Piața de nave spațiale Cubesat. Un format inovator pentru organizarea misiunilor de lansare a navelor spațiale mici

Autorii

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

1. Centrul de rachete și spațiu „Progres”, st. Zemetsa, 18, Samara, 443009, Rusia
2. Nationala Samara universitate de cercetare lor. Academicianul S.P. Koroleva, autostrada Moscova, 34, Samara, 443086, Rusia

* e-mail: [email protected]
** e-mail: [email protected]

adnotare

Articolul prezintă statisticile lansărilor de nave spațiale nano-clase mici în formatul „CubeSat”, inclusiv 2013, se face o concluzie despre creșterea și importanța pieței pentru serviciile de lansare a navelor spațiale din această clasă, vehiculele de lansare sunt descrise, care sunt în prezent create la FSUE GNPRKT-urile „TsSKB-Progress” și propuse spre dezvoltare pentru a sprijini misiunile navelor spațiale mici în formatul „CubeSat”. Dispozitivul de lansare propus și containerul de transport și lansare pentru nave spațiale mici de format „CubeSat” sunt descrise în detaliu, se trag concluzii despre posibilitatea organizării misiunilor de lansare a unei nave spațiale de acest format folosind noi metode organizatorice și tehnice și țara noastră luând un poziție de lider în furnizarea acestui serviciu.

Cuvinte cheie:

nave spațiale mici, Cubesat, platformă universală, lansator, tehnologii web, container de transport și lansare

Lista bibliografică

Lista lui Michael de misiuni de satelit Cubesat, disponibil la: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (accesat 16.07.2013).
Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. Un studiu asupra sistemelor de comunicații CubeSat, Jurnalul AMSAT, noiembrie / decembrie 2009, pp. 23-30.
Wikipedia EN: List of CubeSats , disponibil la: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (accesat la 16.07.2013).

Când Cubsats a devenit mare 14 aprilie 2015

CubeSat este un standard dimensional pentru micro și nanosateliți, propus în 1999 în Statele Unite. În ultimii 15 ani, ideea unui standard unic a schimbat foarte mult fața astronauticii fără pilot, a deschis posibilitatea creării de nave spațiale relativ ieftine pentru companii private, amatori, studenți, chiar și școlari. Datorită CubeSat, multe țări, ale căror bugete nu au atras astronautica tradițională, s-au putut lăuda cu prima lor navă spațială proprie.

O caracteristică a CubeSat este dimensiunile fixe care modifică mai multe, de ex. CubeSat 1U (unitate) este un cub spațial de 10x10x10 cm, 2U este deja două cuburi, i.e. 10x10x20 cm, 3U - 10x10x30 cm.Până acum, limita atinsă este 6U sau 10x20x30 cm.Multe elemente structurale, baterii, plăci, senzori, sisteme de comunicații au fost dezvoltate pentru standardele CubeSat... Ele vin constant cu ceva nou, fie un motor de sublimare sau o velă electromagnetică, apoi motorul cu plasmă. Acum se pregătesc să lanseze kubsat-uri echipate cu pânze solare reale.

Sateliții CubeSat sunt creați din electronice de calitate industrială, de exemplu. unul care este destinat funcționării pe Pământ și nu a fost pregătit pentru spațiu. În ciuda acestui fapt, capacitățile cipurilor moderne le permit să funcționeze în condiții aparent nepotrivite. Acestea pot fi de scurtă durată, dar asigură funcționarea dispozitivelor până la un an, sau chiar de câteva ori mai mult. Acum există magazine întregi online de electronice pentru CubeSat, deși este încă departe de nivelul computerelor moderne care pot fi achiziționate pe piese și asamblate acasă într-o singură seară. Totodată, trebuie să testați temeinic compatibilitatea sistemelor, să scrieți software, să lipiți, să depanați, în general, munca pentru mai mulți ingineri va fi suficientă pentru mai mult de o lună. Colegii noștri de la compania Sputniks au scris bine despre toate dificultățile.

În ciuda dificultăților existente, lucrul cu CubeSat este mult mai ușor decât în astronautica tradițională și au oferit o adevărată descoperire în spațiu pentru sute de studenți, zeci de entuziaști, oameni de știință și oameni de afaceri.

