Конструктор космических спутников Фёдор Васильевич Митин рассказал журналу «Инноватор» о своих разработках

— Производство спутника сложный процесс. На каком этапе этого процесса применимы ваши разработки?

— Можно выделить этап разработки и этап производства. Я разрабатываю алгоритм управления для крупногабаритных спутников. Сначала идет математическое моделирование, создание прототипов, проверка новых идей, потом специальные предприятия создают спутник, проводят испытания на стенде имитирующем состояние невесомости. Сложность процесса разработки в том, что условия на Земле и космосе отличаются. В космосе силы тяжести малы, и можно огромные конструкции раскрывать и перемещать. В наземных же условиях, такие конструкции будут просто ломаться под собственным весом. Чем больше спутник, тем сложнее испытания.

— Какие виды спутников бывают, с какими вы непосредственно работаете?

— Спутники можно классифицировать по различным параметрам: по размерам, по способу раскрытия, по конструкции, по выполняемой миссии и так далее. Маленькие спутники, так называемые кубсаты (CubeSat, от англ. cube + satellite), делают студенческие конструкторские бюро, практически во всех университетах, кто связан с космосом. В одном ракета-носителе можно до сотни таких спутников упаковать. В космическом пространстве кубсаты работают недолго, довольно дешевы и для студенческих работ, для исследования оказались эффективными. Конкретно я занимаюсь крупногабаритными спутниками. Это 60-метровый рефлектор, то есть антенна 60-метровая, летающая в космосе. Такую конструкцию могут изготавливать только большие предприятия. В частности, вот в России их создает АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» под Красноярском. Они же, собственно, создают и ГЛОНАСС. Такие конструкции обладают рядом определенных свойств, именно с ними я и работаю. Такая крупногабаритная конструкция имеет большие моменты инерции, и при развертывании в космосе у нее наблюдаются длительные колебания. То есть, если я раскрою 30-метровую спицу и начну ее поворачивать, то у меня возникнут большие моменты инерции, и она будет длительное время колебаться, и эти колебания из-за того, что силы тяжести малы и другие силы, будут очень медленно затухать.

— В чем суть вашей новой системы управления?

— Я занимаюсь крупногабаритными трансформируемыми рефлекторами, спутниками с апертурой диаметром более 50 метров. Гигантские космические системы. Такие спутники позволяют хорошо видеть то, что происходит на поверхности Земли и исследовать глубины космоса с большой разрешительной способностью.Основная новизна моей разработки заключается в выборе оптимального алгоритма управления, то есть в оптимизации процесса раскрытия и настройки. Дело в том, что космические крупногабаритные спутники длительное время затухают. Например, сейчас, эксплуатируются спутники с такими диаметрами, что даже через полгода после вывода на орбиту, у них наблюдается длительное колебательное затухание, и спутник нельзя эксплуатировать. То есть трясется полотно сети, трясутся штанги. Только за счет внутренних диссерпативных сил идет затухание, поэтому он какое-то время не эксплуатируется, до полугода. А при том, что спутники подвержены возмущающим факторам, в частности радиации, которую выводит аппаратура, то где-то планируемая работа спутников до 15 лет на орбите. Поэтому полгода — это значительный временной интервал, который, конечно, хотелось бы эффективно использовать. Поэтому я применяю алгоритмы оптимального управления в режиме реального времени. И главным критерием является минимизация колебаний. Я разработал специальную математическую модель, специальные алгоритмы, которые позволяют в режиме реального времени, исследуя аппарат, раскрыть его с минимально возможным колебанием, и сократить вывод в рабочее положение спутника с 6 месяцев до 1 месяца. То есть в 6 раз быстрее спутник может начать свое функционирование. Также помимо системы раскрытия я занимался системой настройки радиоотражающего сетеполотна. Огромные спутники нельзя сделать жесткими. Отражающее сетеполотно — это как бы основная часть рабочей антенны, где фокусируется сигнал, оно выполнено из сетки. Дернешь за одну точку, и вся остальная сеть начнет, как волны, колебаться. Я вот занимался настройкой этого сетеполотна, его чтобы оно держало заданную форму. И при этом здесь главным критерием была минимизация энергетических затрат. Поскольку конструкция эксплуатируется в космическом пространстве, энергия накапливается только за счет солнечных батарей, ее не так много, и помимо уменьшения колебаний, необходимо также и минимизировать энергетические затраты.

