Все легче и больше. Почему малые космические аппараты заполняют космос?

Заметка подготовлена по материалам беседы с Натальей Завьяловой, заведующей лабораторией моделирования механических систем и процессов

Мы уже рассказывали, где сегодня используются спутниковые группировки. Из этой статьи вы узнаете, какие изменения в мире и технологиях позволили так расширить сферу их применения. А также расскажем, какие университетские курсы пригодятся при проектировании спутниковых группировок.

Почему стало так много компаний, запускающих спутники?

Большое влияние на это оказала доступность наработок в области космической техники для коммерческого использования. В последние годы государственные космические агентства, включая NASA, стали открывать доступ к многим своим патентам. Множество технологий, которые разрабатывались годами, стали доступны для частных компаний и привлекли таких миллиардеров, как Илон Маск и Джефф Безос. Сейчас крупные компании, такие как Amazon, Space X и Google, создают свои спутниковые группировки. В России, например, свою группировку развивает «Бюро 1440» в стратегическом партнерстве с компанией «Мегафон», а также Sitronics имеет свой проект группировки.

Коммерческие компании уделяют большое внимание оценке рисков, анализу рынка и принятию решений о том, насколько перспективно создание своих группировок или покупка услуг у других компаний. Это увеличивает шансы группировки на успех. Хотя риски в этой области всё еще очень высоки.

Как изменились технологии производства спутников?

Производство космических аппаратов переходит на конвейер. Если раньше за год могли собрать десятки спутников, то теперь — тысячи, по несколько аппаратов в день. Это требует значительной цифровизации и автоматизации проектирования и производства. И, к сожалению, Россия в этой области пока отстает.

Есть несколько важных изменений в производстве. Первое — переход на цифровое моделирование. Многие испытания теперь также проводятся «в цифре». Например, отдельные этапы наземной экспериментальной отработки и испытаний. Моделирование позволяет показать функционал изделия, рассчитать как оно будет себя вести, а высокий уровень промышленного производства гарантирует, что все компоненты будут сделаны хорошо и конечный экземпляр будет работать как модель. Если на моделировании подтвердились требуемые характеристики, то наземная отработка и испытания не нужны, можно сразу запускать в космос.

Второе — отказ от демонстраторов. Цикл разработки аппарата обычно включает изготовление демонстратора. Это космический аппарат, объединяющий в себе новые технологии, который запускают и испытывают в космосе. Для того, чтобы вывести его на орбиту, нужно пройти некоторый цикл испытаний, ожидание на космодроме. Если этот космический аппарат является не основным, а попутной нагрузкой, то запуск может откладываться. Потом его выводят на орбиту и смотрят, как ведут себя отдельные системы в реальных условиях температурных перепадов, воздействия радиоактивных излучений. И, если при отработке понимают, что не все хорошо работает, то цикл повторяется. И вот эту стадию с демонстраторами тоже можно отменить и заменить моделью. Кроме того промышленно изготавливают и запускают сразу небольшую серию космических аппаратов.

Как изменились сами аппараты?

Уменьшилась их масса. Раньше использовались тяжелые и большие аппараты, но сейчас для решения тех же задач часто запускают несколько маленьких. В аппаратах используются дешевые индустриальные компоненты вместо разработки уникальных экземпляров аппаратуры для каждого из них. Это позволяет сильно сэкономить, но такие компоненты не предназначены для работы в тяжелых условиях, поэтому требуется проектировать систему и программировать алгоритмы так, чтобы программа продолжала работать даже при сбоях некоторых элементов вычислителя из-за излучения. Это требует высокой квалификации от программистов.

Существенному росту спутниковых группировок способствовало появление технологии, которая называется кубсат (от англ. CubeSat). Этот формат появился в 90-х годах и позволил значительно снизить стоимость космических аппаратов. Если раньше запуск спутников был доступен только государству и крупным промышленным компаниям, то с появлением этой технологии космос стал доступен частным компаниям и даже студентам.

В первую очередь технология стандартизирует космические аппараты. Аэрокосмические инженеры Джорди Пуиг-Суари и Боб Твиг придумали сделать специального рода контейнер, который гарантирует, что космический аппарат внутри не развалится. В этот контейнер помещался маленький кубический космический аппарат, поэтому он и начал называться CubeSat.

Размер и вес «кубика» строго ограничены — один кубический дециметр, или 1U (unit). Такая технология к тому же позволяет сократить цикл испытаний на вибрационную стойкость или на удар. Потом размер контейнера расширили до 3U, то есть три кубика, потом до 6U, до 12U. Например, компания Point Labs, специализирующаяся на дистанционном зондировании земли, запустила уже 540 космических аппаратов размером 3U. Они зондируют землю, за сутки несколько раз полностью обновляют информацию о всем земном шаре. Сейчас при желании можно обновлять Google Maps раз в сутки или даже чаще. Они также хорошо снимают изменения, например, состояния почвы. Можно отследить в течение лета изменения по всем срезам, потом сделать прогноз на урожайность и как в дальнейшем использовать эти почвы. Такие спутники помогают следить за сухостью леса, за распространением саранчи — все это отлично видно в мультиспектральной съемке.

По данным Nanosats, к августу 2022 года на орбиту было выведено почти 2000 «кубиков».

Какие знания нужны для проектирования спутниковых группировок?

Специалист должен понимать, из каких этапов и блоков состоит проект космической техники, какие могут быть слабые и сильные места. Также для малых аппаратов важно понимать тепловые и электрические процессы на платах, принципы электромагнитной совместимости. Необходимы знания физики различных видов излучения, умение решать уравнения Максвелла, а также рассчитывать упруго-прочностные характеристики - у космического аппарата есть собственные колебательные частоты, и при повороте и попытке его стабилизировать он может не стабилизироваться именно из-за колебаний. В общем, требуется разбираться в физике прочности — от акустических колебаний до термоупругости.

Проектировать спутниковые группировки и управлять ими учат на программах Геокосмические науки и технологии и Техническая физика космических летательных аппаратов. Подача документов открыта до 25 июля.