Rynek statków kosmicznych Cubesat. Innowacyjny format organizacji małych misji startowych statków kosmicznych

Autorski

Kosmodemyanskiy E.V. 1 *, Kirichenko A.S. 1 *, Klyushin D.I. 1 *, Kosmodemyanskaya O. V. 1 *, Makushev VV 1 *, Almurzin P.P. 2 **

1. Centrum rakietowo-kosmiczne „Postęp”, ul. Zemetsa, 18, Samara, 443009, Rosja
2. Narodowy Samara uniwersytet badawczy im. akademik S.P. Koroleva, autostrada Moskwa, 34, Samara, 443086, Rosja

* e-mail: [e-mail chroniony]
** e-mail: [e-mail chroniony]

adnotacja

W artykule przedstawiono statystyki startów małych statków kosmicznych klasy nano formatu „CubeSat” z uwzględnieniem roku 2013, wyciągnięto wniosek dotyczący wzrostu i znaczenia rynku usług startowych statków kosmicznych tej klasy, opisano pojazdy nośne, które są obecnie tworzone w FSUE GNPRKT „TsSKB-Progress” i proponowane do rozwoju w celu wsparcia misji małych statków kosmicznych w formacie „CubeSat”. Proponowane urządzenie do wystrzeliwania oraz kontener transportowo-wyrzutni dla małych statków kosmicznych formatu „CubeSat” zostały szczegółowo opisane, wyciągnięto wnioski dotyczące możliwości zorganizowania misji do wystrzelenia statku kosmicznego tego formatu z wykorzystaniem nowych metod organizacyjnych i technicznych oraz podjęcia przez nasz kraj wiodąca pozycja w świadczeniu tej usługi.

Słowa kluczowe:

mały statek kosmiczny, Cubesat, platforma uniwersalna, wyrzutnia, technologie webowe, kontener transportowy i startowy

Lista bibliograficzna

Lista Michaela z misjami satelitarnymi Cubesat, dostępne pod adresem: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (dostęp 16.07.2013).
Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. Przegląd systemów komunikacyjnych CubeSat, Dziennik AMSAT, listopad/grudzień 2009, s. 23-30.
Wikipedia PL: Lista CubeSatów , dostępne pod adresem: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (dostęp 16.07.2013).

Kiedy Cubsats stał się duży 14 kwietnia 2015 r.

CubeSat to wymiarowy standard dla mikro- i nanosatelitów, zaproponowany w 1999 roku w Stanach Zjednoczonych. W ciągu ostatnich 15 lat idea jednego standardu bardzo zmieniła oblicze bezzałogowej astronautyki, otworzyła możliwość stosunkowo niedrogiego tworzenia statków kosmicznych dla prywatnych firm, amatorów, studentów, a nawet uczniów. Dzięki CubeSat wiele krajów, których budżety nie ciągnęły tradycyjnej astronautyki, mogło pochwalić się pierwszym własnym statkiem kosmicznym.

Cechą CubeSata są stałe wymiary, które zmieniają się wielokrotnie, tj. CubeSat 1U (jednostka) to kostka kosmiczna 10x10x10 cm, 2U to już dwie kostki tj. 10x10x20 cm, 3U - 10x10x30 cm Do tej pory osiągnięty limit to 6U lub 10x20x30 cm.Wiele elementów konstrukcyjnych, baterii, płytek, czujników, systemów komunikacyjnych zostało opracowanych na standardy CubeSat... Ciągle wymyślają coś nowego, albo silnik sublimacyjny, czyli żagiel elektromagnetyczny, potem silnik plazmowy. Teraz przygotowują się do wystrzelenia kubsatów wyposażonych w prawdziwe żagle słoneczne.

