Ринок космічних апаратів типу Cubesat. Інноваційний формат організації місій із виведення малих космічних апаратів

Автори

Космодем'янський Є. В. 1 * , Кириченко А. С. 1 * , Клюшин Д. І. 1 * , Космодем'янська О. В. 1 * , Макушев В. В. 1 * , Альмурзін П. П. 2 **

1. Ракетно-космічний центр "Прогрес", вул. Земеца, 18, Самара, 443009, Росія
2. Самарський національний дослідницький університетім. академіка С.П. Корольова, Московське шосе, 34, Самара, 443086, Росія

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

Анотація

У статті наведено статистику пусків малих космічних апаратів нано-класу формату «CubeSat», включаючи 2013 рік, зроблено висновок про зростання та значущість ринку пускових послуг КА даного класу, описані засоби виведення, що створюються в даний час у ФГУП ДНПРКЦ «ЦСКБ-Прогрес» та запропоновані для розробки для забезпечення місій МКА формату «CubeSat». Докладно описані пропонований пусковий пристрій та транспортно-пусковий контейнер для МКА формату «CubeSat», зроблені висновки щодо можливості організації місій з виведення КА даного формату з використанням нових організаційно-технічних прийомів та зайняття нашою країною лідируючих позицій щодо забезпечення даної послуги.

Ключові слова:

малий космічний апарат, Cubesat, універсальна платформа, пусковий пристрій, web-технології, транспортно-пусковий контейнер

бібліографічний список

Michael's List of Cubesat Satellite Missions, available at: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (accessed 16.07.2013).
Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. A Survey of CubeSat Communication Systems, the AMSAT Journal, November/December 2009, pp. 23-30.
Wikipedia EN: List of CubeSats , available at: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (accessed 16.07.2013).

Коли кубсати стали більшими April 14th, 2015

CubeSat - розмірний стандарт мікро та наносупутників, запропонований у 1999 році в США. За минулі 15 років ідея єдиного стандарту дуже змінила вигляд безпілотної космонавтики, відкрила можливість порівняно недорого створювати космічні апарати приватним компаніям, аматорам, студентам, навіть школярам. Завдяки CubeSat багато країн, бюджети яких не тягнули традиційну космонавтику, змогли похвалитися першим власним космічним апаратом.

Особливість CubeSat – фіксовані габарити, що змінюються кратно, тобто. CubeSat 1U (unit) – це космічний кубик 10х10х10 см, 2U – це вже два кубики тобто. 10х10х20 см, 3U - 10х10х30 см. Поки досягнута межа - 6U або 10х20х30 см. Під стандарти CubeSat розроблено багато конструкційних елементів, батарей, плат, датчиків, систем комунікації... Постійно вигадують щось нове, то сублімаційний , То плазмовий двигун. Наразі готуються до запуску кубсати обладнані справжніми сонячними вітрилами.

Створюються супутники CubeSat із електроніки індустріального класу, тобто. тій, що призначена для експлуатації на Землі, і не готувалася до космосу. Незважаючи на це, можливості сучасних чіпів дозволяють їм працювати в начебто непридатних умовах. Вони можуть бути недовговічними, але забезпечують працездатність апаратів до року, а то й більше в кілька разів. Зараз існують цілі інтернет-магазини електроніки для CubeSat, хоча до рівня сучасних комп'ютерів, які можна купити частинами і за один вечір зібрати вдома, поки що далеко. Все одно доводиться ретельно тестувати сумісність систем, писати програмне забезпечення, паяти, налагоджувати, загалом роботи для кількох інженерів вистачить не на один місяць. Про всі складнощі добре написали наші колеги з компанії Супутнікс.

Незважаючи на складності, робота з CubeSat набагато простіше ніж у традиційній космонавтиці, і вони забезпечили справжній прорив у космос для сотень студентів, десятків ентузіастів, учених та бізнесменів.

