• Технический университет Берлина (наноспутники TUBSat);
• Центр космических технологий и микрогравитации Бременского университета (BremSat);
• Университет графства Суррей (ныне — организация SSTL; начиналось со спутников UoSat, всего на настоящий момент запущено 26 малых спутников);
• Университет штата Юта (аппарат NuSat);
• Стэнфордский университет: проект OPAL, пикоспутники StenSat массой 0,2 кг (!), QuakeSat, CubSat;
• Университет Санта Клара (спутник Artemis);
• Университет Рима La Sapienza (четыре микроспутника UniSat).
Интересное начинание предложил профессор Роберт Твиггс из Стэнфордского университета несколько лет назад: каждый желающий может запустить индивидуальный наноспутник массой 1 кг и размером 10х10х10 см — эдакий кубик, — и назвал его CubSat. Объявленная цена услуги — 50 тысяч долларов. Нельзя сказать, что выстроилась очередь из желающих, но то, что мода пошла на CubSat’ы, сказать можно. На фото изображен макет спутника в руках профессора Клауса Шиллинга из Университета Вюрцбурга (Wuerzburg University), Германия, под руководством которого по идеологии CubSat’a был разработан студентами и 27 октября 2005 года успешно выведен на орбиту спутник UWE-1. Всего к настоящему времени изготовлено тридцать с лишним спутников этой серии и большинство из них выведено на орбиту.
В России примером такого подхода являются проекты малых спутников, разрабатывавшиеся в недалеком прошлом и разрабатываемые сейчас в МАИ, МГТУ, МЭИ, САКУ, ВИКИ, МГУ и других вузах [Подробный перечень проектов микроспутников приведен на сайтах microsat.sm.bmstu.ru/source/mrewMICS.html и space.skyrocket.de]. В качестве примеров можно привести российско-американский наноспутник REFLECTOR массой 6 кг, разработанный НИИ прецизионного приборостроения совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ, и первый отечественный наноспутник ТНС-0, созданный в РНИИ космического приборостроения также совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ. Стоит упомянуть и микроспутник «Татьяна», запущенный в честь 250-летнего юбилея МГУ им. М. В. Ломоносова, и микроспутник «Колибри», разработанный ИКИ РАН.
Безусловно, заслуживает внимания опыт НАСА, профинансировавшего более сорока студенческих проектов малых спутников в университетах США — в частности, в Стэнфордском университете.
СМЕКАЛКА
Гравитационная штанга представляет собой устройство в форме стержня, разносящее части спутника друг от друга на определенное расстояние. Из-за того что сила притяжения каждой части спутника Землей зависит от расстояния до ее центра, создается механический момент, стремящийся выставить штангу вдоль направления на центр Земли (местной вертикали). Между прочим, именно несимметричность Луны заставляет ее постоянно смотреть на нас одной стороной. Это принцип ориентации широко используется в космической технике для обеспечения ориентации спутников, начиная с Международной космической станции и заканчивая пикоспутниками.
Примером успешного развития работ по линии студенческих проектов является уже упоминавшаяся английская коммерческая фирма SSTL (Small Satellite Technology Ltd), выросшая из исследовательской лаборатории университета графства Суррей (Великобритания), движущей силой которой является ее коммерческий директор Мартин Свитинг [www.sstl.co.uk]. Мартин еще в 80-х годах начал с обучения студентов, а в настоящее время на примере изготавливаемых его фирмой малых спутников обучает иностранных специалистов из развивающихся стран, выводя эти страны в разряд «космических». Эта деятельность не только приносит компании прибыль, но укрепляет ее авторитет на рынке космических и образовательных услуг. Молодежь с удовольствием идет на стажировку, в аспирантуру и на работу в STTL.
Европейское космическое агентство организовало международные студенческие проекты малых спутников ESEO (European Student Earth Orbiter) и ESMO (European Student Moon Orbiter) в рамках программы SSETI (Student Space Exploration and Technology Initiative), целью которых является обучение студентов работать в распределенной команде, состоящей из групп более чем из 20-ти европейских университетов.
Суммируя сказанное выше, можно утверждать, что инвестиции в такого рода студенческие проекты со стороны промышленности и государственных структур, например, Министерства образования и науки, Федерального космического агентства могут привести к важным прямым [Отработка новых технологий и технологических решений] и непрямым [Обучение молодых специалистов, способных к активному участию в реальных космических и других высокотехнологических проектах] положительным результатам.
