Роскосмос

"CubeSat" как многофункциональные спутники

УДК 629.78

«CubeSat» как многофункциональные спутники

«CubeSats» as Multifunctional Satellites

Авторы

Больных Е.А., Колесников А.В.

Authors

Bolnykh E.A., Kolesnikov A.V.

Аннотация

Предлагаем обзор отечественного и мирового опыта разработки и изготовления многоцелевых космических спутников типа «CubeSat». Особое внимание уделяется разновидности спутников и разнообразию решаемых задач. Представлены перспективы развития «CubeSat» на ближайшее десятилетие.

Abstract

We offer an overview of Russian and international experience in the development and manufacturing of the multipurpose «CubeSat»-type space satellites. Particular attention is paid to the variety of the satellites and objectives to be solved. The prospects for the «CubeSat» development for the next decade are presented.

Ключевые слова

спутник, наноспутник, микроспутник, кубсат

Keywords

satellite, nanosatellite, microsatellite, CubeSat

Уменьшение массы и стоимости изготовления космических аппаратов (КА) является одной из актуальных проблем современной космонавтики. В статье приводится обзор существующих малых спутников CubeSat. В связи с тем, что в отсеке полезной нагрузки ракеты-носителя (РН) иногда остается свободное неиспользованное пространство, его могут занимать малые космические аппараты, например малые спутники, которые делят на три группы: мини – масса менее 500 кг; микро – масса менее 100 кг; нано – масса менее 10 кг [1]. Основной причиной миниатюризации спутников послужило снижение стоимости их создания, запуска и развертывания. Таким образом, наноспутники, к которым относятся CubeSat, могут располагаться в отсеке полезной нагрузки в качестве сопутствующей нагрузки [2].

История CubeSat начинается с 1999 года. Идея их создания заключается в предоставлении возможности участия студентов вузов в разработке перспективной космической техники. CubeSat имеет базовые размеры (1U) 10х10х10см, масса составляет приблизительно 1 кг. Стандарт допускает объединение двух или трех стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U и 3U и имеют размер 10х10х20см или 10х10х30см). Пока достигнутый предел – 6U или 10х20х30см. В перспективе изготовление и отработка спутников 12U с размерами 20х20х30см [3]. Для наибольшей эффективности возможно использование распределенной спутниковой системы. Это могут быть группировки спутников, разнесенные на большое расстояние [4]. В этом случае ограничение на состав полезной нагрузки ослабляется, так как различные системы могут быть перераспределены между аппаратами. Большинство CubeSat имеют один или два научных прибора, некоторые могут иметь небольшие выдвижные антенны и поверхностные или распахивающиеся солнечные батареи, привод, корпус, блок аппаратуры, двигатель-маховик. CubeSat задумывался для решения научных задач: изучения космического пространства, ионосферы и магнитосферы, зондирования Земли, телеметрии. Данный тип спутников привлекает внимание компоновкой и габаритами. Выведение CubeSat в космос осуществляется посредством РН либо с борта пилотируемых или автоматических грузовых космических кораблей и Международной космической станции (МКС) [5].

Малые спутники CubeSat используются для широкого круга различных целей. Рассмотрим подробнее опыт России и мира в использовании CubeSat.

В России частная компания «Спутникс» совместно с Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, а также образовательным центром «Сириус», Московским институтом электроники и математики и Научно-исследовательским институтом ядерной физики с 2016 года проводят космический эксперимент «Школьный спутник» по наблюдению поверхности Земли на МКС. В августе 2018 года научно-образовательные спутники «СириусСат-1» (рис.1) и «СириусСат-2» запущены с МКС.

Рис. 1. Спутник «СириусСат-1» (корпус стандарта 1U)

Спутники разработаны на базе наноспутниковой платформы «OrbiCaft–Pro». Платформа имеет стандартизованный международный типоразмер CubeSat 1U. Спутники «СириусСат» доработаны с учетом специфики запуска, а именно оснащены ручкой для запуска космонавтом, гибкими антеннами, системой ручной активации КА, а также оснащены специально разработанными защитными быстросъемными чехлами и мягкими транспортировочными контейнерами. Вес каждого аппарата вместе с ручкой составляет 1,45кг. Габариты спутника без учета раскрытых антенн – 130x131x236мм [6]. Полезная нагрузка спутников представляет собой детектор космических частиц для изучения «космической погоды». Датчик разработан в НИИ ядерной физики МГУ имени М.В. Ломоносова и собран при участии группы школьников из образовательного центра «Сириус» в городе Сочи.