Satelity CubeSat powstają z elektroniki przemysłowej, tj. taki, który jest przeznaczony do działania na Ziemi i nie był przygotowany do podróży w kosmos. Mimo to możliwości nowoczesnych chipów pozwalają im pracować w pozornie nieodpowiednich warunkach. Mogą być krótkotrwałe, ale zapewniają sprawność urządzeń nawet przez rok, a nawet kilka razy dłużej. Teraz są całe sklepy internetowe z elektroniką do CubeSata, choć wciąż daleko mu do poziomu nowoczesnych komputerów, które można kupić w częściach i zmontować w domu w jeden wieczór. Mimo wszystko musisz dokładnie przetestować kompatybilność systemów, napisać oprogramowanie, lutować, debugować, ogólnie praca dla kilku inżynierów wystarczy na ponad miesiąc. O wszystkich trudnościach dobrze napisali nasi koledzy z firmy Sputniks.

Mimo istniejących trudności, praca z CubeSatem jest znacznie łatwiejsza niż w tradycyjnej astronautyce, a oni zapewnili prawdziwy przełom w kosmos setkom studentów, dziesiątkom entuzjastów, naukowców i biznesmenów.

Standardowe wymiary CubeSata znacznie upraszczają procedurę startu w kosmos. Nie chodzi tylko o ich mały rozmiar i wagę. Powszechnie uważa się, że to masa w kilogramach satelity decyduje o jego koszcie wystrzelenia. Ale jeśli chodzi o tak nieistotne wskaźniki jak 1-3-9 kg, to tzw. dostosowanie. Przecież nie wystarczy przykręcić satelitę do rakiety, to trzeba go z powrotem wstrzelić Odpowiedni czas, na odpowiedniej wysokości i przy odpowiednim przyspieszeniu. W przypadku zwykłych satelitów, nawet tych małych, trzeba wykonać osobne prace i zaprojektować adapter, który pozwoli połączyć konkretnego satelitę z konkretną rakietą lub wyższym stopniem. W przypadku CubeSata problem rozwiązuje się poprzez przystosowanie specjalnego kontenera.

Wystarczy raz zaadaptować kontener pod konkretną rakietę lub dopalacz, a następnie stosować ten schemat podczas każdego startu.

Na przykład w Rosji teraz prywatna firma "Dauria Aerospace" w połączeniu z NPO im. Ławoczkina pracuje nad przystosowaniem kontenerów CubeSat do Fregata.

Dzięki temu łatwiej będzie wyświetlać satelity-sześciany po drodze podczas wystrzeliwania rakiet Roskosmos. Wcześniej wystrzelono dziesiątki „kostek” z konwersją rosyjsko-ukraińskiej rakiety Dniepr, ale teraz Roskosmos zamierza odmówić, aby obciążyć rosyjskich producentów pracą.

Możliwe jest również uruchomienie satelitów kostek z International stacja Kosmiczna... W tym celu w segmencie amerykańskim jest wyposażony specjalny system robotyczny prywatnej firmy kosmicznej NanoRacks. System pozwala na wystrzeliwanie paczek satelitów typu cube, a jednocześnie nie wymaga od astronautów wyprawy w kosmos.

Z segmentu rosyjskiego CubeSaty są uruchamiane indywidualnie iw klasyczny sposób.

Start z ISS rozwiązuje wiele problemów: jest prostszy i tańszy niż rakiety, nie wymaga adaptacji ani nawet kontenera. Większość CubeSatów jest uruchamiana ze stacji. Ale i tutaj są problemy. Satelity dostarczane są na pokładach statków towarowych i mogą leżeć kilka tygodni lub nawet miesięcy przed startem, w wyniku czego bateria pokładowa może zostać rozładowana, a satelita przeleci martwy. Kosmonauci nie mogą wskrzesić wszystkich, chociaż próbują.

Innym problemem wystrzeliwania ze stacji jest krótka żywotność satelity. Na wysokości ISS efekt spowolnienia atmosfery ziemskiej jest nadal stosunkowo silny, więc nawet małe satelity sześcianowe wytrzymują mniej niż dwa lata, a jeśli satelita nadal ma składane baterie słoneczne, to nie latają przez rok. Cieszy to każdego, kto martwi się czystością przestrzeni, ale denerwuje twórców urządzeń, którzy chcieliby dłużej pracować z satelitą, przetestować sprzęt i poznać jego największe możliwości.