Следует обратить внимание, что Европейское космическое агентство уделяет пристальное внимание вовлечению молодежи в космическую отрасль — существует специальная программа поддержки участия студентов и молодых исследователей в конгрессах Международной академии астронавтики — главного ежегодного мирового мероприятия. На этих конгрессах в последние годы открывается даже специальный павильон для общения молодежи, совместного прослушивания лекций, а фактически, — формирования будущего поколения исследователей и разработчиков, объединенных планами, интересами и устремлениями. Очень жаль, что наши молодые исследователи попадают на такие мероприятия лишь по инициативе их руководителей. Здесь требуется тоже программа поддержки. На последнем Конгрессе Международной федерации астронавтики (IAF), проходившем в Валенсии в октябре 2006 года, помимо преференций, отдаваемых молодежи, также была выделена группа убеленных сединами опытных исследователей и инженеров, привлекаемых к передаче опыта молодым участникам.
Кстати, проекты малых спутников — это те точки роста, вокруг которых охотно объединяются национальные и интернациональные молодежные коллективы. Сопутствующим фактором для создания интернациональных групп, в том числе и с участием российских студентов, является европейская программа Erasmus Mundus обмена студентами-дипломниками, но и здесь пока тоже все определяется инициативой и связями руководителей.
Можно сказать, что это, — первое направление приложения малых спутников, особенно важно для России, ибо космическая отрасль, будучи областью приложения высоких технологий из большинства отраслей науки и техники, должна служить одним из локомотивов инновационного развития России, о чем сейчас так часто говорят с высоких трибун.
Второе направление (условно назовем его «промышленным») инициируется космическими фирмами и агентствами с целью создания «серьезных» проектов в отличие от «студенческих».
Используемые современные технологии, конечно же, не способствуют удешевлению самого спутника. Чаще всего спутники становятся даже дороже. Ибо прямое, уменьшающее габариты масштабирование лишь увеличивает трудоемкость изготовления, например, малогабаритных приводов или реактивных двигателей, при очевидном снижении лишь затрат на материалы. Однако, применяя современные достижения в электронике, материаловедении и нетрадиционные подходы к конструированию, удается создать спутники, значительно отличающиеся по массе и размерам в меньшую сторону от традиционных аппаратов. При уменьшении массы спутника значительная экономия достигается в процессе его вывода на орбиту, особенно на орбиту межпланетных перелетов, так как цена запуска традиционно вычисляется «покилограммно». Примерами малых спутников, разработанных организациями космической отрасли, могут служить японский NOZOMI для полета на Марс (запуск — 1998 год), европейский SMART-1 массой 350 кг, выведенный на орбиту в 2003 году и достигший окрестности Луны с использованием двигателей малой тяги, разрабатываемый отечественный малый спутник «Фобос-Грунт» для доставки грунта с Фобоса. Вызывает несомненный интерес миссия Японского национального космического агентства под названием Hayabusa. После запуска с японского космодрома 9 мая 2003 года и совершения в мае 2004 года гравитационного маневра около Земли аппарат достиг окрестности астероида Итокава размером чуть больше полукилометра. А уже 20 и 26 ноября 2004 года аппарат три раза совершил посадку на астероид (вторая космическая скорость для этого астероида составляет лишь 0,2 м/с!), после чего взял курс на Землю с образцами грунта. Его прибытие ожидается в 2010 году.
Малые спутники инициировали еще один подход к космическим исследованиям. В настоящее время интенсивно разрабатываются полеты (Formation Flying) группировок малых спутников для проведения физических экспериментов. Formation Flying состоит из нескольких спутников, объединенных одной целевой задачей и выполняющих совместный полет на небольшом удалении друг от друга (от десятков метров до десятков километров). Взаимное положение и движение спутников контролируется и управляется. В 2008 году ожидается технологический запуск двух малых спутников Prisma (массой 150 и 40 кг), разрабатываемых Швецией совместно с Германией, Францией и Данией. Предполагается их групповой полет с маневрированием и стыковкой.
