Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

SMALL SPACECRAFT – NEW DIRECTION IN SPACE ACTIVITIES

Research article
Ganswind I.N.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.053
Issue: № 12 (78), 2018
Published:
2018/12/19
PDF

МАЛЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ – НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Научная статья

Гансвинд И. Н. *

ORCID: 0000-0002-9468-6490,

Научный геоинформационный центр РАН (НГИЦ РАН), Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (ignik-1g[at]yandex.ru)

Аннотация

Рассмотрены изменения в области космической деятельности связанные с практикой использования малых космических аппаратов. Радикальное отличие состоит в создании многоспутниковых орбитальных группировок, обеспечивающих непрерывное обновление данных наблюдений. Относительно низкая величина затрат на разработку, изготовление и выведение на орбиту объясняет превращение малых спутников в массовый продукт, доступность их использования в образовательном процессе, дистанционном зондировании Земли, мониторинге чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий, для отработки новых технологий и систем, в научных исследованиях космического пространства и Земли. Широкое применение малых космических аппаратов служит стимулом разработки инновационных технологий совершенствования служебных систем и целевой аппаратуры спутников. Выявлены основные проблемы использования малых аппаратов в российской космической отрасли и предложено их решение на пути разработки отечественного стандарта малых спутников.

Ключевые слова: малые космические аппараты, орбитальные группировки, дистанционное зондирование Земли, космические исследования, университетские разработки, спутниковые платформы и целевая аппаратура.

SMALL SPACECRAFT – NEW DIRECTION IN SPACE ACTIVITIES

Research article

Ganswind I.N. *

ORCID: 0000-0002-9468-6490,

Scientific Geo-information Centre of the Russian Academy of Sciences (SGIC of RAS), Moscow, Russia

* Corresponding author (ignik-1g[at]yandex.ru)

Abstract

The article considers changes in the field of space activities associated with the use of small spacecraft. Radical difference is in the creation of multi-satellite orbital groupings providing continuous updating of observational data. The cost of the development is relatively low, as well as manufacturing and launching into orbit which explains the transformation of small satellites into a mass product, the availability of their use in the educational process, remote sensing of the Earth, monitoring of emergencies and natural disasters, introducing them into the development of new technologies and systems, outer space research and the Earth. Widespread use of small spacecraft is an incentive for the development of innovative technologies aimed at improving service systems and satellite target equipment. The main problems of using small spacecraft in the Russian space industry are identified and their solution on the way of developing the domestic standard of small satellites is proposed.

Keywords: small spacecraft, orbital constellations, remote sensing of the Earth, space research, university developments, satellite platforms and target equipment.

Введение

Спутники на низких околоземных орбитах открыли возможность эксплуатации такого ресурса космоса, как получение изображений любого участка планеты и объектов её поверхности. Этот ресурс прежде всего был использован в интересах видовой разведки, предъявившей к космической съёмке требования высокодетального разрешения на местности и точной геопривязки.

В 1992 году был принят «Закон о политике США в области дистанционного зондирования Земли» (Land Remote Sensing Policy Act), разрешивший создавать частные спутники наблюдения Земли. К первому поколению коммерческих спутников высокого разрешения относятся Iconos и Quick Bird с сопоставимыми характеристиками съёмочных систем и качеством изображений земной поверхности. Изготовленный корпорацией Lockheed Martin для компании GeoEye первый коммерческий спутник субметрового разрешения, 0.81 м в панхроматическом канале, Ikonos активно проработал 16 лет (1999 – 2015).

Источником финансирования для создания и запуска двух коммерческих аппаратов дистанционного зондирования Земли ( ДЗЗ) второго поколения с пространственным разрешением лучше 0.5 м WorldView-1 и GeoEye-1 компаний Digital Globe и GeoEye   стало Управление геопространственной разведки NGA (National Geospatial–Intelligence Agency), заинтересованные в привлечении ресурсов коммерческих КА для решения задач обзорной видовой разведки [1, C. 151].  Спутники третьего поколения, обладающие 30-сантиметровым пространственным разрешением, World View-3, выведенный на солнечно-синхронную орбиту в августе 2014, и World View-4 (ранее GeoEye-2), запущенный в ноябре 2016 года, обеспечили компании Digital Global лидирующее положение на мировом рынке геоданных.

Вместе с совершенствованием съёмочных и служебных систем увеличивалась и масса спутников: если масса КА Ikonos составляла 726 кг, то массы World View-2 и World View-3 достигали 2800 кг. Рост массы КА влечет за собой резкое удорожание стоимости проекта. Общая стоимость нового спутника сверхдетального наблюдения в группировке, World View-4, с учетом запуска и страхования составила 835 млн долларов.