Wyższy i dłuższy start wymaga kontenera i poszukiwania odpowiedniej rakiety. Pojemnik kosztuje pieniądze i dużo, choć wygląda na to, że to tylko aluminiowe pudełko z pokrywką. Razem z kontenerem koszt uruchomienia CubeSata może wahać się od 40 tys. do 100 tys. USD i to tylko za 1U. Ale jest to nieunikniona cena do zapłacenia, jeśli istnieje cel wystrzelenia satelity, który powinien działać przez długi czas i z korzyścią.

Teraz o korzyściach. Pierwsza dekada kubsatów minęła pod sztandarem uniwersytetu. Studenci z tej lub innej uczelni (w większości amerykańskich lub brytyjskich) zbierali swoje kostki, a za nimi japońscy radioamatorzy. A w środowisku zawodowym o CubeSat wykształcił się stereotyp jakiejś frywolnej zabawy, niezgodnej z jakimikolwiek zastosowanymi zadaniami. Rzeczywiście, tutaj dorośli wujkowie od lat montują urządzenia o tonę lub więcej, a tam niektórzy studenci nitują głośniki wysokotonowe kilogramowe w ciągu kilku miesięcy.

W tym samym czasie pierwsze generacje satelitów-kostek umożliwiły opracowanie wielu rozwiązań technologicznych, wypróbowanie dziesiątek różnych schematów i układów oraz przetestowanie urządzeń typu payload. A w drugiej dekadzie XXI wieku okazało się, że nawet takie dzieciaki nadają się do poważnej pracy. W rzeczywistości rewolucja rozgrywa się teraz na naszych oczach.

Jednym z pierwszych był Planet Labs, który postanowił zbudować cały biznes na satelitach typu cubesat. W 2013 roku wystrzelili parę satelitów Dove, które pokazały ich możliwości. Ich rozmiar to 3U, czyli 10x10x30 cm W tych mikroskopijnych, jak na standardy astronautyki wymiarach, twórcy byli w stanie umieścić nie tylko teleskop 90 mm i fotomatrycę, ale także trójosiowy system orientacji, składający się z trzech silników koła zamachowego i cewek magnetycznych. Okazało się, że jest to pełnoprawny aparat teledetekcja Wyląduj wielkości zwykłego lustra fotograficznego.

Teraz ich maszyny robią wysokiej jakości zdjęcia, które można podziwiać w ich galerii.

Dla porównania migawka z „prawdziwego” urządzenia ważącego 450 kg

Oczywiście niezawodność i osiągi „Gołębi” są znacznie niższe niż tradycyjnych satelitów, ale ich cena i możliwość wystrzelenia dziesiątek sztuk otwierają wielkie perspektywy. Jednocześnie wzrasta niezawodność każdej nowej generacji, ponieważ inżynierowie otrzymują ogromną ilość danych o systemach i potrafią szybko wymienić zawodne elementy. Te. testy w locie i testy przeprowadzane są znacznie szybciej niż w przypadku dużych pojazdów.

Teraz Planet Labs przyciągnęło prawie 140 milionów dolarów inwestycji, a teraz ich głównym zadaniem jest odbudowa infrastruktury naziemnej i znalezienie skutecznych sposobów zarabiania na danych satelitarnych. Ich celem jest codziennie aktualizowany odpowiednik Google Maps.

Wielokrotnie już mówiłem o Planet Labs, ale podoba mi się kolejny przykład firmy, która wyrosła z hobbystycznej grupy Arduino. Najpierw wpadli na pomysł stworzenia nanosatelity ArduSat na KickStarterze. Społeczności tak bardzo spodobał się ten pomysł, że kiedy poprosili o jednego satelitę, wybrali dwa. Zwrócili uwagę swoim pomysłem na zapewnienie wszystkim kontroli satelitarnej za opłatą. Jeszcze przed startem, po udanej akcji zbierania funduszy, znaleźli pierwszych inwestorów. Zainwestował w nie nawet Dmitrij Grishin, rosyjski dyrektor generalny i założyciel Mail.Ru, choć przeznaczył „tylko” 300 000 dolarów na kilkadziesiąt urządzeń. Sądząc po ich stronie internetowej, zamierzają zbudować rozległą sieć LEO do odbierania danych AIS.