Dimensiunile standard ale CubeSat simplifică foarte mult procedura de lansare în spațiu. Ideea aici nu este doar în dimensiunea și masa lor mică. În general, se crede că masa în kilograme a unui satelit este cea care determină costul de lansare al acestuia. Dar când vine vorba de indicatori atât de nesemnificativi precum 1-3-9 kg, așa-numitul. adaptare. La urma urmei, nu este suficient să înșurubați satelitul la rachetă, atunci aveți nevoie de el pentru a trage înapoi timpul potrivit, la înălțimea potrivită și cu accelerația potrivită. Pentru sateliții obișnuiți, chiar și cei mici, trebuie să efectuați lucrări separate și să proiectați un adaptor care vă va permite să combinați un anumit satelit cu o anumită rachetă sau treaptă superioară. În cazul CubeSat, problema este rezolvată prin adaptarea unui container special.

Este suficient să adaptați containerul cu o rachetă sau un booster specific o dată și apoi să utilizați această schemă în timpul fiecărei lansări.

De exemplu, în Rusia acum o companie privată "Dauria Aerospace", în colaborare cu NPO-ul. Lavochkin lucrează la adaptarea containerelor CubeSat la Fregat.

Ca rezultat, va fi mai ușor să afișați cubesats pe parcurs atunci când lansați rachete Roskosmos. Anterior, zeci de „cuburi” au fost lansate cu racheta de conversie ruso-ucraineană Dnepr, dar acum Roscosmos urmează să o refuze pentru a încărca cu muncă producătorii ruși.

De asemenea, este posibil să lansați cubesats din Internațional statie spatiala... Pentru aceasta, pe segmentul american este echipat un sistem robotic special al companiei spațiale private NanoRacks. Sistemul permite lansarea pachetelor de cubesats, în timp ce nu necesită astronauți să meargă în spațiul cosmic.

Din segmentul rusesc, CubeSats sunt lansate individual și în mod clasic.

O lansare de pe ISS rezolvă multe probleme: este mai simplă și mai ieftină decât rachetele, nu necesită adaptare sau chiar container. Majoritatea CubeSat-urilor sunt lansate de la stație. Dar există și probleme aici. Sateliții sunt livrați la bordul navelor de marfă și pot sta timp de câteva săptămâni sau chiar luni înainte de lansare, drept urmare bateria de la bord poate fi descărcată și satelitul va zbura mort. Cosmonauții nu pot învia pe toată lumea, deși încearcă.

O altă problemă a lansării dintr-o stație este durata scurtă de viață a satelitului. La înălțimea ISS, efectul de decelerare al atmosferei terestre este încă relativ puternic, așa că chiar și cubeaturile mici durează mai puțin de doi ani, iar dacă satelitul are încă baterii solare pliabile, atunci acestea nu zboară timp de un an. Acest lucru îi mulțumește pe toți cei care sunt îngrijorați de puritatea spațiului, dar îi supără pe creatorii de dispozitive care ar dori să lucreze mai mult cu satelitul, să testeze echipamentul și să descopere capacitățile sale finale.

O lansare mai mare și mai lungă necesită un container și căutarea unei rachete potrivite. Containerul costă bani, și foarte mult, deși pare că este doar o cutie de aluminiu cu capac. Împreună cu containerul, costul de lansare pentru CubeSat poate varia de la 40 de mii de dolari până la 100 de mii de dolari și este doar pentru 1U. Dar acesta este un preț inevitabil de plătit dacă există un obiectiv de a lansa un satelit, care ar trebui să funcționeze mult timp și cu beneficii.

Acum despre beneficii. Primul deceniu de kubsats a trecut sub steagul universității. Studenții de la una sau alta universitate (mai ales americani sau britanici) și-au adunat cuburile, urmați de radioamatorii japonezi. Și în mediul profesional despre CubeSat, s-a dezvoltat un stereotip al unui fel de distracție frivolă, incompatibilă cu orice sarcini aplicate. Într-adevăr, aici unchii adulți au asamblat dispozitive cu o tonă sau mai mult de ani de zile, iar acolo unii studenți nituesc tweetere de kilograme în câteva luni.

În același timp, primele generații de cubesats au făcut posibilă elaborarea unei mulțimi de soluții tehnologice, încercarea de zeci de scheme și layout-uri diferite și testarea dispozitivelor de încărcare utilă. Și până în al doilea deceniu al secolului 21, s-a dovedit că chiar și astfel de copii sunt apți pentru muncă serioasă. De fapt, revoluția are loc acum sub ochii noștri.

