также влияет на механизмы движения частиц в литосфере и может быть триггером, приближающим момент землетрясения.
Впервые в реальном времени на основе комплексного мониторинга геофизической среды удалось предсказать землетрясение вблизи Алматы, которое ощущалось в городе на 3-4 балла по шкале MCK-64. Конечно, о сколь-нибудь точном масштабном прогнозировании говорить пока рано, но перспективность этих исследований не вызывает сомнений.
СВЕРХУ ВИДНО ВСЕ
Принимая во внимание размеры территории республики, демографические и инфраструктурные особенности, крайне важной становится разработка новых эффективных информационных технологий для создания региональных систем космического мониторинга различных природных и техногенных процессов. Для интерактивного информационного обеспечения управляющих государственных органов различного уровня результатами космического мониторинга расширены возможности созданных Web-GIS-технологий. Глобальный характер, масштабность и оперативность спутникового зондирования позволят предоставить достоверную оценку состояния и динамики изменений природных и техногенных процессов на территории республики.
Это несколько важнейших направлений, по каждому из которых разработаны инструменты и методики для полноценного использования и внедрения:
· оценка экологического состояние пастбищных ландшафтов и продуктивность пастбищ, рекомендации по их рациональному использованию;
· методика определения площадей посевов риса и сроков сева для рисосеющих регионов на основе данных космической съемки, картографических материалов, данных наземных обследований и анализа агрометеорологических данных;
· оценка и определение возможных последствий чрезвычайных ситуаций на водных объектах (паводков и наводнений), рекомендации по контролю и принятию упреждающих решений;
· Казахстан является крупным производителем и экспортером зерна; сельскохозяйственным культурам причиняют вред около 50 видов многоядных и свыше 100 видов специализированных вредителей, более 70 видов болезней и не менее 120 видов сорных растений; саранчовые (азиатская, марокканская саранча, итальянский прус), ржавчина и септориоз зерновых культур внесены в «Перечень особо опасных вредителей и болезней сельскохозяйственных растений»; все это является непосредственной угрозой национальной продовольственной безопасности;
· в сфере контроля, мониторинга и борьбы со вспышками природных биоопасностей и вредителями сельскохозяйственных культур разработаны вероятностные модели экологической ниши для изучаемых видов, методика и Web-система прогнозирования и мониторинга грибных заболеваний зерновых культур;
· все необходимые данные получают как с помощью космического мониторинга благодаря спутникам ДЗЗ, так и на основе данных наземных наблюдений;
· также разработан оригинальный аппаратно-программый комплекс на основе беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с установленной универсальной гиростабилизирующей платформой, что позволяет получать высокоточные данные дистанционного зондирования.
РЕЗУЛЬТАТ — «В ЖЕЛЕЗЕ»
Создание и усовершенствование современных средств связи и навигации требует проведения комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с последующей конструкторско-технологической подготовкой производства аппаратуры, оборудования, приборов для космических аппаратов, наземной космической инфраструктуры, систем спутниковой связи и высокоточной спутниковой навигации.
Последние, в свою очередь, существенно зависят от состояния атмосферы, атмосферного электричества, грозовой активности, других факторов.
Впервые в стране проведены исследования атмосферно-литосферных связей на основе комплекса данных глобальных и региональной сетей грозопеленгации и разработанного для их обработки программноматематического обеспечения. На практике это означает сокращение аварий на линиях электропередачи (ЛЭП) от грозовой активности и снижения ущерба от лесных пожаров, вызываемых грозами.
Ведется разработка малых спутников и наноспутников, создают отечественные комплексы для отработки бортовой системы ориентации спутников. Успешно функционирует созданная нашими учеными, инженерами и программистами казахстанская космическая система научного назначения на базе наноспутника СubeSat-3U, проекта KazSciSat.
Одним из важнейших условий устойчивой работы систем навигации является штатное функционирование робототехнических систем, навигационно-геодезического оборудования, беспилотных летательных аппаратов, крылатых ракет и другой техники гражданского и военного назначения. Именно этой задаче отвечает проект по созданию гибридных систем навигации с использованием современной электронной комплектующей базы, а его выполнению — разработка экспериментального образца гибридной инерциально-спутниковой навигационной системы (ГИСНС).
Обеспечение высокой эффективности поисково-спасательных работ в случае авиационного происшествия для снижения рисков гибели экипажа и пассажиров воздушного судна является одним из элементов, характеризующих безопасность полетов. В этих целях разрабатывается аппаратно-программный комплекс системы мониторинга полетной траектории малых воздушных судов с использованием технологий глобальных навигационных спутниковых систем и низкоорбитальных систем спутниковой связи.
Система раннего оповещения при селеопасности — один из самых эффективных путей повышения безопасности и защиты населения и объектов от селевых потоков в горной и предгорной местности. Для решения этой задачи разработан программно-технический комплекс мониторинга состояния моренных озер с использованием космических технологий связи. Разработанный экспериментальный образец может быть внедрен в ГУ «Казселезащита» как более эффективный и значительно менее затратный способ определения состояния прорывоопасности моренных озер, чем проводимые сейчас облеты на вертолетах.