Rezultatem będzie szybko aktualizowana mapa ruchu statków na morzach i oceanach. Obecnie są takie usługi, ale działają głównie w oparciu o stacje przybrzeżne, a na orbicie znajduje się mniej niż dwa tuziny satelitów AIS. Spire chce przebiec 100.

A propos AIS, na orbicie jest też para naszych satelitów - Perseus-M - to wspólne opracowanie amerykańskiej i rosyjskiej dywizji Dauria Aerospace. Nasi tam brali udział w opracowaniu ogólnego projektu, layoutu i pisania oprogramowania. Satelita ma rozmiar 6U, ładunek jest również czujnikiem AIS i lata od czerwca 2014 roku. Testy ładunku właśnie zostały zakończone, a satelity zbudowały własną mapę żeglugi na świecie. Obecnie przygotowujemy się do wdrożenia sieci stacji naziemnych, aby rozpocząć dostarczanie danych operacyjnych o jakości komercyjnej.

Jednak celem Daurii nie jest biznes AIS. Tyle, że takie czujniki zostały wybrane do testów platformy satelitarnej. A jego możliwości są znacznie większe, m.in. można tam umieścić kamerę. Właściwie, w oparciu o doświadczenia zdobyte przy tworzeniu Perseus-M, dywizja rosyjska Dauria na zlecenie Roskosmosu tworzy dwa satelity w standardzie CubeSat. Są to znacznie bardziej złożone urządzenia, z orientacją trójosiową, kamerą wielospektralną i wydajnym nadajnikiem na pasmo Ka.

W przyszłości firma jest gotowa dostosować platformę do: Różne rodzaje mnóstwo celów naukowych i użytkowych. Rozwijamy również własny kontener, dzięki czemu wkrótce Roskosmos będzie mógł oferować pełen zakres usług, jeśli ktoś będzie potrzebował uruchomić CubeSata. Na przykład „Fregata” Ławoczkina może polecieć zarówno na Marsa, jak i Wenus, ale wystarczy poczekać na przelatujący lot.

Rosyjski start-up Lin Industrial podjął się stworzenia specjalnej mikrorakiety przeznaczonej do wystrzeliwania satelitów typu cubesat. Jest mało prawdopodobne, że wyjdzie taniej niż 100 tysięcy dolarów, ale może być interesujące na tych orbitach, na których nie można dotrzeć po drodze lub długo czekać na okazję.

Mini satelity

3 mikrosatelity Space Technology 5 (ST5)

Mini satelity ( minisatelita; Mały satelita), mają masę całkowitą (łącznie z paliwem) od 100 kg do 500 kg. Również minisatelity są czasami określane jako tzw. „Lekkie satelity” o wadze od 500 kg do 1000 kg. Takie satelity mogą wykorzystywać platformy, komponenty, technologie konwencjonalnych „dużych” satelitów. To mini satelity są często rozumiane jako ogólna definicja„Małe satelity”.

Mikrosatelity

Mikrosatelity ( mikrosatelita, mikrosatelita) mają masę całkowitą od 10 do 100 kg (czasami termin ten odnosi się do nieco cięższych pojazdów).

Nanosatelity

Nanosatelity ( nanosatelita, nanosatelita) mają masę od 1 kg do 10 kg. Często przeznaczony do pracy w grupie ( "Rój"- rój), niektóre grupy wymagają większego satelity do komunikacji z Ziemią.