Стандартні габарити CubeSat значно полегшують процедуру виведення в космос. Справа тут не тільки в їхньому малому розмірі та масі. Зазвичай вважається, що маса в кілограмах супутника визначає його вартість виведення. Але коли справа стосується таких незначних показників як 1-3-9 кг, суттєвою статтею видатків стає т.зв. адаптація. Адже мало супутник прикрутити до ракети, потім треба щоб він відстрілився потрібний час, на потрібній висоті та з потрібним прискоренням. Під звичайні супутники, навіть маленькі, доводиться проводити окрему роботу та конструювати адаптер, який дозволить поєднати конкретний супутник із конкретною ракетою чи розгінним блоком. У випадку CubeSat питання вирішується за допомогою адаптації спеціального контейнера.

Достатньо одного разу провести адаптацію контейнера з конкретною ракетою або розгінним блоком і надалі користуватися цією схемою під час кожного запуску.

Наприклад, у Росії сьогодні приватна компанія "Даурія Аероспейс" разом з НУО ім. Лавочкіна веде роботу з адаптації контейнерів CubeSat на "Фрегат".

В результаті спроститься можливість виводити попутно кубсати під час запуску ракет Роскосмосу. Раніше "кубики" десятками запускали конверсійною російсько-українською ракетою "Дніпро", але зараз від неї Роскосмос збирається відмовлятися для того, щоб завантажити роботою російських виробників.

Ще є можливість запускати кубсати з Міжнародною космічної станції. Для цього на американському сегменті обладнано спеціальну роботизовану систему приватної космічної компанії NanoRacks. Система дозволяє запускати пачками кубсати, причому вона не вимагає виходу астронавтів у відкритий космос.

З російського сегмента CubeSat запускаються поштучно і класичним способом.

Запуск з МКС вирішує багато проблем: він простіше і дешевше за ракети, для нього не потрібна адаптація і навіть контейнер. Більшість CubeSat запускає саме зі станції. Але тут є проблеми. Супутники доставляються на борту вантажних кораблів, можуть пролежати до запуску кілька тижнів або навіть місяців, у результаті бортова батарея може розрядитися і супутник полетить мертвим. Воскресати кожного у космонавтів не виходить, хоч вони й намагаються.

Інша проблема старту зі станції – невеликий термін життя супутника. На висоті МКС ще порівняно сильно гальмує вплив земної атмосфери, тому навіть маленькі кубсати тримаються менше двох років, а якщо супутник має ще розкладні сонячні батареї, то й року не літають. Це радує всіх, хто переживає за чистоту космосу, але засмучує творців апаратів, які хотіли б довше попрацювати з супутником, провести випробування обладнання та дізнатися про його граничні можливості.

Вищий і довготривалий запуск вимагає контейнера, і пошуку відповідної ракети. Контейнер коштує грошей, і чимало, хоча і здається, що це лише алюмінієва коробка з кришкою. Разом із контейнером вартість запуску для CubeSat може змінюватись від $40 тис. $100 тис. і це лише за 1U. Але це неминуча плата, якщо є мета запустити супутник, який має працювати довго та з користю.

Тепер про користь. Перше десятиліття кубсатів пройшло під університетськими прапорами. Студенти то одного, то іншого вишу (здебільшого американського чи британського) збирали свої кубики, за ними встигали японські радіоаматори. І в професійному середовищі про CubeSat склався стереотип якоїсь несерйозної гри, не сумісної з жодними прикладними завданнями. Справді, тут дорослі дядьки роками збирають апарати по тонні й більше, а там якісь студенти клепають кілограмові пищалки за кілька місяців.

У той же час перші покоління кубсатів дозволили відпрацювати масу технологічних рішень, перепробувати десятки різних схем і компоновок, випробувати прилади корисного навантаження. І до другого десятиліття XXI століття виявилося, що навіть такі діти придатні до серйозної роботи. Фактично зараз відбувається революція на наших очах.

Однією з перших стала компанія Planet Labs, хто наважився весь бізнес збудувати на кубсатах. 2013 року вони запустили пару супутників Dove ("Голуб"), які показали свої можливості. Розмір їх 3U, тобто. 10х10х30 см. У ці мікроскопічні, за мірками космонавтики, габарити, розробники змогли розмістити не лише 90 мм телескоп та фотоматрицю, а й триосьову систему орієнтації, що складається з трьох двигунів-маховиків та магнітних котушок. Вийшов повноцінний апарат дистанційного зондування Землі, розміром із звичайну фотодзеркалку.

