Skomplikowana fizyka prawdziwych wojen gwiezdnych. Łatwo i szybko już było - na Ziemi
Na początku ery kosmicznej istniało założenie, że personel wojskowy będzie żyć i pracować w przestrzeni kosmicznej tak jak we wszystkich innych terenach działań militarnych. Siły powietrzne USA dążyły do stworzenia załogowego samolotu kosmicznego w programie Dyna Soar (1). Jednak adaptacja technik, które sprawdzają się dla samolotu, do próżni kosmicznej okazała się poza ówczesnymi możliwościami.
Niestety, ludzie potrzebują w przestrzeni kosmicznej dużo zasobów - jedzenia, wody, a nawet po prostu powietrza i to wszystko musi być wystrzelone z Ziemi. Ostatecznie militarne programy załogowe zakończyły się niepowodzeniem. Zamiast tego udoskonalenia w technologii i transmisji danych umożliwiły powstanie satelitów, które spełniają wiele wojskowych funkcji przewidzianych dla wcześniejszych programów załogowych. Obecnie działalność militarna w przestrzeni kosmicznej jest zdominowana przez bezzałogowe satelity, które wpływają na niemal każdy aspekt współczesnych operacji wojskowych. Jednak walki, starcia i bitwy w przestrzeni kosmicznej to zupełnie coś innego.
Powoli, daleko i paliwa mało
Aby opisać, w jaki sposób fizyka ogranicza militarne operacje kosmiczne, trzeba uświadomić sobie pięć kluczowych czynników: satelity poruszają się szybko, poruszają się przewidywalnie, przestrzeń jest bardzo duża, czas ma decydujące znaczenie, a ponadto satelity manewrują relatywnie powoli.
Ruch w przestrzeni kosmicznej niewiele ma wspólnego z lotami w atmosferze ziemskiej. Ponadto nie ma tam możliwości tankowania. Ewentualna wojna kosmiczna prawdopodobnie będzie się toczyć powoli, ponieważ przestrzeń jest duża a statki kosmiczne mogą schodzić z przewidywalnych ścieżek (a tylko zmiana przewidywalnych trajektorii daje pożądany militarnie efekt zaskoczenia) jedynie przy wielkim nakładzie energii.
Operacje wojenne na Ziemi zazwyczaj toczone są o dominację nad fizycznym miejscem, o kontrolę nad lądem, morzem i przestrzenią powietrzną nad pewną częścią Ziemi, aby zwiększyć swój wpływ na ludzi lub zasoby. Dająca się obecnie wyobrazić wojna w przestrzeni kosmicznej nie ma tym nic wspólnego.
Satelity na orbicie nie zajmują i nie dominują w jednym miejscu na przestrzeni czasu. Zapewniają za to określone możliwości, np. komunikację, nawigację i zbieranie danych wywiadowczych ziemskim siłom zbrojnym. Dlatego też, aby "kontrolować przestrzeń kosmiczną" niekoniecznie fizycznie trzeba podbić określone sektory przestrzeni kosmicznej, ale raczej zredukować lub wyeliminować możliwości satelitarne przeciwnika, zapewniając sobie jednocześnie możliwość swobodnego operowania i rozwój własnych zdolności kosmicznych.
Mechanika orbitalna dyktuje, że obiekty na niższych wysokościach zawsze poruszają się szybciej niż te na większych wysokościach. Każda próba przyspieszenia lub zmniejszenia prędkości satelity zawsze będzie prowadzić do zmiany wysokości. Satelity na powszechnie używanych orbitach kołowych poruszają się z prędkością od 3 km/s do 8 km/s w zależności od ich wysokości nad poziomem morza. Dla porównania, przeciętny pocisk porusza się z prędkością około 0,75 km/s.
Satelita na orbicie zazwyczaj podąża tą samą ścieżką i zmierza w tym samym kierunku. Ścieżki te mogą być kołowe lub eliptyczne. Satelity na orbitach kołowych utrzymują stałą wysokość i prędkość. Na orbicie eliptycznej satelita porusza się wolniej, gdy jest wyżej i szybciej, gdy obniża wysokość. Zależność pomiędzy wysokością, prędkością i kształtem orbity i kształtem orbity sprawia, że ścieżki satelitów są przewidywalne. Aby zboczyć z wyznaczonej orbity, satelity muszą manewrować, czyli użyć silnika.
