Кубсаты – трамплин для новых технологий

9 августа 2022 года ракета-носитель «Союз-2.1б» вывела на низкую околоземную орбиту пару спутников-близнецов: Skoltech B1 и Skoltech B2, которые, пробыв в космосе более двух лет, сгорели в плотных слоях атмосферы 4 октября и 29 сентября 2024 года, соответственно. В рамках космической миссии им предстояло продемонстрировать разработанную в Сколтехе технологию прямой межспутниковой связи без участия наземной инфраструктуры. Как результат, Skoltech B1 передал сообщение 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. В журнале «Цифровой океан» вышел материал, посвящённый наноспутникам, создаваемым студентами и преподавателями Сколтеха.

Орбитальный посев

Рассказывая о спутниках, инженер Павел Колесников периодически берёт в руки их макеты в натуральную величину. В ящике стола помещается четыре спутника, в коробку из-под ксерокса войдёт шесть или восемь. Такие аппараты массой от 1 до 10 кг принято называть наноспутниками. Есть ещё 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 пусковые 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: «Некоторые профильные университеты до сих пор учат, что «спутников меньше двухсот килограмм не бывает». Мол, вся мелочевка – это несерьёзно, игрушка. Хотя вот же перед нами полноценный космический аппарат, спутниковая платформа с полезной нагрузкой. Благодаря миниатюризации современной электроники в такой габарит умещаются и трёхкратно резервированная бортовая вычислительная машина, и подсистемы энергосбережения, ориентации и стабилизации. Причём остаётся место для полезной нагрузки, достаточной для выполнения «взрослых» задач – наблюдения за Земной 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 приёмка. В них применяются сертифицированные вибро-, термо- и радиационно стойкие детали с многократным запасом надёжности. В наноспутниках используют электронику промышленного уровня – ту, что ставится в станки, автомобили и другую «земную» технику повышенной надёжности. 

Идея использовать коммерчески доступные готовые продукты (Commercial-off-the-shelf, COTS) в космонавтике не нова. Но никто в отрасли не мог позволить себе рисковать надёжностью 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 температур и при высокой вибрационной нагрузке. В космосе условия 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 распространённый 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. Рядом с непосредственно платформой, то есть системами управления, энергообеспечения и ориентации, остаётся один или даже два «юнита» под полезную нагрузку. В её 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 ёмкие аккумуляторы. 

Малые спутники уже изменили космическую отрасль. 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 трёх сотен – кубсаты. И большая их часть выполняет серьёзные 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 надёжнее: ошибка в аппарате за десять миллионов с десятью разными инструментами (который ещё 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 ещё девять, и они выполнили каждый свою задачу. Причём суммарно это быстрее и дешевле одного «большого» спутника, можно вместо выбывшего кубсата запустить ещё один или два с уже исправленными недочётами».

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 всё 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 разъёмами. 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 ещё сотни мелочей. 

Готовыми решениями в этой картине выступают лишь сами микросхемы и прочие микроэлементы 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 придётся 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 недочётов. Например, пайка компонентов всегда должна проверяться вакуумной камерой – оставшийся в капле припоя пузырёк газа на высоте 500 километров просто оторвёт «ногу» микросхемы от дорожки. При тестировании прототипа платы нужно проверять всё, 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 всё 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-π. Такая схема позволяет проводить поистине фантастические эксперименты тем, для кого это раньше казалось немыслимым: взять, например, спутник «Сирень», созданный Белгородским государственным университетом, – он несёт 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, новоиспечённый 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 её 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 Королёва, 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».

Источник.