От 10 до 25 тысяч долларов за килограмм — примерно столько стоит вывод груза на низкую околоземную орбиту. Тем не менее построить спутник и запустить его в космос может даже студент. Особенно если это студент Сколтеха, а сам аппарат относится к классу «кубсат».
9 августа 2022 года ракета-носитель «Союз-2.1б» вывела на низкую околоземную орбиту пару спутников близнецов: Skoltech B1 и Skoltech B2. Им предстояло продемонстрировать разработанную в Сколтехе технологию прямой межспутниковой связи без участия наземной инфраструктуры. Skoltech B1, оснащенный гамма-детектором, передал результаты наблюдений своему собрату через расстояние в 2700 километров.
Звучит как многомиллионный исследовательский проект, но нет: спутники спроектировала и своими руками создала небольшая команда из Лаборатории микроспутниковых систем Центра системного проектирования Сколтеха.
Орбитальный посев
Рассказывая о спутниках, инженер Павел Колесников периодически берет в руки их макеты в натуральную величину. В ящике стола помещается четыре спутника, в коробку из-под ксерокса войдет шесть или восемь. Такие аппараты массой от 1 до 10 кг принято называть наноспутниками. Есть еще микроспутники (10–100 кг) и миниспутники (200–600 кг) — к последним относятся, например, Starlink.
На рубеже тысячелетий в двух американских университетах — Стенфордском и Калифорнийском политехническом — родился стандарт наноспутников кубической формы, кубсатов (CubeSat). Они могут иметь практически любое устройство и полезную нагрузку, но должны обладать габаритами и массой, кратными одному «юниту» (1U): прямоугольному параллелепипеду со сторонами 10 на 10 на 11,35 сантиметров и массой не более двух килограмм. Почему именно 10 на 10? На тот момент это были минимальные размеры объекта, который американская инфраструктура радиолокационного наблюдения могла уверенно отслеживать в режиме реального времени.
Стандартизация габаритов позволяет выводить спутники на орбиту «оптом». Кубсаты помещаются в специальные контейнеры (диспенсеры), которые крепятся на верхнюю ступень ракеты или разгонный блок рядом с основной полезной нагрузкой. Выполнив главную задачу, разгонный блок слегка меняет орбиту. Там диспенсеры по очереди открываются и кубсаты пружиной выбрасываются в разные стороны. Так по цене одного запуска выводится сразу несколько десятков, а иногда и сотен космических аппаратов.
Павел Колесников, инженер Лаборатории микроспутниковых систем Сколтеха: «Некоторые профильные университеты до сих пор учат, что „спутников меньше двухсот килограмм не бывает“. Мол, вся мелочевка — это несерьезно, игрушка. Хотя вот же перед нами полноценный космический аппарат, спутниковая платформа с полезной нагрузкой. Благодаря миниатюризации современной электроники в такой габарит умещаются и трехкратно резервированная бортовая вычислительная машина, и подсистемы энергоснабжения, ориентации и стабилизации. Причем остается место для полезной нагрузки, достаточной для выполнения „взрослых“ задач — наблюдения за Землей в разных диапазонах, радиолокационного зондирования, астрономических исследований, например, с помощью детекторов высокоэнергетических частиц или даже телескопов».
Спутник из каталога
Малые спутники позволяют сэкономить не только на запуске, но и на компонентной базе. Традиционные, большие аппараты разрабатываются по нормам, едва ли не более суровым, чем военная приемка. В них применяются сертифицированные вибро-, термо- и радиационно стойкие детали с многократным запасом надежности. В наноспутниках используют электронику промышленного уровня — ту, что ставится в станки, автомобили и другую «земную» технику повышенной надежности.
Идея использовать коммерчески доступные готовые продукты (Commercial-off-the-shelf, COTS) в космонавтике не нова. Но никто в отрасли не мог позволить себе рисковать надежностью и опробовать их на дорогих «больших» аппаратах — слишком высока цена отказа. С появлением компактных и недорогих для выведения спутниковых платформ возможность таких испытаний боем появилась — и COTS-компоненты показали себя отлично. Это неудивительно: к примеру, в современном автомобиле работают десятки компьютеров, управляющих двигателем, трансмиссией, системой активной безопасности. Все они должны много лет безотказно работать в широком диапазоне температури при высокой вибрационной нагрузке. В космосеусловия даже проще!
Некоторые наименее требовательные к отказоустойчивости компоненты микро- и наноспутников и вовсе выполняются на базе электроники потребительского уровня — так, например, в модулях полезной нагрузки студенческих спутников можно встретить одноплатные компьютеры Raspberry Pi.
Наиболее распространенный форм-фактор кубсатов — 3U, то есть он имеет длину 34 сантиметра, а ширину и глубину — те же 10 сантиметров. Спутники Skoltech B1 и B2 как раз такие. В столь малый габарит можно уместить многое. Рядомс непосредственно платформой, то есть системами управления, энергообеспечения и ориентации, остается один или даже два «юнита» под полезную нагрузку. В ее роли могут выступать камеры, научные инструменты, радиооборудование связи или радары — фактически что угодно, чему достаточно ограниченных возможностей по электропитанию. Это, пожалуй, единственный сдерживающий фактор, в кубсате трудно разместить большие солнечные панели и емкие аккумуляторы.