To istotna różnica w porównaniu z samolotami, które do zmiany kierunku lotu używają w dużym stopniu interakcji z powietrzem. Próżnia kosmiczna nie oferuje takiej możliwości. Ponadto, orbita satelity nie zależy od jego masy, czyli zarówno małe satelity, jak i duże satelity poruszają się z taką samą prędkością dla danej wysokości. To kolejna istotna różnica w porównaniu z warunkami atmosferycznymi, w których masa maszyny latającej ma wielkie znaczenie.
Przestrzeń kosmiczna jest duża.
Objętość przestrzeni kosmicznej pomiędzy niską orbitą okołoziemską (LEO) a geostacjonarną (GEO) wynosi około 200 trylionów kilometrów sześciennych (2). Jest to 190 razy więcej niż objętość Ziemi. W dodatku, ponieważ satelita porusza się szybko, ma dużą bezwładność. W związku z tym zmiana położenia satelity na jego orbicie, znana jako manewr, może wymagać znacznego czasu i energii.
Ponieważ przestrzeń kosmiczna jest, jak wielokrotnie już podkreślaliśmy, bardzo duża, a w połączeniu ze ścisłą naturalną zależnością pomiędzy prędkością satelity, wysokością i kierunkiem, zmiana orbity wymaga zarówno ∆V (delta-V - w astrodynamice to wielkość skalarna, która ma wymiar prędkości określająca miarę "wysiłku" niezbędnego do wykonania manewru orbitalnego), jak i czasu. Odbywa się to zazwyczaj poprzez spalanie chemicznych materiałów pędnych.
Ziemskim analogiem do satelity mogłoby tu być manewrowanie pociągiem, który może poruszać się tylko w kierunku wyznaczonym przez jego tory. Jednym z popularnych manewrów kosmicznych jest zmiana płaszczyzny, gdzie płaszczyzna orbity satelity jest przechylona w stosunku do jej pierwotnej orientacji bez zmiany wysokości satelity. Można to porównać do przestawienia pociągu na przecinające się tory bez zmiany jego prędkości. Ponieważ satelity poruszają się szybko i mają duży pęd, potrzeba dużo ∆V, aby wykonać nawet małe zmiany płaszczyzny.
Paliwa na pokładzie jest ograniczona ilość i niestety, jak już wspomniano, na orbicie, w przeciwieństwie do warunków ziemskich, nie ma stacji i jednostek tankujących. Dlatego, nawet dla satelitów z dużym budżetem ∆V, dostępna jest ograniczona liczba manewrów. Ponieważ przestrzeń jest duża, wiele satelitów po prostu nie jest w stanie osiągnąć orbity innych satelitów.
To, że przestrzeń kosmiczna jest duża, oznacza także z punktu widzenia "taktyki", że starcie kosmiczne nie może być jednocześnie intensywne i długie. Może to być albo krótkie, intensywne użycie dużej ilości ∆V dla dużego efektu, albo długie użycie ∆V dla mniejszych lub trwałych efektów. Ze względu na odległości, planowanie kinetycznego ataku na satelitę wymaga uwzględnienia czasu i ∆V potrzebnych do wykonania misji.
Operatorzy satelity atakującego przy obecnych technikach muszą spędzić tygodnie na ustawianiu satelity do ataku, podczas których mogą zmienić się warunki, które zmieniają potrzebę lub cel ataku. Dodatkowo, jeśli atakujący satelita musi wykonywać kosztowne manewry, może on nie mieć rezerw potrzebnych do odpowiedzi, jeśli cel wykona swój własny manewr, aby uniknąć ataku odwetowego (pamiętajmy o przewidywalności ruchu w kosmosie).
Ustawienie dwóch satelitów na tej samej wysokości i w tym samym tej samej płaszczyźnie jest proste (choć czaso- i energochłonne), ale to nie znaczy, że są one w tym samym miejscu. Musi nastąpić fazowanie - rzeczywiste położenie wzdłuż trajektorii orbitalnej dwóch satelitów musi również być takie samo. Ponieważ prędkość i wysokość są ze sobą powiązane, uzyskanie położenia dwóch satelitów w tym samym miejscu to kolejne skomplikowane wyzwanie.