Преобладание на мировом рынке геоданных, поступающих в основном от спутников, отвечающих на запросы видовой разведки, объясняет трудности в решении проблем сбора данных о природных ресурсах, состоянии биосистем, окружающей среде и т.п. В дистанционном зондировании Земли сложилась парадоксальная ситуация, когда при наличии на околоземных орбитах многих спутников дистанционной съёмки не обеспечен обзор с минимальным временным интервальным любого района Земли в случае стихийного бедствия или природно-технической ситуации опасного характера, когда возникает необходимость оперативной оценки обстановки и информационного обеспечения аварийно-спасательных работ.  Решение этой проблемы было найдено на пути создания международной хартии «Космос и стихийные бедствия», открывшей возможность в случае стихийных бедствий использовать снимки со спутников, принадлежащих частным компаниям, национальным и международным космическим агентствам.

Потребность в систематической сплошной съёмке всей земной поверхности с минимальным временным интервалом между просмотрами любого района Земли при оправданных затратах вызвала коренные изменения сложившейся структуры космических средств ДЗЗ и методов представления геоданных. Переход от детальной съёмки тех или иных объектов или территорий к систематической глобальной съёмке позволил обеспечить регулярную обновляемость растрового покрытия и устранить неодинаковую детализацию и/или разновременность данных в покрытии съёмкой отдельных территорий. Спутниковые навигационные системы, региональные (европейская, китайская) и глобальные (GPS, ГЛОНАСС), кардинально упростили получение координатной информации и позволили перейти к использованию в геопродуктах географических координат взамен картографических, что позволяет геометрически корректно целиком представить Землю в форме цифрового глобуса. Необходимость обработки обновляемых аэрокосмических изображений глобального охвата и обеспечения доступа к ним потребителей привела к новому подходу в работе с географической информацией, объединившему возможности космических, геоинформационных и сетевых технологий – геопорталов и интерфейсов. Карты Google и Google Earth, проект в рамках которого в сети Интернет размещены спутниковые и аэрофотоизображения всей земной поверхности с использованием трехмерной модели при помощи интерфейсов DirectXи OpenGL

Систематическая глобальная съёмка обеспечивается весьма большим числом спутников ДЗЗ, расположенных на одинаковых по высоте и наклонению орбитах. Создание, развертывание и дальнейшая эксплуатация спутниковых группировок при оправданных затратах стало возможным благодаря миниатюризации и удешевлению производства космических аппаратов. Возможность миниатюризации конструкции космического аппарата (КА), служебных и съёмочных систем без ущерба для функциональных характеристик обеспечили достижения в области электроники, вычислительной техники, материаловедения [2, C. 15-23].

Становление, начальный этап и направления развития малых космических аппаратов

Малые космические аппараты появились как опытные образцы исследований и разработок выполненных в университетах США, Великобритании, Канады и Японии в рамках образовательного процесса подготовки специалистов с личным опытом в спутниковых технологиях, космическом приборостроении, анализе научных данных и в технике моделирования.

Малые спутники стандарта Cube Sat типоразмера 10х10х10 см с массой около 1 кг предложил Роберт Твиггс (Robert Twiggs), профессор Стэнфордского университета (Пало-Альто, шт. Калифорния, США), имея в виду, что каждый сможет создать собственный наноспутник. Стоимость «кубсата» оценивалась в 50 тыс. долларов с учетом целевой аппаратуры и запуска в составе дополнительного груза. Эндрю Калман (E. Kalman), основатель фирмы Pumpkin Inc и консультант этого университета, помог Р. Твиггсу сократить время изготовления «кубсата» до нескольких месяцев в соответствии с учебным планом.

Компания Pumpkin Inc выпустила на рынок типовой набор CubeSatKit для сборки «кубсатов». Набор состоит из алюминиевого корпуса, модуля с материнской платой, памятью, стандартной электроникой, программного обеспечения с использованием протоколов SpacePlug-and-Playarchitecture (SPA-1) и процессоров, прошедших испытания на вибростенде, в термо- и барокамере. Стоимость набора 7500 долларов. В 2010 году Pumpkin Inc начала производить CubeSatKit 3Uдля наноспутников размера 10х10х34 см и массой 4.5 кг. Модели 1U – 3Uотносятся к наноспутникам, занимающим в международной классификации по массе место между пикоспутниками (до 1 кг) и микроспутниками (от 10 до 100 кг).

Стандартизация позволила сократить время разработки КА от замысла до готовности к запуску и затраты на производство. Отказ от комплектующих космического назначения и переход к электронике из каталогов (components-off-the-shelf), использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) привели к снижению стоимости модели 1U CubeSat до 65-80 тыс. долларов, около половины из них приходится на услуги по запуску. При переходе от больших КА (с массой, превышающей 1000 кг) к наноспутникам затраты на один килограмм массы снижаются с 3.16 млн до 0.4 млн долларов [3, C. 15-23].

Систематическую глобальную съёмку поверхности Земли выполняет группировка МКА фирмы Planet для которой были выведены на солнечно-синхронную орбиту ( ССО) 5 МКА SkySat и 12 Flock-2p, с борта МКС запущено 8 Flock-2E [4, C. 49-51]. Спутники SkySat массой 120 кг имеют пространственное разрешение в панхроматическом канале 0.72 м; таким разрешением обладал большой и дорогой спутник Iconos, запущенный в сентябре 1999 г. В 2017 году спутниковую группировку ДЗЗ фирмы Planet дополнили 139 спутников Flock разных модификаций и 6 SkySat, выведенных на cолнечно-синхронную орбиту (ССО) [5. C. 22-25].