Интересно, что CubeSat могут создавать и простые радиолюбители. Инженер из Кореи Ходжун Сон работал над CubeSat «OSSI 1» в течение семи лет, используя готовые компоненты. Размеры спутника – 10х10х10см(1U). CubeSat имел радиомаяк азбуки Морзе, передающий сигналы на частоте 145.980 МГц и четыре светодиодных индикатора общей мощностью 44 Вт для передачи сообщений. Спутник запущен 19 апреля 2013 года, однако из-за технических проблем не вышел на связь. В проекте самым дорогим аспектом стал запуск, который обошелся в 100 тыс.$ [7].

Кроме школьников и инженеров-любителей основными разработчиками CubeSat выступают университеты и частные компании.

В Дании компанией «Gomspace» создан CubeSat «GOMX-3» типа 3U. Миссия спутника заключалась в демонстрации приема сигнала самолета АЗН-В (автоматическое зависимое наблюдение – вещание) и оценке качества сигнала геостационарного телекоммуникационного спутника «Spot beam» (орбитальная система спутников) с использованием реконфигурируемой программно-определяемой полезной нагрузки L-диапазона (диапазон частот дециметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи). Спутник развернут с борта МКС в октябре 2015 года и, отработав успешно один год, выведен из эксплуатации [8].

Рис. 2. Спутник «GOMX-3» (корпус формата 3U)

Также компанией «Gomspace» разработан CubeSat «GOMX-4B» в формате 6U для датского Министерства обороны, задачей которого являлась демонстрация межспутниковых связей при полете в тандеме с другим CubeSat «GOMX 4A». В общие задачи спутников входило определение уровня космического излучения солнечного ветра. Кроме того, CubeSat имели в своём составе компактный гиперспектральный тепловизор. Спутники запущены 2 февраля 2018 года, их миссия успешно завершена в декабре 2018 года. В Бельгии студенты королевского метеорологического института «KU Leuven» разработали CubeSat «SIMBA» формата 3U. Спутник работает в космосе с марта 2020 года и функционирует по настоящее время [9]. Миссия CubeSat предназначена для измерения солнечной радиации и радиационного пояса Земли, измерений климатических параметров с помощью миниатюрного радиометрического прибора и демонстрации новой точной системы наведения.

Специалисты института космической аэрономии создали и запустили в 2016 году CubeSat «Picasso» типа 3U. Спутник предназначен для измерения стратосферного распределения озона, профиля температуры в мезосфере и плотности электронов в ионосфере с использованием миниатюрного мультиспектральной тепловизионной камеры [9].

Финский университет «Aalto» занимается разработкой спутников CubeSat для различных целей. В 2018 году запущен CubeSat «Suomi 100» типа 1U, который имел в своём составе камеру видимого света и специальный радиоприемник, разработанный в университете. Научной целью спутника являлось изучение явлений космической погоды вблизи Земли, особенно полярных сияний. CubeSat запущен весной 2019 года, связь с ним потеряна [9]. Однако в марте 2020 года произведен следующий запуск CubeSat «RadCube» формата 3U, который в настоящее время функционирует [9]. Предназначением спутника стала демонстрация миниатюрных приборов, которые позволяют измерять космическое излучение и магнитное поле Земли на низкой околоземной орбите и тем самым осуществлять мониторинг космической погоды. Также в университете разработан CubeSat «PRETTY» типа 3U для демонстрации метода рефлектометрии ГНСС (глобальная навигационная спутниковая система) при низких углах выпаса для альтиметрии (для обнаружения морского льда) с использованием нового программно-определяемого приемника и испытания миниатюрного дозиметра излучения. На данный момент спутник функционирует [9] Еще один спутник CubeSat, разработанный в университете, «CubeSpec» формата 6U запущен в 2018 году [10]. Целью его стало исследование физики звезд (раздела астрофизики, изучающей физическую сторону звёзд и экзопланет), что требует непрерывного мониторинга и анализа, в связи с чем на спутнике установлена система точного наведения и стабилизации линии визирования.