Большой интерес уделяется использованию малых спутников для наблюдения Земли из космоса, несмотря на пресловутое отношение l к d. Можно смело сказать, что каждая страна, входящая в «клуб космических держав», старается свой первый спутник снабдить камерой для съемки поверхности Земли. Помимо ежегодных Конгрессов Международной федерации астронавтики каждые два года в апреле месяце, в Берлине, начиная с 1996 года, на Симпозиум «Малые спутники для наблюдения Земли из космоса» собираются фанаты этого их применения. SSTL много сделала для распространения такого опыта и даже пошла дальше. Среди большого количества проектов, в том числе и реализованных, отмечу лишь два, с моей точки зрения, нетривиальных в идее и в исполнении. Это Flying Laptop, разрабатываемый в Институте космических систем Университета Штутгарта и в PRISM Лаборатории интеллектуальных систем Университета Токио.
Первый микроспутник массой около 100 кг несет три камеры наблюдения и прецизионную систему ориентации, содержащую, пожалуй, весь мыслимый набор датчиков и исполнительных органов, для обеспечения точности ориентации в 150 угловых секунд. Особенностью спутника является наличие программируемой вентильной матрицы с большими собственными вычислительными возможностями, которая может быть запрограммирована самим пользователем (в условиях космического полета с наземной станции). Скорость передачи данных на Землю — 100 Мбит/с. Спутник разрабатывается в кооперации с ведущими германскими организациями (например, Фраунгоферовский институт компьютерной архитектуры и технологии программ). Этот микроспутник вряд ли можно отнести к числу дешевых, «университетских».
Второй спутник относится к классу наноспутников, имея массу менее 5 кг и размеры 15х15х20 см. Спутник создан на базе идеологии CubSat, прошедшей испытания на предыдущем выведенном на орбиту пикоспутнике CubeSat XI массой около 1 кг. Особенностью спутника является использование гравитационной штанги для создания управляющего момента и формирования длиннофокусного объектива. При этом штанга сплетена из упругих тонких пластиковых стержней, подобно корзине из ивовых прутьев. В сложенном состоянии она похожа на плоское птичье гнездо, а в развернутом — представляет собой жесткий «скелет» трубы длиной около 60 см, на конце которой закреплен объектив камеры. Ожидаемое разрешение составляет 10—15 метров на пиксель. Система ориентации включает в себя три маховика и три токовых катушки с солнечным, магнитным и гироскопическим датчиками ориентации.
КОМПАС
Для создания управляющего момента используется взаимодействие собственного (постоянного или управляемого) магнитного поля спутника с геомагнитным полем. Такие системы ориентации весьма просты по устройству, но требуют аккуратного расчета алгоритмов управления и динамики спутника. Широко применяются для малых аппаратов.
Из отечественных проектов микроспутников для наблюдения Земли хочется обратить внимание читателя на недавно анонсированный проект спутника «Прозрачный Мир», разрабатываемый НПО «Полет» при финансовой поддержке ИТЦ «СканЭкс». Предполагается, что микроспутник будет распространять изображения в непрерывном режиме передачи в реальном масштабе времени с пространственным разрешением 50 м в полосе шириной 400 км в четырех спектральных каналах (голубой, зеленый, красный и ближний ИК). Служебные подсистемы предполагается создать на базе столь новейших технических разработок, что любопытно их здесь процитировать. «Для трехосной ориентации изготовлены гиромаховики управления с максимальной частотой вращения более 90 000 об./мин. и массой 35 г каждый. В их конструкции использованы принципы плавающей подвески роторов, самые современные швейцарские и российские технологии, цифровое управление обмотками электромоторов и интеллектуальный контроль управляющего и кинетического момента. В подсистеме ориентации в качестве датчиков использованы высокоточный магнитометр массой 60 г и мощностью 0,1 Вт, электромагниты массой по 50 г, высокоточные солнечные датчики по 125 г. Все датчики интегрированы в микропроцессорную структуру, состоящую из четырех малопотребляющих микроконтроллеров DSP. Навигацию в космосе обеспечивает бортовой GPS-приемник массой 150 г вместе с антенной. Для коррекции параметров орбиты предназначена двигательная установка тягой 0.003 Н при удельном импульсе более 100 с и массой 100 г. Для передачи на Землю видеоизображений от оптической камеры разработаны передатчики со скоростью 32 Мбит/с при энергопотреблении 40 Вт и массе 1,6 кг. Информационный поток данных ДЗЗ с использованием этого передатчика достигает 60 Гбайт в сутки».