— Используется ли ИИ в системе управления спутниками?

— В системе управления спутниками искусственный интеллект слабо используется. Он построен на обучении, на огромном опыте, на базе знаний, и на основе этого уже выбираются алгоритмы, как действовать. В системах, которые запускаются редко, отсутствует достаточная база знаний того, как поведет себя система в той или другой внештатной ситуации. В системе управления спутниками закладываются уже апробированные алгоритмы. На данном этапе, искусственный интеллект может подключаться просто как сборщик данных, чтобы анализировать поведение оператора, анализировать какие-то подборы команд. Учитывая, что любая ошибка в управлении спутником может привести к выходу его из строя, рисковать и обучать искусственный интеллект в процессе самоэксплуатации никто не берется. Поэтому на данный момент нет таких ближайших перспектив по использованию искусственного интеллекта именно в системе управления спутниками. Хотя наверняка наработки такие есть, но я в большом количестве их не видел.

— Как люди управлять спутниками с Земли, какие механизмы управления используются?

— На данный момент с Земли спутники напрямую фактически не управляется. Заранее закладывается какая-то программа управления, какая-то миссия на конкретный спутник и эту миссию спутники поддерживают. Иногда требуется корректировка, когда может оператор вмешаться и какой-то сигнал на спутник передавать. И то, все программы заранее рассчитаны, поэтому оператор может передавать какой-то конкретный заранее выбранный сценарий. Сейчас, фактически в компьютеры все программы заложены, необходимо просто следить за траектории спутника и за выполнением задач. И периодически собирать с него данные. Всегда есть какой-то алгоритм нештатный, при котором спутник надо или уничтожить, или сбросить его Землю, чтобы он сгорел в слоях атмосферы, или вывести на орбиту захоронения.

— Есть ли подобные разработки в других странах? можно ли говорить о “космической гонке” в вашей сфере деятельности?

— В других странах, конечно, такие разработки есть. Но, как я говорил, что только крупные производства могут делать крупногабаритные спутники. США, Европа, Китай и мы. Очень большую активность в этом направлении ведет Китай. Очень много различных конструкций, систем настройки, систем раскрытия. Те, кто занимается космосом, находятся в большой конкуренции. Все хотят сделать и опередить других. Это можно видеть на примере последних запусков аппаратов на Луну. Конечно, это всегда актуально, и тот, кто участвует в космической гонке, создает сам конструкцию спутника, его систему управления, тот развивает передовые науки. Поэтому гонка, она бывает затухает, но, я думаю, в космосе у нас бесконечные перспективы по исследованию и развитию.

— Сколько спутников с использованием ваших технологий уже запущено?

— Крупногабаритные спутники — это единичные экземпляры. Их дорого строить, испытывать, налаживать. Это целая научная работа и строятся они специально под какую-то конкретную задачу. Во всем мире запускается единицы таких спутников в десятилетия, поэтому серийности какой-то конечно нет. Мой алгоритм установлен на одном спутнике, но надеюсь, что за время его эксплуатации наберется какая-то база, как этот алгоритм себя покажет. Пока что спутник работает очень хорошо, никаких к нему претензий нет, но в дальнейшем при развитии этой тематики, то опыт эксплуатации одного спутника, конечно, перекинется на следующие рефлекторы и спутники.

— Сколько на орбите “свободных мест”? могут ли они закончиться из-за космического мусора?