Значение этапов жизненного цикла наноспутников по сравнению с крупными существенно изменилось. Ограничения по объёму и массе сделали невозможным резервирование систем и другие меры повышения надежности, если они связаны с увеличением массы. Запуск сразу многих однотипных аппаратов позволяет выявить большую часть замечаний и недостатков, поэтому летно-конструкторские испытания выходят на передний план в устранении недоработок и просчетов.

Многократное снижение затрат на разработку, изготовление и выведение на орбиту позволило использовать малые космические аппараты ( МКА) для отработки и получения лётной квалификации новых элементов и систем аппаратов, совершенствования их характеристик.

Поддержание орбитальной структуры спутниковой группировки предполагает наличие на борту двигательной установки, однако оснащение МКА корректирующим двигателем сдерживается весовыми ограничениями. Требования к двигательной установке и запасу характеристической скорости определяется задачей разведения космических аппаратов по фазе в каждой из орбитальных плоскостей и поддержания фазы при эксплуатации, затратами на компенсацию атмосферного торможения.

Операционные спутники SkySat сверхвысокого разрешения, входящие в группировку малых КА ДЗЗ компании Planet оснащены двигательной установкой HPGP-101 (High Performance Green Propellant) на малотоксичном однокомпонентном топливе LMP-1035, разработанном голандско-шведской компанией ECAPS. Топливо, динитроамид аммония (ADN) с плотностью 1.84 г/см3, при нагревании до температуры выше 135 оС начинает термически разлагаться на азот, кислород и воду. Монотопливо на основе водно-спиртового раствора ADN рассматривается как замена гидразина. Четыре микродвигателя двигательной установки тягой по 1 Н каждый имеют удельный импульс до 235 сек, работая при температуре 1600оС. Размер спутников SkySat второго поколения изготовленных фирмой SpaceSystems/Loral (SS/L) 60х60х95 см для размещения ДУ увеличен на 15 см, а масса выросла на 30 кг и составила 120 кг. В качестве альтернативы жидкостным двигателям рассматриваются электрореактивные двигательные установки.

Спутники-кубсаты размера 1,5 U с массой 2,2 кг Aerocube 8C и Aerocube 8D выведены на ССО ракетой-носителем Atlas V 11 ноября 2016 года в составе попутного груза из семи наноспутников для демонстрации технологий в интересах NRO, например, решений на основе углеродных нанотрубок. Однако, основной задачей является демонстрация масштабируемой ионной электрореактивной установки SiEPro (Scalable Ion-ElectroSpray Propulsion System).

Австрийский Pegasus, выведенный на ССО в групповом запуске с семью другими наноспутниками проекта QB 50 индийской ракетой PSLV-38 23 июня 2017 года использует импульсный электрический ракетный двигатель (ЭРД) МРРТ (Miniaturized Plasma Thruster), состоящий из четырех камер, размещенных на одной плате. Каждая камера массой 294 г потребляет мощность 2,5 Вт. Двигатель обеспечивает запас характеристической скорости 5,5 м/с.

Превращение малых космических аппаратов в массовый продукт усугубляет проблему космического мусора и ставит задачу сведения спутников с низкой орбиты путем увеличения аэродинамического торможения, а также управления движением посредством солнечного паруса. Британский тройной кубсат Inflate Sail массой 4 кг относится к наноспутникам проекта QB 50, как и Pegasus, и выведен на орбиту вместе с ним.

Спутник создан компанией SSC при Суррейском университете для испытания развертываемого пленочного паруса площадью 10 кв. м. После его раскрытия средняя высота орбиты с 24 июня по 17 июля уменьшилась с 496 до 475 км. Вместе с Inflate Sail  на орбиту запущен немецкий Drag Sail аналогичного назначения. Развертываемый парус для сведения с орбиты имеет на борту канадский CanX-7, тройной кубсат массой 3,5 кг, запущенный индийской ракетой PSLV-G, C35 26 сентября 2016 года в групповом запуске семи МКА.

Малый космический аппарат "Летающий ноутбук" (Flying Laptop), выведенный на ССО высотой около 600 км ракетой космического назначения "Союз-21А" с разгонным блоком "Фрегат-М" 14 июня 2017 года в кластере из 72 попутных нагрузок, объединяет почти все направления использования малых спутников - технологические и демонстрационные, ДЗЗ, научные эксперименты, прикладные задачи. Спутник размером 60х70х90 см с массой 110 кг разработан Институтом космических систем IRS в Штутгарте, ФРГ для демонстрации и сертификации новых технологий для МКА. Платформа с блоками управления и распределения питания обладает встроенными интеллектуальными свойствами: обнаружение и локализация отказов, восстановление работоспособности микропроцессора UT699LEON3FT, на базе которого разработан высокопроизводительный основной бортовой компьютер.  Новая  аппаратура служебных систем, которая проходит отработку в натурных условиях: литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторные батареи; система ориентации с точностью лучше 2,5 угл. минут; экспериментальная система высокоскоростной лазерной связи (скорость передачи данных до 100 Мбит/с); группа эффективных фотоэлектрических элементов; ПЛИС с функцией поддержки полезных нагрузок. Съёмка мультиспектральной камерой MICS выполняется под разными углами для изучения двухлучевой функции распределения отраженного света BRDF и производится в "прожекторном" режиме отслеживания объекта в поле зрения. Научная программа состоит в совместном с Техническим университетом Дании (DTV) эксперименте по применению звездных датчиков для обнаружения астероидов сближающихся с Землей.

