Большое будущее малых спутников

Развитие беспилотной космонавтики стремится к миниатюризации. Современные технологии позволяют создавать легкие маленькие аппараты, причем достаточно быстро, дешево и в больших количествах. В решении определенных задач, связанных с космическими исследованиями, такие нано- и микроспутники не уступают более крупным аппаратам. Их также используют, чтобы протестировать новые технические подходы.

Универсальный формат таких спутников ― это кубсат, кубик размером 10 × 10 × 10 см, так называемый один юнит. Из таких кубиков можно создавать более крупные аппараты, в зависимости от поставленных задач. Единый стандарт и невысокая стоимость создания и запуска позволяют широко использовать кубсаты, в том числе многоюнитовые, в образовании и университетской науке.

Так, в ноябре 2024 г. Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королева запустил очередной наноспутник «СамСат-Ионосфера». Аппарат позволяет получить данные о состоянии ионосферы и магнитосферы Земли, которые могут быть использованы для прогнозирования перебоев связи и повышения точности работы навигационных систем.

Покупные системы могут сорвать миссию

Все системы на спутнике или их подавляющее большинство должны быть собственной разработки. В ином случае гарантировать работоспособность аппарата и успех миссии невозможно, уверен Игорь Витальевич Белоконов, заведующий межвузовской кафедрой космических исследований Самарского университета. Поэтому с 2016 г. университет проектирует и создает наноспутники полностью самостоятельно, не покупая никаких бортовых систем.

«Мы наладили полный замкнутый цикл производства. Конечно, такая ситуация сложилась не от хорошей жизни и имеет объективные причины, ― отмечает И.В. Белоконов. ― Дело в том, что условия, в которых проводятся космические эксперименты, настолько многогранны, что невозможно быть уверенным в том, что все гарантированно пойдет по плану. Спутник ― это электронный прибор с огромным количеством различных бортовых систем: управлением, энергопитанием, радиосвязью, вычислениями… Если устанавливать чужие системы, то в случае нештатной ситуации мы ограничены в понимании происходящего, потому что не знаем особенностей бортовых систем. И никто из продавцов не расскажет о полном функционале продукта и всех опциях. Поэтому мы из универсальной элементной базы создаем свой продукт, а молодые специалисты нашей лаборатории понимают абсолютно все, что происходит внутри аппарата».

Так, молодые ученые Самарского университета создали собственный двухчастотный навигационный приемник. Его рассматривают не только как устройство для решения типовых задач ― определения координат и скорости, ― но и как научный прибор. Радиосигнал, который проходит путь от спутника до приемной антенны, изменяется в зависимости от свойств среды, через которую распространяется. Соответственно, возможно решать обратную задачу: оценивать изменения этой среды.

Другая разработка Самарского университета ― это электротермический двигатель. Спиртоводная смесь, фактически водка, нагревается в установке, а перегретый пар выбрасывается из сопла, создавая реактивную силу, о которой писал много лет назад К.Э. Циолковский. В наземных испытаниях двигатель показал высокие характеристики удельного импульса, вдвое выше, чем у французского аналога. В перспективе такие двигатели будут устанавливать на наноспутники для коррекции орбиты. Пока аппараты Самарского университета отправляются без двигателей. Другое теоретическое применение ― создание на основе электротермического двигателя системы спасения космонавтов во время внекорабельной деятельности: «При выходе в открытый космос космонавты используют два карабина, которые перестегивают, двигаясь вне космической станции. Если карабины отстегнутся и космонавт потеряет контакт со станцией, он фактически станет спутником Земли. Чтобы вернуться, ему необходимо за что-то зацепиться. Мы запатентовали роботизированную систему спасения космонавтов в такой ситуации, основанную на использовании нашего двигателя: это может быть трехъюнитовый спутник, который в случае нештатной ситуации отделяется от станции в направлении космонавта и тянет за собой трос», ― рассказал И.В. Белоконов.