To, co stanowi małą lub bliską odległość jest kwestią oceny, zależy od operatorów satelitów. Na przykład satelita na GEO może być w stanie tolerować 50 km separacji pomiędzy innymi satelitami, ale załogowa stacja kosmiczna może nie pozwolić żadnemu satelicie na zbliżenie się na odległość do 150 km. Szybki atak na LEO wymagałby wydatkowania dużego budżetu ∆V dla atakującego satelity i nie byłby szybki. Oprócz wykonania właściwego manewru fazowania, atakujący i cel muszą znajdować się w tej samej płaszczyźnie orbity. Każdy manewr zmiany płaszczyzny przez atakującego jest kosztowny.
Pas GEO w wielu analizach uchodzi za nieco "łatwiejsze" miejsce do przeprowadzenia ataku typu kinetycznego (czyli fizycznego uderzenia, zniszczenia satelity przeciwnika). Większość satelitów w GEO znajduje się w tej samej płaszczyźnie, co daje więcej możliwości i celów do ataku. Jednak jest mało prawdopodobne, aby atakujący satelita, jego ruch pozostanie niezauważony. Wciąż jednak przygotowanie ataków wymaga dużo czasu. Potrzeba dni lub tygodni, aby ustawić broń w odpowiedniej pozycji do ataku.
Wiązki lepsze
Podobnie jak w przypadku wojny naziemnej, wojny lądowej, jednym z celów ataku jest fizyczne zniszczenie celu, znane jako kinetyczny atak uderzeniowy. Istnieją dwa rodzaje kinetycznej broni uderzeniowej w wojnie kosmicznej: naziemne pociski antysatelitarne (ASAT) oraz broń na orbicie (kinetic kill vehicles lub orbitalne ASAT).
Ponieważ rakieta wystrzelona z Ziemi ma dużą pojemność ∆V, sama głowica jest umieszczona na właściwej trajektorii przechwycenia i wymaga już niewielkiej ilości materiału pędnego, aby dotrzeć do celu. Czas dotarcia do celu może być krótszy niż 10 minut, jeśli chodzi o cele znajdujące się na LEO i mniej niż 5 godzin w przypadku ataków na GEO. Czasu na reakcję, zwłaszcza przypadku niskiej orbity, jest więc zdecydowanie mniej, gdy strzelamy z Ziemi niż w przypadku operacji, które miałyby naśladować bitwy kosmiczne w Gwiezdnych Wojnach" (3).
Ataki kinetyczne wymagają zbliżenia się do satelity będącego celem ataku. Istnieją jednak również sposoby, aby atakować z dystansu. Mowa o wojnie elektronicznej i atakach w zakresach fal elektromagnetycznych, które mogą być prowadzone przez satelity, jednostki naziemne lub powietrzne.
Wojna elektroniczna to m.in. wykorzystanie częstotliwości radiowych w celu obezwładnienia sygnałów przeciwnika (zagłuszanie) oraz celowe naśladowanie sygnałów przeciwnika w celu wysyłania szkodliwych poleceń lub danych (spoofing). Broń o ukierunkowanej energii wykorzystuje skoncentrowane wiązki w zakresach radiowych (mikrofale o dużej mocy) lub wiązki światła (lasery) do zakłócania pracy satelity.
Lasery mogą być użyte do tymczasowego oślepienia czujników optycznych i kamer lub trwale uszkodzić wrażliwe sprzętu pokładowego. Mikrofale o dużej mocy zakłócają działanie elektroniki pokładowej w sposób odwracalny lub trwały. Należy jednak pamiętać tu również o odległościach.
Strumienie energetyczne rozpraszają się także w próżni i tracą na dużych odległościach. Jeszcze szybciej tracą moc (przez atmosferę) ataki przeprowadzane z Ziemi. Niemniej z uwagi na opisane wyżej ograniczenia w przeprowadzaniu starć z bliska, działania elektroniczne i elektromagnetyczne są w kosmosie znacznie bardziej obiecujące militarnie.
Warto mieć też świadomość, że kinetyczne zniszczenie satelity przeciwnika może stworzyć odłamki, które następnie zagrożą także stronie atakującej. Niektórzy zastanawiają się. jak wiele starć tego typu uczyni przestrzeń kosmiczną niezdatną do użytku. Dla każdego. Także dla tych, którzy "wygrają" kosmiczną wojnę.
Mirosław Usidus