Прикладное применение – мониторинг движения морских судов с помощью приемника сигналов системы автоматической идентификации AIS (Automatic Identification System) в сочетании со съёмочной системой MICS. Радиосигналы от судов поступают на частотах УКВ и содержат метки идентификации, местоположения и скорости судна.

Спутники низкоорбитальной группировки компании Spire Global Lemur-2 могут нести разную полезную нагрузку:

  1. Аппаратуру SENSE с приемником сигналов AIS;
  2. Аппаратуру STRATOS, состоящую из GPS-приемников, позволяющую измерять временную задержку и угол рефракции при прохождении сигналов системы GPS через атмосферу. Затменные наблюдения атмосферы группой спутников приносят данные о температуре, давлении и влажности на разных высотах.

Первые четыре спутника Lemur-2 были выведены на ССО высотой 650 км с индийского космодрома Шарихарикота ракетой-носителем PSLV-C30 (Polar Satellite Launch Vehicle) 28 сентября 2015 г вместе с другими попутными МКА. В 2016 г 8 МКА Lemur-2 были запущены с МКС и 4 выведены на ССО. В 2017 8 Lemur-2 с аппаратурой SENSE вывела на ССО РН PSLV-C37.  В запуске PHPSLV-XL C40 среди других попутных нагрузок выведены 4 Lemur-2.

В космической деятельности Великобритании ведущую роль играет компания Surrey Technology Ltd (SSTL), родоначальником которой является Университет Суррея, расположенный в городе Гилфорд, графство Суррей. Образованная как spin-off компания на базе университетских разработок и его космического центра Surrey Space Center (SSC) по инициативе сэра Мартина Свитинга (Martin Sweeting) в 1985 году, SSTL стала мировым лидером в технологии малых спутников. В процессе развертывания группировки DMC (Disaster Monitoring Constellation) для наблюдения за обстановкой в местах стихийных бедствий на орбиту выведено более десяти спутников трех поколений с оптической аппаратурой, способные посещать один и тот же район Земли по меньшей мере один раз в сутки. Спутники группировки принадлежат правительственным организациям разных стран – Алжира, Испании, Канады, Нигерии, Великобритании, Турции и Китая. Страны-владельцы спутников используют съёмку в своих интересах, выделяя часть ресурсов для мониторинга опасных природных явлений и их последствий. В 2016 году индийской ракетой PSLV-G C35 выведен на ССО алжирский спутник ДЗЗ AlSat-1B класса мини, построенный на платформе SSTL-100. На основе платформ SSTL-100 и -150 разработана платформа третьего поколения SSTL-300S1 с массой 218 кг обладающая функциями служебных систем электроснабжения, управления ориентацией и навигации, коррекции орбиты, терморегулирования, обработки и управления данными. Спутники DMC 3 со стартовой массой 447 кг, использующие эту платформу имеют на борту электрореактивную двигательную установку, развивающую тягу от 10 до 100 мН, которая при суммарных затратах ксенона 12 кг обеспечивает запас характеристической скорости 15 м/с.

В запуске PH PSLV-XL C40 12.01.2018 среди других попутных нагрузок выведен на ССО созданный SSTL спутник Carbonite-2  с массой 100 кг на платформе SSTL-42 для демонстрации возможностей использования дешевого МКА для съемки и передачи видео с орбиты. Используются коммерчески доступные телескопы с апертурой 0,25 м и HD-видеокамера.

Разрешение системы получения изображений 1-1,5 м, ширина полосы видеосъемки около 5 см. В конце миссии будет развернут тормозной парус, созданный в Университете Крэнфилда (Cranfield University). Первый аппарат серии был выведен на орбиту РН PSLV C28 июле 2015 г. под названием SВNT-1.

Глобальный сельско-хозяйственный мониторинг осуществляет группировка  из пяти спутников RapidEye массой по 154 кг, построенных на платформе Microsat-150 компании SST. Съёмочная оптикоэлектронная система (ОЭС) видимого и ближнего ИК диапазонов и канала на ближнем краю (690-730 нм) разработана компанией «Jena-Optonic GmbH» [1, C. 311, 312]. В сентябре 2015 г.эта группировка  перешла под управление компании Planet и вошла в состав группировки спутников Flock и SkySat.