Университетские исследования ионосферы

В июне 2023 г. на круговую орбиту высотой 550 км был запущен спутник SamSat-ION, созданный на уникальной платформе Самарского университета. 5 ноября 2024 г. в космос отправился «СамСат-Ионосфера» ― улучшенная версия первого аппарата с обновленной версией программного обеспечения и улучшенной системой электропитания. «СамСат-Ионосфера» исследует параметры верхней ионосферы и состояние магнитного поля Земли. Это трехъюнитовый кубсат размером 10 × 10 × 30 см. И SamSat-ION, и «СамСат-Ионосфера» полностью разработаны и созданы молодыми учеными и аспирантами Самарского университета.

«Наша кафедра закрывает полный цикл производства подобных спутников: от проектирования плат до сборки и написания программного обеспечения для спутника и наземной приемной станции. В классической архитектуре таких спутников явно выделяются отдельные юниты ― кубсаты. При такой архитектуре необходимы платы, соединяющие несколько юнитов. Отличие нашей платформы в том, что мы используем одностековую архитектуру: весь аппарат ― это один блок, в котором не нужны дополнительные соединения. Кроме того, наша платформа предусматривает ряд улучшений для обеспечения стабильного канала связи, а также применяется отличный от аналогов антенный комплекс с запатентованной системой раскрытия элементов», ― рассказал Степан Вячеславович Шафран, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории перспективных фундаментальных и прикладных космических исследований на базе наноспутников Самарского университета. Обычно антенна наноспутников до раскрытия находится в специальном отсеке, свернутая в спираль. От разворачивания ее удерживает откидная створка. В обычной системе эта створка крепится на нейлоновую нить, которая пережигается после подачи сигнала на раскрытие антенны. Однако нейлоновая нить может перетереться во время запуска, а для того чтобы ее пережечь, нужны повышенные температуры резистора. В механизме замкового устройства для раскрытия антенн используется сплав Розе из олова, свинца и висмута, который расплавляется при температуре 94 ^°С и более устойчив к вибрациям.

В 2025 г. запланирован запуск очередного наноспутника «СамСат-Орион» с научной аппаратурой для радиопросвечивания ионосферы, созданной в Институте космических исследований РАН.

В перспективе научные спутники самарских ученых сформируют группировку для исследований в интересах Росгидромета. По оценкам, ресурсов лаборатории Самарского университета хватит, чтобы создавать до десяти таких спутников ежегодно.

Самарский «Аист»

Другой спутниковый проект Самарского университета связан с радиолокационным мониторингом поверхности Земли. Запуск аппарата «Аист-СТ» должен был пройти в конце декабря 2024 г., но его перенесли на 2025 г. В этом 16-юнитовом спутнике непосредственных разработок Самарского университета меньше, но большая часть компонентов, в том числе солнечные батареи, аккумуляторы и электроника бортовых компьютеров, — отечественные.

Радар спутника, работающий в X-диапазоне (от 8 до 12 ГГц), позволит делать снимки поверхности Земли и ночью, и в пасмурную погоду ― для этого диапазона частот облака прозрачны. Аппарат возможно использовать, например, для оценки движения айсбергов, таяния ледников, изучения рельефа поверхности и поиска загрязненных участков морей и океанов. «Мы проводили тестовые съемки этим радиолокатором в наземных условиях и получили хорошее изображение: видны радиотени от деревьев и объекты инфраструктуры. При этом будут возможны два режима работы: маршрутный, который охватывает большую площадь, но дает изображение меньшего качества около 10 м на пиксель, и детальный ― соответственно с увеличенным качеством около 2 м на пиксель, но с меньшей площадью снимка», ― рассказал руководитель Киберфизической фабрики малых космических аппаратов Максим Александрович Иванушкин.

В качестве дополнительной полезной нагрузки на «Аист-СТ» будет установлен датчик оценки загрязненности поверхности космического аппарата, который позволит оценивать собственную внешнюю атмосферу спутника. Это разработка Института космического приборостроения Самарского национального исследовательского университета им. ак. С.П. Королева.  

«Аист-СТ» станет первым российским малым спутником формата кубсат с радиолокационной аппаратурой на борту. После оценки результатов его работы, возможно, будет создана группировка подобных аппаратов.

Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»