Una dintre primele a fost compania Planet Labs, care a decis să construiască întreaga afacere pe cubesats. În 2013, au lansat o pereche de sateliți Dove, care și-au arătat capacitățile. Dimensiunea lor este de 3U, adică 10x10x30 cm.În aceste dimensiuni microscopice, conform standardelor astronauticii, dezvoltatorii au putut plasa nu doar un telescop de 90 mm și o matrice foto, ci și un sistem de orientare pe trei axe, format din trei motoare volantă și bobine magnetice. S-a dovedit a fi un aparat cu drepturi depline teledetecție Aterizează dimensiunea unei oglinzi foto convenționale.

Acum aparatele lor fac fotografii de înaltă calitate pe care le puteți admira în galeria lor.

Pentru comparație, un instantaneu de la un dispozitiv „adevărat” care cântărește 450 kg

Desigur, fiabilitatea și performanța „Porumbeilor” este mult mai mică decât cea a sateliților tradiționali, dar prețul lor și capacitatea de a lansa zeci de piese deschid perspective mari. În același timp, fiabilitatea fiecărei noi generații crește, deoarece inginerii primesc o cantitate imensă de date pe sisteme și pot înlocui rapid elementele nesigure. Acestea. testele de zbor și testele sunt efectuate mult mai rapid decât a fost cu vehiculele mari.

Acum Planet Labs a atras investiții de aproape 140 de milioane de dolari, iar acum sarcina lor principală este să reconstruiască infrastructura terestră și să găsească modalități eficiente de a monetiza datele satelitare. Scopul lor este un analog actualizat zilnic al Google Maps.

Am vorbit deja de multe ori despre Planet Labs, dar îmi place un alt exemplu de companie care a apărut dintr-un cerc de fani Arduino. Ei au lansat mai întâi ideea de a crea un nanosatelit ArduSat pe KickStarter. Comunității i-a plăcut atât de mult ideea încât, atunci când au cerut un satelit, au apelat pentru doi. Au atras atenția cu ideea lor de a oferi control prin satelit pentru toată lumea, contra cost. Chiar înainte de lansare, după o campanie de strângere de fonduri de succes, au găsit primii investitori. Până și Dmitri Grishin, CEO-ul rus și fondatorul Mail.Ru, a investit în ele, deși a alocat „doar” 300.000 de dolari în câteva zeci de dispozitive. Judecând după site-ul lor web, vor construi o rețea extinsă LEO pentru primirea datelor AIS.

Rezultatul va fi o hartă actualizată rapid a mișcării navelor în mări și oceane. Există astfel de servicii acum, dar în mare parte funcționează pe baza stațiilor de coastă și există mai puțin de două duzini de sateliți AIS pe orbită. Spire vrea să alerge 100.

Vorbind despre AIS, există și o pereche de cubesats-uri pe orbită - Perseus-M - aceasta este o dezvoltare comună a diviziilor americane și ruse ale Dauria Aerospace. Al nostru de acolo a participat la dezvoltarea designului general, layout-ului și scrierea software-ului. Dimensiunea satelitului este de 6U, sarcina utilă este, de asemenea, un senzor AIS și zboară din iunie 2014. Testarea încărcăturii utile tocmai a fost finalizată, iar sateliții și-au construit propria hartă a transportului maritim mondial. Acum ne pregătim să implementăm o rețea de stații la sol pentru a începe să furnizăm date operaționale de calitate comercială.

Cu toate acestea, scopul lui Dauria nu este afacerea AIS. Doar că astfel de senzori au fost aleși pentru testarea platformei satelit. Și posibilitățile sale sunt mult mai mari, inclusiv poți pune o cameră acolo. De fapt, pe baza experienței acumulate în dezvoltarea lui Perseus-M, divizia rusă Dauria construiește doi sateliți în standardul CubeSat, la ordinul lui Roskosmos. Acestea sunt dispozitive mult mai complexe, cu o orientare pe trei axe, o cameră multispectrală și un transmițător de înaltă performanță în bandă Ka.

În viitor, compania este pregătită să adapteze platforma pentru tipuri diferite o mulțime de scopuri științifice și aplicate. De asemenea, dezvoltăm propriul container, astfel încât în curând Roskosmos să poată oferi o gamă completă de servicii, dacă cineva are nevoie să lanseze CubeSat. De exemplu, „Frigata” lui Lavochkin poate merge atât pe Marte, cât și pe Venus, trebuie doar să aștepte un zbor care trece.

Startup-ul rus Lin Industrial s-a angajat să creeze o micro-rachetă specială doar pentru lansarea cubesats-urilor. Este puțin probabil să iasă mai puțin de 100 de mii de dolari, dar poate fi interesant pentru acele orbite în care este imposibil să ajungi pe parcurs sau să aștepți o oportunitate mult timp.