Российские спутники ДЗЗ среднего размера (от 500 до 1000 кг) «Канопус» также построены на платформе SSTL-300S1 с размерами 0,9х0,9х0,75 м. Запущенный 14.02.2017 г. на ССО высотой около 500 км спутник «Канопус-В-ИК» кроме панхроматической и мультиспектральной камер располагает инфракрасной аппаратурой с двумя спектральными каналами предназначенной для мониторинга тепловыделения с пространственным разрешением 200 м и энергетическим разрешением позволяющим выделять очаги горения 5х5 м с точностью геопривязки 100 м. На борту установлены два плазменных двигателя СПД 500 разработки ОКБ «Факел» тягой 14 мН с запасом ксенона 26 кг. «Канопус-В-ИК» вошел в группировку с КА ««Канопус-В» №3 и №4 запущенными с космодрома «Восточный» в феврале 2017 г.[6, C. 40-47].

Спутник Германского космического агентства DRL BIROS (Berlin InfraRed Optical System) запущенный 22.06.2016 г. PH PSLV-XL на ССО высотой около 500 км предназначен для противопожарного мониторинга и оборудован тремя съемочными камерами: одна видимого и ближнего ИК-диапазонов и две двухканальные ИК-спектра с криогенным охлаждением. Миниспутник массой 130 кг имеет ДУ на сжатом газе с двумя микродвигателями тягой по 0,1 Н с запасом характеристической скорости 10 м/с. Бортовая обработка изображений трех камер служит для формирования информационного продукта FireProducts: координаты и время обнаружения, температура горения, площадь очага, длина горящей кромки и др. Однотипный КА ТЕТ-1, запущенный в 2012 г. вместе с ним образует систему FireBird для оперативного детектирования термоточек и температурных аномалий.

Спутниковые платформы, служебные системы и целевая аппаратура

Группировка компании Planet с миссией ежедневно получать изображение всей поверхности Земли при разрешении не хуже 5м, состоит из более 200 действующих спутников Dove (Flock) [7, C. 30 – 36] , 13 спутников субметрового разрешения SkySat и находящейся под управлением компании Planet системы глобального сльскохозяйственного мониторинга RapidEye.

Основой конструкции KA Flock и SkySat служит стандарт CubeSat. Наноспутник Flock, кубсат 3U, имеет при старте габариты10х10х32 см и массу 5-6 кг (рис. 1). Целевая аппаратура, оптико-электронная система с телескопом системы Максутова- Кассегрена, диаметр апертуры которого 91 мм и фокусное расстояние 11460 мм, занимает ьолее 90% объема наноспутника..Служебные системы: управления движением и ориентации, элекроснабжения, управления бортовым комплексом и взаимодействием с наземной инфраструктурой занимают оставшийся  объем в 0,25 л. Рекордная  плотность компоновки достигнута благодаря микроминиатюризации комплектующих, электроники и МЭМС (микроэлектромеханическим системам) , а также схемным решениям: совместное использование ресурсов (процессоров, ПЛИС) разными системами при отсутствии бортовой кабельной сети как таковой.

10-03-2019 18-33-24

Рис.1 – Наноспутник Flock-3M 3U CubeSat с массой около 5 кг. Разрешающая способность снимков 3-5 м

 

Спутники SkySat (рис. 2) размещены в четырех орбитальных плоскостях, разведение аппаратов по фазе в каждой из них и поддержание структуры группировки при эксплуатации достигается с помощью КДУ состоящей из четырёх микродвигателей тягой по 1 Н, работающих на «зеленом» топливе LMP-1035. Масса спутника около 110 кг, габариты (в полете) 0,6х0,6х0,95 м. Созданная стартапом SkyBox Imaging (позднее Terra Bella) запатентованная съёмочная аппаратура позволяет получать в панхроматическом диапазоне спектра изображения с разрешением 90 см при съёмке в надир в четырех спектральных каналах со стандартной расстановкой RGB и ближнем ИК (разрешение на местности 2 м). Возможна также видеосъёмка с разрешением 1,1 м в панхроме с частотой 30 кадров в секунду.

10-03-2019 18-34-45

Рис. 2 – Миниспутник SkySat-1, масса – 120 кг. Разрешение снимков – 0,9 м

 

Масса полезной нагрузки составляет 23 кг, телескоп выполнен по схеме Ричи-Кретьена, не имеет сферической аберрации и комы, диаметр апертуры 35 см, фокусное расстояние 3,6 м. Гиперболические зеркала телескопа изготовлены из карбида кремния. Точность наведения на цель оптической оси телескопа ±0,1о достигается с помощью двух звездных датчиков ST-16 фирмы Sinclair Interplanetary. Прибор массой 90 г с размерами 59х56х32 мм обеспечивает измерение положения в абсолютной системе координат с точностью порядка 10 угл. секунд. Высокую производительность съёмки обеспечивает перенацеливание со скоростью 3 угл. градуса/сек с ускорением 1,5 угл.градуса/сек2 при отклонении от надира на 20 угл. градусов. При маневрах двигатели-маховики потребляют до четверти средне-витковой мощности СЭС составляющей 120 Вт [8].