Nowoczesne nanosatelity są stosunkowo funkcjonalne pomimo swoich niewielkich rozmiarów. Ich pole zastosowania jest szerokie - od prób po obserwacje kosmosu:

Rozwój najnowszych technologii, metod oraz rozwiązań programowych i sprzętowych;
Programy edukacyjne;
Monitoring środowiska;
Badania pól geofizycznych;
Obserwacje astronomiczne.

pikosatelity

Pikosatelity ( pikosatelita, pikosat) nazywane są satelitami o masie od 100 g do 1 kg. Zwykle przeznaczony do pracy w grupie, czasem z większym satelitą. Satelity formatu CubeSat (cubsat) mają pojemność 1 litra i masę około 1 kg i można je uznać za duże pikosatelity lub lekkie nanosatelity. Kubsaty wystrzeliwane są po kilka jednostek na raz i kosztują kilkadziesiąt tysięcy dolarów.

Satelity femto

Satelity femto ( femtosatelita, femtosat) mają masę do 100 g. Podobnie jak pikosatelity są bardzo małe. Satelity Poketsat (dosłownie kieszeń) mają masę rzędu kilkuset lub kilkudziesięciu gramów i kilka centymetrów i mogą być uważane za satelity femto lub pikosatelity świetlne. W jednym kontenerze można skompilować i uruchomić kilka satelitów kieszonkowych za cenę jednego satelity, czyli za kilka tysięcy dolarów każdy.

Tak niski koszt i ujednolicenie platform i komponentów pozwala uniwersytetom, a nawet szkołom, małym firmom prywatnym i stowarzyszeniom amatorskim rozwijać i uruchamiać kubsaty, a dla osób fizycznych poketsaty.

Ponadto do produkcji satelitów sześciennych i satelitów kieszonkowych opracowywane są ultramałe pojazdy nośne - nanonośniki.

Podanie

Mały statek kosmiczny może być używany do:

Badania systemów komunikacji
Kalibracja radarowych i optycznych systemów sterowania przestrzeń kosmiczna(w tym pasywny statek kosmiczny)
Teledetekcja ziemi (ERS)
Badania systemów kablowych
Do celów edukacyjnych.

Statystyka

W latach 1990-2003 na orbitę wystrzelono 64 małe satelity o masie poniżej 30 kg, z czego 41 pochodziło ze Stanów Zjednoczonych.

Trochę historii

Historia satelitów CubeSat rozpoczęła się w 1999 roku, kiedy uniwersytety Caltech i Stanford wspólnie opracowały dokument określający specyfikacje małych satelitów. Norma określała wymiary, masy i inne parametry satelitów, a także procedury testowania i przygotowania do startu. Aktualna wersja standardu dostępna jest pod adresem http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers.

Wymiary satelitów

Standard CubeSat definiuje specyfikacje dla satelitów w rozmiarach 1 i 3, odpowiednio 1U i 3U. Waga satelitów nie przekracza 10 kg, co zgodnie z klasyfikacją międzynarodową odpowiada klasie nanosatelitów. W praktyce najbardziej rozpowszechnione są satelity o następujących rozmiarach:

Wymiary i waga satelitów CubeSat

Przeznaczenie	Wymiary (edytuj)	Waga
1U	100x100x113,5 mm	do 1,33 kg
2U	100x100x226,5 mm	do 2,67 kg
3U	100x100x340,5 mm	do 4 kg
4U	100x100x533,5 mm	do 5,33 kg
5U	100x100x665,5mm	6,67 kg
6U	100x200x340,5 mm	do 8 kg

Wymiary te uzyskuje się po prostu mnożąc wymiary standardowe przez rozmiar jednostki. Mniej powszechne w praktyce są pośrednie rozmiary satelitów 0,5U i 1,5U. Wymiary są skalowane w taki sposób, że standardowa wyrzutnia P-POD może pomieścić wiele satelitów o łącznej wysokości 3U.