Отметим, что практически отсутствуют в классе микроспутников радиовещательные и телевизионные спутники. Это легко объясняется «законами сохранения» типа «отношения l к d», так как для работы вещательного передатчика нужна электроэнергия, запас которой определяется площадью солнечных батарей, а тогда … это уже будет не малый спутник. Для транспортировки электронных сообщений в режиме почтового ящика или персональной связи, не потребляющих много электроэнергии, малые спутники использовались с 60-х годов, вначале в интересах силовых ведомств под названием «Стрела-1» и «Стрела-2», а затем в конверсированном виде под название «Гонец-Д». Масса аппарата составляет около 300 кг, скорость передачи данных 1,2—64 кбит/с, пропускная способность системы — 1000 Мбит/сутки. Зарубежные системы связи включают в себя микроспутники Orbcomm (масса от 22 до 28 кг), малые спутники Globalstar (масса 220 кг). Каждая из систем содержит в своем составе несколько десятков спутников, летающих на орбитах с разными аргументами восходящего узла, что приводит к более или менее равномерному покрытию земной поверхности их траекториями. Эти спутники скорее можно назвать связными, коммуникационными, но не радиовещательными.
Трудно дать в журнальной статье обзор малогабаритных спутников, число которых сегодня составляет несколько сотен. Хочу лишь привести несколько примеров микро— и наноспутников, которые определенно явились «законодателями мод» в области создания таких аппаратов:
• микроспутники UoSat, созданные в Университете графства Суррей и позже SSTL, с гравитационной штангой и токовыми катушками для обеспечения ориентации заданной оси спутника на Землю (эта система ориентации надолго стала объектом подражания для многих начинающих разработчиков микроспутников во всем мире);
• наноспутники TUBSat — результат работы группы молодежи под руководством профессора Удо Рейнера в Техническом университете Берлина — одни из первых стали снабжаться миниатюрными двигателями-маховиками, обеспечивающими прецизионное управление угловым движением;
• радиолюбительские спутники PACSAT положили начало широкому использованию магнитных систем ориентации.
В целом малые спутники привнесли много нового в технологию и, несомненно, дали возможность самореализоваться большому числу небольших по составу групп исследователей и инженеров, позволили обычным студентам с начала до конца пройти интереснейший путь — от идеи космического аппарата до его запуска и обработки результатов летных испытаний — и все это за время обучения.
Главный центр событийГлавный центр испытаний и управления космическими средствами имени Германа Титова Объект 413, он же ЗАТО (закрытое административно-территориальное образование) Голицыно-2, он же Краснознаменск разместился на 41-м километре Минского шоссе близ неприметной речушки Незнамовка. Отсюда координируется работа всех служб, обеспечивающих полет каждого космического аппарата, организуется взаимодействие с космодромами и заинтересованными организациями, постоянно оценивается обстановка на орбите и при необходимости координируется программа полета…
В представлении большинства людей Главный центр испытаний и управления космическими средствами всегда ассоциируется с Калининградским ЦУПом в Подмосковье, постоянно показываемым по телевидению. Но Калининградский (нынешний Королевский) ЦУП работает только с пилотируемыми аппаратами. Основной же объем работы со спутниками приходится на Краснознаменск. Отсюда идет связь практически со всеми нашими орбитальными системами — военными, научными, хозяйственного назначения, пилотируемыми и беспилотными, с отдельными командно-измерительными комплексами. Здесь же Центр управления глобальной навигационной спутниковой системой…
Проект комплекса для слежения за космическими аппаратами и управления ими Министерством обороны был разработан в НИИ МО под руководством генерал-лейтенанта А. И. Соколова и полковника Ю. А. Мозжорина. Комплекс первоначально состоял из двенадцати командно-измерительных пунктов (КИП), рассредоточенных по территории Советского Союза — Енисейск, Сары-Шаган, Тюра-Там, Елизово, Ключи, Новосибирск, Улан-Удэ, Красное Село, Симферополь и т. д., и Координационно-вычислительного центра (КВЦ) при НИИ-4 в подмосковном Болшево. На первых порах к работе привлекались также радиотехнические, астрономические, вычислительные средства других ведомств и их персонал. Первым же начальником Центра стал генерал — майор Андрей Витрук.