— Здесь можно сравнить с поверхностью Земли. Радиус геостационарной орбиты 40-45 тысяч километров. То есть от поверхности Земли надо подняться еще на 40 тысяч километров, и там нарисовать сферу. Это будет вся площадь поверхности Земли, где летают большинство спутников. Понятно, что площадь такая будет в разы больше, чем поверхность Земли. Поэтому пространства, вокруг нашей Земли очень много. Но все спутники движутся, это создает определенные помехи друг к другу, тем более, когда они разрушаются, скапливается мусор, все это представляет собой опасность. Основная проблема — это не свободные места на орбите, а именно космический мусор. Причем в качестве космического мусора рассматриваются маленькие части, детали аппарата. Это все равно, что говорить про мусорные острова в Тихом океане. Скопление мелких частиц в каких-то определенных областях. Так и здесь, в космосе. На определенной орбите есть огромное количество мелких деталей, которые с большой скоростью вокруг нашей Земли летают. И в космическом пространстве, если даже такая маленькая деталь попадет, то она нанесет вред. Поэтому придумывают различные способы уборки этого космического мусора. Но ввиду размеров пространства, где эти частицы находятся, ввиду их количества, на данный момент времени их все отловить или вообще как-то улавливать, это достаточно проблематично. И рано или поздно это превратится действительно в колоссальную проблему. Поэтому сейчас уже хорошо, что об этом начали задумываться. Но представьте, что поверхность там даже нашей страны, если поднять на 40 тысяч километров и там разместить, то займет намного меньше в процентном соотношении этой поверхности, чем она на земле. Поэтому , эта проблема на будущее. Свободные места есть, и это, в частности, позволяет как раз запускать такие миссии, как Старлинк, огромное количество, которые еще низко к Земле подлетают. Мы тоже планируем аналог Старлинка запускать. Я думаю, спутников будет еще огромное количество, выведено, и места хватит всем.

— Вы выиграли грант Российского научного фонда «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» с тематикой «Разработка систем управления и энергоснабжения устройств корректировки формы рефлектора крупногабаритных трансформируемых конструкций с использованием активной части сетеполотна, позволяющих минимизировать энергетические затраты». Расскажите, насколько развита конкуренция в этой отрасли? насколько сложно получить финансирование?

— По итогам моего обучения в аспирантуре, когда у нас был университетский грант на космические исследования, я разработал алгоритм управления раскрытием и настройкой формы. По окончанию гранта остался огромный задел, огромные направления дальнейшего исследования, где можно что-то улучшить, добавить, применить. Все это повлияло на то, что родилась идея продолжить это исследование, только более углубленно, в определенные места. В частности, по управлению сосредоточиться и конструктивно использовать активную часть сети полотна. Здесь стоит отметить, что я до этого выигрывал различные единичные гранты, где одним ученым проводятся исследования. И после этого, могу сказать, что хотелось попробовать именно с группой. Поскольку одному ученому сложно сделать какое-то глобальное исследование в какой-то хотя бы прикладной области. Это больше фундаментальные исследования или более узкие решения маленького, небольшого технического вопроса. Группа ученых позволяет сделать более широкий охват. Поэтому я как руководителем выступил и собрал аспирантов, которые вместе со мной учились в ВУЗе, работали в том числе и по тематике гранта. И вместе с ними мы решили податься на грант Российского научного фонда. Конкуренция именно в космической отрасли большая, но еще раз повторюсь, что космические крупногабаритные спутники, которые я исследую, это единичные изделия. Всего несколько компаний в мире, кто может это делать. Поэтому не так много подходов, не так много исследованного применения управления для таких систем. И не так много есть практических реализаций каких-то действительно работающих спутников, где можно это сверить и посмотреть. Конкуренция большая, но малая практика, поэтому приходится очень много исследовать, очень много в разной литературе искать, копать, недостаточно информации по крупногабаритным рефлекторам. Ну, а по поводу финансирования, на тот момент я выиграл аспирантские гранты, гранты «Умник» фонда «Содействие и инновации», но они, конечно, отличаются от российского научного фонда. Также я участвовал еще в гранте РФФИ, Российского фонда фундаментальных исследований. С третьего раза прошли. У нас даже среди групп были споры, думали, с какого года мы пройдем. большинство были уверены, что с пятого, но прошли с третьего.

— Раньше все мечтали стать космонавтом. Можно ли сказать что работа в космической отрасли сегодня- престижна?

— На мой взгляд, исследование космоса – это бесконечная тема для человечества. Со времен Циолковского появилась идея русского космизма, что Земля — это колыбель человечества, и мы должны рано или поздно отсюда улететь, то это стало еще более осязаемо, более понятно, что для этого надо делать. Если обратиться к ценностям денежным, то космическая отрасль не настолько прибыльна, но сам факт исследования чего-то загадочного, нового, неизвестного всегда является привлекательным. Поэтому космос всегда будет находить своих героев, всегда будет находить интересующихся людей. И всегда это все, что связано с космосом, всегда будет престижно, интересно. Я думаю, это бесконечное направление, куда можно с разных совершенно сторон подходить, рассматривать, и всегда все будет интересно и ново. Там огромное количество открытий.