Исследовательским центром НАСА имени Эймса и Медицинской школой Стэнфордского университета разработан CubeSat «EcAMSat», который создан на базе предыдущих миссий наноспутников «Ames» (таких как «PharmaSat») для изучения воздействия на организмы и органические вещества космической среды. CubeSat «EcAMSat» имеет формат 6U, разработан для исследования влияния космической микрогравитации и космических полетов на устойчивость бактерий к антибиотикам и их генетическую основу. Например, для исследования влияния космической микрогравитации на устойчивость кишечной палочки к антибиотикам. Бактериальная устойчивость к антибиотикам может представлять опасность для астронавтов в условиях микрогравитации, когда иммунный ответ ослаблен. Результаты эксперимента могут помочь разработать эффективные контрмеры для защиты здоровья человека во время длительных космических полетов. Запуск CubeSat состоялся в 2017 году.

Рис. 3. Спутник «EcAMSat» (корпус формата 6U)

Итальянский политехнический университет Милана с компанией «GomSpace» готовит к запуску в 2023 году CubeSat «М-Аrgо» формата 12U. Миссией CubeSat станет изучение астероидов. Спутник имеет высокую удельную импульсную электрическую силовую установку и топливо для неё, транспондер X-диапазона, поворотные солнечные батареи высокой мощности и систему управления с помощью реакции газа. Транспондер X-диапазона (диапазон частот сантиметровых длин волн) предназначен для изучения глубин космоса. Транспондер включает отражательную решетку с высоким коэффициентом усиления антенны.

Рис. 4. Спутник «М-Аrgо» (корпус стандарта 12U)

Проанализировав опыт создания спутников CubeSat, можно выделить их преимущества и недостатки по отношению к другим спутникам. К достоинствам можно отнести:

  • отсутствие отделяемых частей,
  • возможность запуска большого количества малых аппаратов за один пуск РН;
  • возможность использовать на низких околоземных орбитах;
  • низкое энергопотребление (примерно 1,5–2 Вт);
  • способность сводить аппараты в пассивное состояние;
  • простоту конструкции спутников из-за отсутствия двигательной установки и топлива на борту;
  • низкую себестоимость;
  • возможность распределения полезной нагрузки между несколькими аппаратами;
  • возможность использования атмосферного торможения для утилизации и исключения космического мусора;
  • доступность изучения космоса университетам и частным компаниям.

Еще больше снизить стоимость проекта, а также существенно сократить время его разработки поможет использование стандартизированных спутниковых платформ. В настоящее время развитие микроэлектроники и других областей технологии вывело массовую продукцию на столь высокий уровень, что ее можно использовать на КА. В результате стоимость одного спутника и время его разработки значительно уменьшаются, что позволяет проводить большее число запусков в сжатые сроки.

К недостаткам CubeSat можно отнести малую функциональность и диапазон возможных задач из-за размеров и массы. Для исследования дальнего космоса, вывода на орбиту и дальнейшего маневрирования потребуется дополнительная двигательная установка и топливо.

Проанализировав имеющийся мировой опыт развития и использования спутников CubeSat, можно выделить основные задачи и тенденции их использования. Будучи изначально образовательным проектом, идея CubeSat широко разошлась по миру и сильно изменила облик беспилотной космонавтики, открыла возможность сравнительно недорого создавать КА частным компаниям, любителям, студентам и даже школьникам. Самые ходовые типы спутников стали CubeSat формата 3U из-за простоты конструкции и изготовления.

Одна из первых задач наноспутников – это практико-ориентированная в образовании школьников и студентов. За счет миниатюризации спутниковой техники и электроники уменьшился вес спутника, что привело к доступности цен на запуски для научных школ и университетов в странах Европы, России, Америки и Азии. Возможность участвовать в создании наноспутников является существенным фактором, влияющим на выбор профессии современных выпускников.