Mini sateliți

3 microsateliți Space Technology 5 (ST5)

mini sateliți ( minisatelit; Mic satelit), au o masă totală (inclusiv combustibil) de la 100 kg la 500 kg. De asemenea, mini-sateliții sunt uneori denumiți așa-numiți. „Sateliți ușoare” cântărind de la 500 kg la 1000 kg. Astfel de sateliți pot folosi platforme, componente, tehnologii ale sateliților „mari” convenționali. Sunt mini-sateliți care sunt adesea înțeleși ca definiție generală„Sateliți mici”.

Microsateliți

Microsateliți ( microsatelit, microsat) au o masă totală de 10 până la 100 kg (uneori termenul se aplică vehiculelor puțin mai grele).

Nanosateliți

Nanosateliți ( nanosatelit, nanosat) au o masă de la 1 kg la 10 kg. Deseori concepute pentru lucrul în grup ( "Roi"- roi), unele grupuri necesită un satelit mai mare pentru a comunica cu Pământul.

Nanosateliții moderni se disting prin funcționalitatea lor relativ mare, în ciuda dimensiunilor reduse. Domeniul lor de aplicare este larg - de la încercări la observații spațiale:

Dezvoltarea celor mai noi tehnologii, metode și soluții software și hardware;
Programe educaționale;
Monitorizarea mediului;
Cercetare în domenii geofizice;
Observații astronomice.

Picosateliți

Picosateliți ( picosatelit, picosat) se numesc sateliți cu o masă de 100 g la 1 kg. De obicei conceput pentru a lucra în grup, uneori cu un satelit mai mare. Sateliții în format CubeSat (cubsat) au un volum de 1 litru și o masă de aproximativ 1 kg și pot fi considerați fie picosateliți mari, fie nanosateliți ușori. Cubsats sunt lansate mai multe unități simultan și au un cost de lansare de câteva zeci de mii de dolari.

Femto sateliți

Femto sateliți ( femtosatelit, femtosat) au o masă de până la 100 g. La fel ca picosateliții, sunt ultra-mici. Sateliți Poketsat (la propriu buzunar) au o dimensiune a masei de câteva sute sau zeci de grame și câțiva centimetri și pot fi considerați fie femto-sateliți, fie picosateliți ușori. Mai multe pocketsats pot fi compilate și rulate într-o locație de container și pentru prețul unui cubesat, adică pentru câteva mii de dolari fiecare.

Un cost atât de scăzut și unificarea platformelor și componentelor permite universităților și chiar școlilor, companiilor private mici și asociațiilor de amatori să dezvolte și să lanseze kubsats și poketsats pentru persoane fizice.

De asemenea, pentru producția de cubesats și pocketsats, sunt dezvoltate vehicule de lansare ultra-mici - nanocarriers.

Aplicație

Navele spațiale mici pot fi folosite pentru:

Cercetarea sistemelor de comunicații
Calibrarea sistemelor de control radar și optice spațiul cosmic(inclusiv nave spațiale pasive)
Teledetecția Pământului (ERS)
Studii ale sistemelor de cabluri
În scop educativ.

Statistici

În perioada 1990-2003, au fost lansați pe orbită 64 de sateliți mici cu o masă mai mică de 30 kg, dintre care 41 proveneau din Statele Unite.

Un pic de istorie

Istoria sateliților CubeSat a început în 1999, când universitățile Caltech și Stanford au dezvoltat împreună un document care a stabilit specificațiile pentru sateliții mici. Standardul a definit dimensiunile, greutățile și alți parametri ai sateliților, precum și procedurile de testare și pregătire a lansării. Versiunea actuală a standardului este disponibilă la http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers.

Dimensiunile sateliților

Standardul CubeSat definește specificații pentru sateliți în dimensiunile 1 și 3 unități, 1U și, respectiv, 3U. Greutatea sateliților nu depășește 10 kg, ceea ce, conform clasificării internaționale, corespunde clasei de nanosateliți. În practică, cei mai răspândiți sunt sateliții de următoarele dimensiuni:

Dimensiunile și greutățile sateliților CubeSat

Desemnare	Dimensiuni (editare)	Greutatea
1U	100x100x113,5 mm	până la 1,33 kg
2U	100x100x226,5 mm	până la 2,67 kg
3U	100x100x340,5 mm	pana la 4 kg
4U	100x100x533,5 mm	până la 5,33 kg
5U	100x100x665,5 mm	6,67 kg
6U	100x200x340,5 mm	pana la 8 kg

Aceste dimensiuni sunt obținute prin simpla înmulțire a dimensiunilor standard cu dimensiunea unității. Mai puțin frecvente în practică sunt dimensiunile intermediare ale sateliților 0,5U și 1,5U. Dimensiunile sunt scalate astfel încât un lansator P-POD standard să poată găzdui mai mulți sateliți în valoare totală de 3U.