Стандарт CubeSat, разработанный для использования в образовательном процессе позволяет создавать универсальные спутники для решения довольно сложных научных задач. Сроки разработки проекта в части служебных систем сокращает использование системы управления движением и ориентацией XAST (fleXible ADCS Cube Sat Technology) фирмы Blue Canyon Technologies, занимающей объём 0,5 U в кубсате выбранного формфактора. Фирма BCT (Blue Canyon Technologies) разработала модифицируемую систему управления движением и ориентацией для космических аппаратов с размерами от большого «кубсата» до микроспутников с массой 100 кг.

Космические аппараты с размерами большими, чем у «кубсата» класса 24U с габаритами 50х50х75 см,  масса которых не превышает  80 кг, проектируются по модульному принципу: целевая аппаратура  устанавливается на платформе, обеспечивающей условия для её функционирования. Платформа располагает служебными системами, к ним относится система ориентации и управления движением, система энергоснабжения с солнечными батареями и аккумуляторами, система управления бортовым комплексом, сбором и обработкой целевой и телеметрической информации для передачи по линии борт-земля при взаимодействии с наземной инфраструктурой. Отношение массы полезной нагрузки к общей массе КА – один из важнейших критериев совершенства КА. Чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза можно доставить на рабочую орбиту, поэтому платформы оптимизируются под массу полезной нагрузки.

Проект Black Sky Global предусматривает формирование к 2020 году орбитальной группировки из 60 спутников ДЗЗ для глобальной мультиспектральной съёмки и видеосъёмки с метровым пространственным разрешением. Первый экспериментальный спутник Black Sky Pathfinder-1 разработан на базе платформы Sentry-400 с габаритами 0,84х0,98х0,41 м  Двигательная установка работает на сжатом бутане и при массе газа 3,6 кг обеспечивает запас характеристической скорости 60 м/с В состав будущей группировки войдут два аппарата на полярных орбитах и 58 КА в восьми плоскостях на наклонных орбитах в расчете на максимальную частоту просмотра до 40-70 пролетов в сутки для районов с широтами между ±55о, где проживает 90% населения Земли. Наземный комплекс будет располагать семнадцатью станциями приема и управления [9. C. 57, 58].

Массово-геометрические характеристики кубсатов с небольшой нагрузкой на мидель при произвольной ориентации аппарата, неустойчивого в набегающем потоке приводят к существенному аэродинамическому торможению на высоте орбиты МКС. Чтобы меньше тормозить, спутник должен быть ориентирован торцом корпуса и ребром солнечной батареи к потоку. Наноспутники Flock не оснащены ДУ, поэтому для поддержания структуры группировки была создана и отработана в полете методика модулирования аэродинамического сопротивления спутника при помощи изменения его ориентации. Разведение по фазе 28-ми МКА заняло 35 суток, при этом было уточнено значение коэффициентов аэродинамического сопротивления (Foster C.et al,2016). Срок баллистического существования большинства МКА, запущенных с МКС, не превышает одного года. Так за 2014 год успешно выведен с МКС 51 наноспутник, однако, до конца года прекратили существование из-за торможения в атмосфере 28 КА серии Flock-1a. В 2015 году с МКС запущены 50 МКА пятью группами, но из них лишь 38 сохранились на этой высоте.

Заключение

Потребность в систематической сплошной съёмке земной поверхности с минимальным временным интервалом между просмотрами любого района с приемлемыми затратами привела к коренным изменениям структуры космических средств ДЗЗ. Переход от съёмки тех или иных объектов или территорий тяжёлыми спутниками сверхдетального разрешения к систематической глобальной съёмке обеспечили многоспутниковые группировки МКА на низких околоземных орбитах при поддержании структуры размещения спутников в нескольких орбитальных плоскостях и восполнении численности по истечении срока активного существования или схода аппарата с орбиты.

Попутный запуск ракетами среднего класса не отвечает требованию быстрого и гибкого доступа МКА в космос поскольку сроки запуска попутных нагрузок определяются основной миссией ракеты-носителя. Создание лёгкого носителя позволит снизить затраты на выведение килограмма массы и удовлетворить растущий спрос на услуги запуска малых спутников. Существует устойчивая тенденция уменьшения массы космических аппаратов, по прогнозу Space Works до 2022г будет запущено порядка трёх тысяч КА  массой до 50 кг, что в разы больше ожидаемого количества пусков больших с массой превышающей 1000 кг.

Спутниковые навигационные системы позволили перейти к использованию географических координат взамен картографических и геометрически корректно представить Землю в форме цифрового глобуса. Необходимость обработки обновляемых изображений глобального охвата объёмом порядка 4,5Тбайт в сутки привела к новому подходу в работе с геоданными, объединившему возможности аэрокосмических, геоинформационных и сетевых технологий – геопорталов и интерфейсов и создать проект,в рамках которого в сети Интернет размещены карты Google и Google Earth. Через он-лайн – сервис Planet Platform доступен сервис “Мониторинг чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий,”позволяющий по запросу получить данные необходимые для прямых мер реагирования, планирования восстановительных операций в ходе развития ситуации.

Первые МКА появились как опытные образцы в результате исследований и разработок, выполненных в рамках образовательного процесса в университетах США, Великобритании, Канады и Японии.