Спутники хорошо показали себя в решении задач зондировании Земли, изучении полярных сияний. Наноспутники справляются с наблюдением за «космической погодой», могут осуществлять сбор и передачу на Землю данных о транспортных перевозках по воде и суше. Инновацией для CubeSat стало бы внедрение в низкоорбитальные, среднеорбитальные и геостационарные сегменты поисково-спасательной системы Коспас-Сарсат. Для этих целей CubeSat может иметь формат 12U. Особенностью компоновки CubeSat станет исполнение всей необходимой аппаратуры в наномасштабе.

В настоящее время интересными задачами для CubeSat являются изучение магнитосферы и ионосферы Солнца, измерения общей солнечной радиации и радиационного пояса Земли. Интересными задачами являются измерения распределения стратосферного озона, мезосферного температурного профиля и электронной плотности в ионосфере, излучения и магнитного поля на низкой околоземной орбите. CubeSat могут исследовать физику звезд (массу, плотность, процессы рождения и смерти звезд) и дальний космос, экзопланеты (планеты, находящиеся вне Солнечной системы). Значительным направлением использования CubeSat являются биологические исследования и эксперименты влияния космической микрогравитации и влияние космических полетов на живые организмы. В ближайшие годы ожидается запуск CubeSat на околоземную орбиту для тестирования нового способа поиска жизни на небесных телах Солнечной системы и других задач.

В дальнейшей перспективе ожидается развитие систем глобального доступа в интернет и спутниковой мобильной связи. В решении таких задач спутники Cubеsat также могут найти своё применение. Переход от больших габаритных спутников к типам «микро» и «нано» (CubeSat), позволит снизить стоимость пусков за счет использования легких классов ракет. При использовании тяжелых классов ракет выведение искусственных спутников носило бы характер сопутствующей нагрузки.

Библиографический список

  1. Храмов Д.А. Миниатюрные спутники стандарта «CubеSat»// Космiчная наука и технологiя. – 2009. – Т. 15. №3. – С. 20–31.
  2. Космос-журнал [Электронный ресурс]: http://www.cosmos-journal.ru/articles/686/ (Дата обращения: 16.04.2020).
  3. Зуев Д.М., Пятков А.Г., Мовчан П.В. и др. SIBCUBE – проект студенческого космического аппарата СибГАУ класса CUBSAT// Вестник СибГАУ. – 2014, №4(56). – С. 160–166.
  4. Озан Кара, Роджер Берклэнд, Лиуи Чжан, Умуральп Кайтац. Будущие рои CubеSat бросают серьезные вызовы в области связи// Воздушно-космическая сфера. – 2018, №2(95). – С. 58–65.
  5. Петрукович А.А., Никифоров О.В. Малые спутники для космических исследований // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. – 2016. – Т. 3, выпуск 4. – С. 22–31.
  6. Частная космическая компания Спутникс. [Электронный ресурс]: URL: https://sputnix.ru/ru/oborudovanie/ispytatelnye-stendy/ (Дата обращения: 16.04.2020).
  7. Новости космоса [Электронный ресурс]: URL: http://mapgroup.com.ua/kosmicheskie-apparaty/42-koreya/138-ossi-1 (Дата обращения: 16.04.2020).
  8. Mediasat [Электронный ресурс]: URL: http://mediasat.info/2015/10/23/gomx3/ (Дата обращения: 17.04.2020).
  9. Университет Алто [Электронный ресурс]: URL: https://www.aalto.fi/en/spacecraft (Дата обращения: 14.04.2020).
  10. United space in Europe [Электронный ресурс]: URL:https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Techno... (Дата обращения: 15.04.2020).

Больных Екатерина Антоновна – инженер-конструктор КБ «Салют» – филиал АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». Тел.: +7 919 994 58 81. E-mail: Bolnyhea@yandex.ru Bolnykh Ekaterina Antonovna – Design-Engineer of the Salyut Design Bureau – Khrunichev State Research and Production Space Center Subsidiary. Tel.: +7 919 994 58 81. E-mail: Bolnyhea@yandex.ru

Колесников Алексей Владимирович – канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор КБ «Салют» – филиал АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». Тел.: +7 999 907 02 77. E-mail: feridium@mail.ru Kolesnikov Aleksey Vladimirovich – Design-Engineer of the Salyut Design Bureau – Khrunichev State Research and Production Space Center Subsidiary. Tel.: +7 999 907 02 77. E-mail: feridium@mail.ru