Wyrzutnia P-POD i trzy satelity. Zdjęcie ze strony http://www.spaceref.com

Do oddzielenia satelitów od rakiety nie stosuje się środków pirotechnicznych, satelity są wypychane przez sprężynę. Odbywa się to ze względów bezpieczeństwa, ponieważ na ogół małe satelity są wystrzeliwane na orbitę jako ładunek przechodzący w towarzystwie ich większych odpowiedników. Ewentualne awarie systemów nanosatelitarnych nie powinny powodować uszkodzenia głównego aparatu.

Projekt satelity

Konstrukcyjnie satelity reprezentują ramę wykonaną z anodowanego aluminium. Cztery ściany to szyny, po których satelita ślizga się w momencie oddzielenia się od rakiety nośnej. Powierzchnie boczne pokryte są panelami słonecznymi. Tam też znajdują się anteny odbiornika i nadajnika.

Opcje umieszczania paneli słonecznych. Zdjęcie ze strony http://www.clyde-space.com

Wewnątrz obudowy znajdują się płytki drukowane dla różnych systemów satelitarnych i ładunków.
Podstawowe systemy to:

Moduł procesora
Urządzenia do obsługi kanałów radiowych i antenowych
System zasilania, baterie i kontroler ładowania, panele słoneczne
Opcjonalny. Satelitarny system pozycjonowania
Opcjonalny. Satelitarny system korekcji pozycji

Magistrala systemowa wywodzi się z systemu bazowego, do którego podłączone są karty payloadu. Magistrala systemowa zawiera linie zasilające i interfejsy komunikacyjne. Ładunek otrzymuje dostęp do kanału radiowego w celu wysłania zebranych danych na Ziemię.

Skład ładunku

Najczęściej ładunek obejmuje kamery, a także różne czujniki. Małe statki kosmiczne służą do zmiany pola magnetycznego i grawitacyjnego Ziemi, pomiaru składu i ilości naładowanych cząstek w przestrzeni bliskiej Ziemi (AAUsat2), przewidywania trzęsień ziemi (QuakeSat). Na pokładzie satelity CubeSat przeprowadzono nawet biochemiczny eksperyment z bakteriami (GeneSat1). Nanosatelity są często wykorzystywane do testowania podzespołów elektronicznych, rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych w realnej przestrzeni, tak aby można je było następnie wykorzystać w produkcji większych statków kosmicznych. Generalnie wyobraźnię badaczy ograniczają jedynie wymiary, masa i możliwości energetyczne, jakie zapewnia pokład małego statku kosmicznego.

Cena emisji

W specyfikacji CubeSata nałożono ideologię, której koncepcja opiera się na kilku postulatach.

Skrócenie czasu budowy satelity do 1-2 lat. Osiągnięty przez standaryzację projektu.
Zmniejszone koszty produkcji satelitów. Jest to możliwe do osiągnięcia dzięki powszechnemu stosowaniu tzw. komponentów COTS, tj. konwencjonalna elektronika zamiast wyspecjalizowanych kosmicznych komponentów elektronicznych.
Atrakcja dla rozwoju studentów studiów licencjackich i magisterskich.

W rezultacie według Wikipedii (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat) koszt opracowania satelity 1U CubeSat kosztuje 65-80 tys. dolarów, z czego 40 tys. dolarów przypada na usługi wystrzelenia satelity na orbitę. Na stronie holenderskiej firmy koszt zestawu do montażu satelity 1U to 39 000 euro. W skład zestawu wchodzą: obudowa, płytka komputera pokładowego, układ zasilania z bateriami, 6 baterii słonecznych, transceiver 144/433 MHz, układ antenowy. Nazywamy ten zestaw platformą podstawową. To o kilka rzędów wielkości mniej niż koszt „konwencjonalnych” satelitów, których budżety szacowane są na miliony dolarów.

Stosunkowo niski koszt wystrzelenia sprawił, że Cubesat jest jedną z najczęściej używanych platform satelitarnych na świecie. Od czerwca 2003 do lutego 2012 wystrzelono ponad 60 satelitów Cubesat http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php. Większość wystrzeleń małych satelitów została przeprowadzona na rosyjskich rakietach z kosmodromów Plesieck i Bajkonur.