NASA оказывает поддержку университетским проектам, использующим МКА для решения научных и прикладных задач. Учебное заведение, заключившее с NASA соглашение о сотрудничестве, получает финансирование в размере 100 тыс. долларов в год в течение двух лет и доступ к наземному оборудованию агентства для совместной работы. В рамках программы технологии малых космических аппаратов SSTP (Small Spacecraft Technology Program) ежегодно определяют от пяти до десяти победителей.

Российские университеты могут участвовать в программе бесплатного запуска своих спутников на российских средствах выведения. Этой возможностью пользуются в основном университеты, сотрудничающие с предприятиями ракетно-космического комплекса.

На протяжении нескольких лет студенты и специалисты Самарского государственного аэрокосмического университета во взаимодействии с АО РКЦ “Прогресс”участвовали в разработке и проектировании спутников АИСТ – 1 и -2 с размером 47x56x48см и массой 39кг. В качестве научно - образовательных эти спутники использовались для отработки служебных систем и изучения влияния внешней среды на конструкцию. Спутник ДЗЗ среднего размера “Аист-2Д” массой 531кгзапущен с космодрома ”Восточный” ракетой-носителем “Союз – 2,1а” 26апреля 2016г вместе с научным спутником “Ломоносов” [10, C. 49].

Во время выхода в открытый космос Федор Юрчихин и Сергей Рязанский 17.08.2017 г вручную запустили на орбиту МКС два кубсата «Танюша» ЮЗГУ формата 3U 10х10х30 см с массой 4, 65 кг и такого же формата спутник «Томск-ТПУ-120» посвященный 120-летию Томского государственного университета, доставленный на МКС ещё в апреле 2016 года [11, C. 19-23].

Микроспутник «Бауманец» был создан в результате сотрудничества МГТУ им. Баумана с ФГУП НПО «Машиностроение» к 175-летию университета. Спутник в форме куба с ребром 70 см и массой 87 кг имел на борту оптико-электронную съёмочную систему и научную аппаратуру для изучения прохождения миллиметровых радиоволн в атмосфере. При неудачном запуске конверсионной ракеты «Днепр» 26 июля 2006 года был потерян.

Работы по спутнику «Бауманец-2» проводили на протяжении нескольких лет. Миниспутник сохранил форму куба с ребром 70 см, обладал полезной нагрузкой массой 116,5 кг с оптико-электронной съёмочной системой, имеющей разрешение 18-38 м в четырех спектральных диапазонах. Бортовая вычислительная машина была создана из коммерческих комплектующих. Запуск с космодрома «Восточный» 28.11.2017 г. из-за ошибки в полетном задании разгонного блока «Фрегат» оказался неудачным и «Бауманец-2» был потерян.

После потерь «Бауманцев» неудачи с выведением на орбиту университетских малых спутников не прекратились. В июле 2017 из запущенных ракетой-носителем «Союз-2.1а» космических аппаратов в неработоспособном состоянии из-за неполадок в системе управления разгонным блоком «Фрегат-М» оказались три университетских спутника. Среди них одинарный кубсат массой 1 кг «Эквадор-UTE-ЮЗГУ», созданный с образовательными и научными целями студентами Юго-Западного государственного университета (г. Курск) и Экваториального технологического университета UTE (Universitat Technological Equinoccial, г. Кито, Эквадор). Еще один из потерянных – тройной кубсат Московского авиационного института «Искра-МАИ-85» 10х10х30 см с массой 4 кг выполнял летную квалификацию платформы с системой ориентации, разработанной ВНИИЭМ. Третий – тройной кубсат «Маяк», имеющий массу 3,55 кг, с системами электропитания и управления бортовым комплексом от БЦВМ для развертывания в космосе отражателя солнечного света. Спутник был создан инициативной группой при участии Московского политехнического института на средства, собранные на платформе BoomStarter и благодаря содействию НИИКАМ ЦПТА (Центр перспективных технологий и аппаратуры), НИИЯФ МГУ.

Россия располагает возможностями создания МКА для широкой области применений и средств их выведения, но упускает перспективы присутствия на растущем рынке МКА. Потребность в малых спутниках для создания крупных группировок различного назначения приводит к необходимости разработки отечественного стандарта МКА с целью снижения затрат на проектирование, производство, отработку и испытания и сокращения сроков реализации проектов. Действенная поддержка университетских разработок научно-образовательных МКА наряду с повышением качества подготовки специалистов ракетно-космической отрасли открыл бы  возможности инновационного совершенствования техники. Масштабный проект разработки и создания МКА привёл бы к расширению использования ресурсов космоса и достижению мировой конкурентоспособности на рынке малых спутников.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы

  1. Лебедев В. В. Проектирование систем космического мониторипга / В.В. Лебедев, И.Н. Гансвинд ; Науч. Геоинформ. центр РАН // М.: Наука, 2010. – 388 с.
  2. Севастьянов Н. Н. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли / Н. Н. Севастьянов, В. Н.Бранец, В. А Панченко и др. // Труды МФТИ. -  – Т.1. - №3 -  С. 15 – 23.
  3. Каширин А. В. Анализ современного состояния рынка наноспутников как прорывной инновации и возможности его развития в России / А. В. Каширин, И. И. Глебанова// Молодой ученый. – 2016. – Т.1 - №7. -  С. 15 – 23.
  4. Сводная таблица космических запусков, осуществленных в 2016 году // Новости космонавтики. – 2017. – Т.27 - №3 - С. 49-51.
  5. Сводная таблица космических запусков, осуществленных в 2017 году // Новости космонавтики. - – Т. 28 -  №3 – С. 22-25.
  6. Афанасьев И. Инфракрасный “Канопус”  и 72 попутчика / И.Афанасьев // Новости космонавтики. – 2017. – Т.27. - № 9 – С.40 – 47.
  7. Афанасьев И. Один большой и три маленьких. Индия выполнила рекордный по числу полезных нагрузок запуск. / И. Афанасьев, А. Кучейко // Новости космонавтики. – 2017. – Т. 27 - № 4 – С. 30 – 36
  8. Хромов А. Спутники ДЗЗ Sky Sat / А. Хромов // [электронный ресурс] /http:// www. Dauria.ru blog/ Sky Sat
  9. Кучейко А. Индийский пуск в интересах ДЗЗ и не только / А. Кучейко // Новости космонавтики. – 2016. – Т.26 - № 11 = С.57,58.
  10. Афанасьев И. “Аист – 2Д”: год на орбите / И. Афанасьев // Новости космонавтики. – 2017. – Т. 27 – № 6 – С.49
  11. Красильников А. ВКД – 43: испытание нового скафандра и запуск пяти новых спутников / А. Красильников // Новости космонавтики. – 2017. - № 10. - С. 19 – 23.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Lebedev V. V. Proektirovanie system kosmicheskogo monitoringa [Remote sensing systems design] / V. V. Lebedev, I.N. Gansvind, Nauch. geolnform. tsentr RAN // M. – Nauka, 2010. – 388 p, -P. 151. [in Russian]
  2. Sevastianov N. N. Analiz sovremennikh vozmozhnostey sozdania malikh kosmicheskikh apparatov dlya distantsinnogo zondirovaniya Zemli [Analisis of the modern possibilities of creation of small satellites for remote sensing of the Earth] / N. N. Sevastianov, V. N. Branets, V. A. Panchenko // Works of MIPT.- 2009. – V. 1. - № 3. – P. 15-23. [in Russian]
  3. Kachirin A. V. Analiz sovremennogo sostoyanya rynka nanosputnikov kak proryvnoy innovatsyi I vozmozhnosti yego razvitia v Rossii [Analisis of the current state of the nanosatellite market as a breakthrough innovation and opportunities for its development in Russia] / A. V. Kachirin, I. I. Glebanova // Molodoiy utsenyu. -2016 - V.1. № 7. – P. 15 – 23. [in Russian]
  4. Svodnaya tablitsa kosmicheskikh zapuskov osushchestvlennykh v 2016 godu [Summary table of space launches carried out in 2016] // Novosti kosmonavtiki. - 2017. – V. 27. - № 3 – P. 49 – 51. [in Russian]
  5. Svodnaya tablitsa kosmicheskikh zapuskov osushchestvlennykh v 2017 godu [Summary table of space launches carried out in 2017] // Novosti kosmonavtiki. – 2018. – V.28. - № 3 – P. 22-25. [in Russian]
  6. Afanasiev I. Infrakrasniy “Kanopus” i 72 poputchika [Infrared “Kanopus” and 72 passandgers] / I.Afanasiev // Novosti kosmonavtiki. -2017. – V. 27. - № 9 – P. 40 – 47. [in Russian]
  7. Afanasiev I. Odin bolshoy i tri malenkikh. India vipolnila rekordniy po chislu poleznykh nagruzok zapusk [One large and three small. India has completed a record number of payloads] / I. Afanasiev, A. Kuzheyko // Novosti kosmonavtiki. – 2017. – V. 27. -№ 4 – P. 30 – 36. [in Russian
  8. Khromov A. Sputniki DZZ Sky Sat [Earth remote sensing satellites Sky Sat] / A. Khromov // http : //www. Dauria.ru blog/ Sky Sat. [in Russian]
  9. Kucheyko A. Indiyskiy pusk v interesakh DZZ i ne tolyko [Indian launch in the interests of remote sensing and not only] / A. Kucheyko // Novosti kosmonavtiki. – 2016. – V.26. - № 11 – P. 57, 58.[in Russian]
  10. Afanasiev I. “Aист – 2Д”: god na orbite [“Аист – 2Д” year in orbit] / I. Afanasiev // Novosti komonavtiki. – 2017. – V.27. - № 6 – P.49.[in Russian]
  11. Krasilnikov A. VKD – 43: ispytanie novogo skafandra i zapusk piaiy novikh sputnikov [Extravehicular activity – 43: test a new spacesuit and launch five satellites] / A. Krasilnikov // Novosti kosmonavtiki. – 2017. – V.27. - № 10 – P. 19 -23. [in Russian]