Космические и авиационные технологии требуют применения новых облегченных высокопрочных материалов, в первую очередь углепластика. Разработанная нашими специалистами отечественная технология по производству ударопрочного углепластика аэрокосмического назначения позволит улучшить тактико-технические характеристики выпускаемых в республике летательных аппаратов.
КОСМОС ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ
— Традиционно большой комплекс исследований и работ продолжается в астрофизике. Это в первую очередь мониторинг и оптические исследования потенциально опасных космических объектов ближнего космоса и высокоэнергичных объектов дальнего космоса, развитие и использование современных мониторинговых и информационных технологий.
В ближнем космосе становится тесно, и для нас крайне важно вести наблюдение геостационарной области, чтобы оценить вероятности опасных сближений с аппаратами KazSat. Разработанная методика позволяет это делать на период до 10 суток, диапазон расстояний — до 30 километров, проводить фотометрические и координатные наблюдения космических аппаратов при возникновении нештатных ситуаций для оценки состояния аппарата на этапе вывода на орбиту и в процессе работы.
Мониторинг околоземного космического пространства подразумевает не только отслеживание искусственных спутников Земли, но и других аппаратов. Наземное оптическое сопровождение позволяет получать точные параметры их орбит, оценивать ориентацию космического аппарата, его возможное вращение и в некоторых случаях — состояние его поверхности. Наши астрофизики принимают активное участие в мониторинге российской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» и ее оптическом сопровождении. Количество выполненных наблюдений и точность полученных данных отмечены благодарностью от Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН.
Наблюдения объектов, сближающихся с Землей, необходимы для оценки их опасности и оптимизации существующих и планируемых космических миссий. Несмотря на малую вероятность столкновения Земли с крупными небесными телами (астероиды, кометы), существует реальная угроза работе аппаратов на околоземных орбитах.
Проводится мониторинг астероидов, сближающихся с Землей и представляющих потенциальную угрозу вхождения в околоземное космическое пространство. Проведены фотометрические наблюдения и построены кривые блеска объектов.
Исследование гамма-всплесков, самых энергетических процессов во Вселенной — одно из ведущих направлений космических исследований. По сигналам с космических аппаратов проводят наблюдения оптического послесвечения гамма-всплесков. Эти данные крайне важны для изучения природы Вселенной.
Ведется активная работа по построению трехмерных моделей галактик и их динамики с помощью компьютерного кластера (суперкомпьютера).
КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА
— Усилиями наших ученых за последние десятилетия в Казахстане создана национальная система мониторинга и прогноза состояния околоземного космического пространства или, как еще говорят, космической погоды. Функционированию казахстанских спутников, как и аппаратам других стран, угрожают не только космический мусор и объекты естественного происхождения (астероиды), но и жесткое космическое излучение, и солнечная активность.
Система диагностики и прогноза состояния околоземного космического пространства создана для оценки рисков работоспособности казахстанских космических аппаратов, систем навигации и связи. При этом выявлены количественные связи интенсивности космических лучей со степенью возмущенности космической среды и параметрами межпланетного пространства и ближнего космоса. В режиме реального времени с высоким разрешением представлена информация о состоянии околоземного космического пространства в казахстанском регионе, включая прогнозы радиационной и геомагнитной обстановки.
Во время эксплуатации космических аппаратов различного назначения в результате комплексного воздействия факторов космического пространства и условий эксплуатации происходят случаи отказа бортовой аппаратуры, приводящие к уменьшению срока эксплуатации аппаратов на орбите, а в некоторых случаях — и их потере. Поэтому особое внимание уделяется увеличению работоспособности бортовых систем, устойчивых к условиям эксплуатации и воздействию факторов космического пространства, поиску новых и модернизации уже используемых схем защиты. В наземных моделирующих условиях невозможно создать испытательные комплексы, которые бы имитировали воздействие всех космических факторов. Поэтому для решения поставленных задач используют имитационное и схемотехническое моделирование и современные программные средства.
Впервые разработана информационная система надежности бортовой электронной аппаратуры с учетом радиационных и геофизических условий околоземного космического пространства и реализован принципиально новый подход к механизму инверсии (аномального изменения) информационного состояния модулей памяти, приводящий к нештатным ситуациям в работе бортовой электронной аппаратуры.
Подводя итог, мы можем смело сказать, что задачи, решаемые нашими научными коллективами, соответствуют мировым приоритетам развития космической науки и стратегическим задачам космической отрасли республики. Есть многолетний задел по всем направлениям исследований, высококвалифицированный кадровый потенциал, достаточная материально-техническая и экспериментальная база.
Безусловно, существует много вопросов, решения которых ожидает все научное сообщество Казахстана. Хочется надеяться, что голос наших ученых будет услышан при разработке планов по развитию науки и ее финансировании. Но это, конечно, тема отдельного разговора.