Малые спутники уже изменили космическуюотрасль. По состоянию на январь 2024 года Европейское космическое агентство оценивало количество действующих спутников в околоземном пространстве в 9100 единиц. Если вычесть 6300 аппаратов Starlink (которые тоже малые спутники), половина оставшихся — аппараты легче полутонны, из которых не менее трех сотен — кубсаты. И большая их часть выполняет серьезные научные или инженерные задачи.
Павел Колесников: «Сейчас научную задачу предлагается дробить на фрагменты, для которых такой малый аппарат достаточен. При этом спутник получается узкоспециализированным — у него нет кучи инструментов, между которыми надо переключаться, давать каждому сеансы связи, ориентировать платформу в разные стороны разными антеннами или объективами. Это удобнее и надежнее: ошибка в аппарате за десять миллионов с десятью разными инструментами (который еще и строится десять лет) запросто приводит к потере всех инструментов и миллионов (и лет жизни). А в нашем случае — ну вышел из строя один инструмент или один аппарат, так осталось еще девять, и они выполнили каждый свою задачу. Причем суммарно это быстрее и дешевле одного „большого“ спутника, можно вместо выбывшего кубсата запустить еще один или два с уже исправленными недочетами».
Конструктор для продвинутых
Кубсаты не зря называют студенческими спутниками. Их часто создают учащиеся высших, а порой и средних учебных заведений. Техническая документация на COTS-компоненты легко ищется в Сети, а в развитом сообществе промышленных инженеров и программистов всегда можно получить консультацию.
Хотя порог вхождения в космическую отрасль все же существует. Код пишется на си или ассемблере, а значит, разработчик должен досконально знать особенности применяемого железа. Вдобавок использование коммерчески доступных компонентов вовсе не означает, что можно заказать готовые детали на «Алиэкспресс» и соединить их разъемами. В каждом случае под платформу космического аппарата и его полезную нагрузку вся электроника проектируется с нуля: разводка плат, их коммутация друг с другом, обвязка питания и еще сотни мелочей.
Готовыми решениями в этой картине выступают лишь сами микросхемы и прочие микроэлемен ты на платах, аккумуляторы да провода, а также стандартизированные промышленные интерфейсы и протоколы. Иными словами, создателю микроспутников не удастся быть только программистом или только инженером — роли придется совмещать и, поработав с кодом, браться за паяльник. Роскошь иметь в команде отдельных специалистов по программному и аппаратному обеспечению редко доступна студенческим и образовательным проектам.
Наконец, нельзя забывать, что космос не прощает даже малейших недочетов. Например, пайка компонентов всегда должна проверяться вакуумной камерой — оставшийся в капле припоя пузырек газа на высоте 500 километров просто оторвет «ногу» микросхемы от дорожки. При тестировании прототипа платы нужно проверять все, даже самые маловероятные сценарии, для чего помимо самой платы потребуется создать программно-аппаратный комплекс тестирования.
Павел Колесников: «Выведение наноспутников намного дешевле, чем больших аппаратов. Тем не менее это все равно существенные суммы для отдельных образовательных учреждений и исследовательских организаций, поэтому их финансируют по грантовой программе. Наши спутники B1 и B2 выводились при поддержке Фонда содействия инновациям (Фонд Бортника) в рамках научно-образовательного проекта Space-X. Такая схема позволяет проводить поистине фантастические эксперименты тем, для кого это раньше казалось немыслимым: взять, например, спутник „Сирень“, созданный Белгородским государственным университетом, — он несет на борту веточки сирени, которые растут в космосе».
Кадровая траектория
На картинках космонавтика — это романтика и футуризм. На деле — консервативная отрасль с высочайшими требованиями к сотрудникам. Чтобы стать частью значимого и интересного проекта, новоиспеченный специалист должен годами выполнять рутинные задачи с минимальной ответственностью — довольно непривлекательная перспектива для молодых людей.
Малые космические аппараты — это трамплин как для новых технологий, так и для новых кадров.
С кубсатов начинали многие стартапы, ныне обладающие большими спутниковыми группировками. Например, американская компания Planet Labs в 2013 году запустила свои первые кубсаты Dove 1 и Dove 2, а сегодня ее система PlanetScope насчитывает более двухсот спутников, непрерывно сканирующих Землю. Микро- и наноспутники позволяют молодым инженерам набить руку и проверить свои идеи в деле. Это направление развития особенно важно и находится в списке ключевых задач «Роскосмоса» — а значит те, кто сегодня учится делать микроспутники, имеют высокие шансы найти себе место в отечественной космонавтике завтра.
Павел Колесников: «На заре космонавтики у конструкторов — у Королева, у фон Брауна — было право на ошибку; они экспериментировали и регулярно сталкивались с неудачами. Но зато потом могли сказать: «Вот теперь мы знаем, как не надо было делать». Позднее космонавтика законсервировалась, стала догматичной. По множеству причин. А в новую космическую эру, New Space, как называют в отрасли текущую эпоху, у нас снова появилось это право на ошибку. Микроспутники позволяют ставить эксперименты, быстро проверять новые решения, а самое главное — постоянно учиться самим и учить новых инженеров на практике, а не по устаревающим методичкам».
Текст — Василий Парфёнов
Источник — «Цифровой океан»