Pod de lansare P-POD și trei sateliți. Fotografie de pe site-ul http://www.spaceref.com

Nu se folosește pirotehnică pentru a separa sateliții de vehiculul de lansare; sateliții sunt împinși afară de un arc. Acest lucru se face din motive de siguranță, deoarece, în general, sateliții mici sunt lansați pe orbită ca sarcină de trecere în compania omologilor lor mai mari. Posibilele defecțiuni ale sistemelor de nanosateliți nu ar trebui să provoace deteriorarea aparatului principal.

Proiectare prin satelit

Din punct de vedere structural, sateliții reprezintă un cadru din aluminiu anodizat. Cele 4 fețe sunt șinele de-a lungul cărora alunecă satelitul în momentul separării de vehiculul de lansare. Suprafețele laterale sunt acoperite cu panouri solare. Acolo se află și antenele receptorului și emițătorului.

Opțiuni pentru amplasarea panourilor solare. Fotografie de pe site-ul http://www.clyde-space.com

În interiorul carcasei sunt plăci de circuite imprimate pentru diferite sisteme de satelit și sarcini utile.
Sistemele de bază sunt:

modul CPU
Dispozitive de alimentare cu canale radio și antenă
Sistem de alimentare, baterii și controler de încărcare, panouri solare
Opțional. Sistem de poziționare prin satelit
Opțional. Sistem de corectare a poziției prin satelit

Busul de sistem este derivat din sistemul de bază, la care sunt conectate plăcile de sarcină utilă. Busul de sistem conține linii electrice și interfețe de comunicație. Sarcina utilă are acces la un canal radio pentru a trimite datele colectate pe Pământ.

Compoziția sarcinii utile

Cel mai adesea, sarcina utilă include camere, precum și diverși senzori. Navele spațiale mici sunt folosite pentru a modifica câmpurile magnetice și gravitaționale ale Pământului, pentru a măsura compoziția și cantitatea de particule încărcate în spațiul apropiat (AAUsat2), pentru a prezice cutremure (QuakeSat). Chiar și un experiment biochimic cu bacterii (GeneSat1) a fost efectuat la bordul satelitului CubeSat. Nanosateliții sunt adesea folosiți pentru a testa componente electronice, design și soluții tehnologice în spațiu real, astfel încât să poată fi apoi utilizați în producția de nave spațiale mai mari. În general, imaginația cercetătorilor este limitată doar de dimensiunile, greutatea și capacitățile energetice oferite la bordul unei nave spațiale mici.

Prețul de emisiune

În specificația CubeSat a fost introdusă o ideologie, al cărei concept se bazează pe mai multe postulate.

Reducerea timpului de dezvoltare a satelitului la 1-2 ani. Obținut prin standardizarea designului.
Costuri reduse de producție prin satelit. Acest lucru este realizabil datorită utilizării pe scară largă a așa-numitelor componente COTS, de ex. electronice convenționale în locul componentelor electronice spațiale specializate.
Atracție pentru dezvoltarea studenților de licență și absolvenți.

Drept urmare, conform Wikipedia (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat), costul dezvoltării unui satelit 1U CubeSat costă 65-80 de mii de dolari, din care 40.000 de dolari se încadrează în serviciile de lansare a satelitului pe orbită. Pe site-ul unei companii olandeze, costul unui kit de asamblare satelit 1U este de 39.000 de euro. Kitul include: o carcasă, o placă de computer de bord, un sistem de alimentare cu baterii, 6 baterii solare, un transceiver 144/433 MHz, un sistem de antenă. Numim acest set Platforma de bază. Acesta este cu câteva ordine de mărime mai mic decât costul sateliților „convenționali”, ale căror bugete sunt estimate la milioane de dolari.

Costul relativ scăzut de lansare a făcut din standardul Cubesat una dintre cele mai utilizate platforme de satelit din lume. Din iunie 2003 până în februarie 2012, au fost lansati peste 60 de sateliți Cubesat http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php. Majoritatea lansărilor de sateliți mici au fost efectuate pe rachete de fabricație rusă din cosmodromele Plesetsk și Baikonur.