Нині їхні апарати роблять якісні знімки, якими можна помилуватися у їхній галереї.

Для порівняння, знімок із "справжнього" апарату масою 450 кг

Зрозуміло надійність і продуктивність "Голубів" значно нижчі за традиційні супутники, але їх ціна і можливість запуску десятками штук, відкриває великі перспективи. У цьому надійність кожного покоління підвищується, т.к. інженери отримують величезний обсяг даних із систем, і можуть оперативно замінювати ненадійні елементи. Тобто. льотні випробування та відпрацювання проводиться набагато швидше, ніж це було з великими апаратами.

Зараз Planet Labs залучила майже $140 млн інвестицій, і тепер їхнє головне завдання відбудувати наземну інфраструктуру та знайти ефективні шляхи монетизації супутникових даних. Їхня мета - щодобово оновлюваний аналог гуглокарт.

Про Planet Labs я вже неодноразово розповідав, але мені більше подобається інший приклад компанії, яка виросла із гуртка любителів Arduino. Спочатку вони на KickStarter закинули ідею створити наносупутник ArduSat. Ідея так сподобалася спільноті, що, запросивши на один супутник, вони набрали на два. Вони привернули увагу своєю ідеєю надавати управління супутників усім охочим за певну плату. Ще до запуску після успішної кампанії збору коштів вони знайшли перших інвесторів. У них вклався навіть росіянин гендиректор і засновник Mail.Ru Дмитро Гришин, щоправда виділив він "всього" $300 тис. Про підсумки запуску та випробувань супутників вони особливо не поширювалися, але швидко перейменувалися з NanoSatisfy у Spire залучили $20 млн інвестицій на розгортання кілька десятків апаратів. Судячи з їхнього сайту, вони збираються побудувати велику низькоорбітальну мережу прийому АІС даних.

Підсумком стане картка переміщення суден, що швидко оновлюється, в морях і океанах. Такі послуги є і зараз, але в основному вони працюють на основі берегових станцій, а АІС-супутників на орбіті менше двох десятків. Spire хочуть запустити сто.

До слова про АІС, є на орбіті і пара наших кубсатів – Perseus-M – це спільна розробка американського та російського підрозділів "Даурії Аероспейс". Наші там брали участь у опрацюванні загального дизайну, компонування та написання ПЗ. Розмір супутника 6U, корисне навантаження теж датчик АІС, літають із червня 2014 року. Нещодавно завершилося тестування корисного навантаження, і супутники побудували свою власну карту світового судноплавства. Зараз готуємося до розгортання мережі наземних станцій, щоб почати постачати оперативні дані комерційної якості.

Втім, ціль "Даурії" не АІС бізнес. Просто такі датчики було обрано для тестування супутникової платформи. А можливості її набагато більші, у тому числі можна і камеру туди поставити. Власне, на основі досвіду, отриманого в розробці Perseus-M, російський підрозділ"Даурії" створює два супутники в стандарті CubeSat на замовлення Роскосмосу. Це набагато складніші апарати з триосьовою орієнтацією, мультиспектральною камерою, високопродуктивним передавачем Ka-діапазону.

У перспективі, компанія готова адаптувати платформу під різні видинавантажень наукового та прикладного призначення. Свій контейнер теж розробляємо, тому скоро Роскосмос зможе пропонувати повний комплекс послуг, якщо кому треба запустити CubeSat. Наприклад, лавочкінський "Фрегат" і на Марс, і на Венеру може тільки треба дочекатися попутного рейсу.

Російський стартап "Лін Індастріал" взявся створити спеціальну мікроракету для запуску кубсатів. Навряд чи вона вийде дешевше за $100 тис., але вона може бути цікавою для тих орбіт, куди попутно не долетіти або довго чекати на оказію.

Міні-супутники

3 мікросупутники Space Technology 5 (ST5)

Міні-супутники ( minisatellite; Small satellite), мають повну масу (разом із паливом) від 100 кг до 500 кг. Також до міні-супутників іноді відносять т.з. "легкі супутники" масою від 500 кг до 1000 кг. Такі супутники можуть використовувати платформи, компоненти, технології звичайних великих супутників. Саме міні-супутники часто розуміються під загальним визначенням"малі супутники".

Мікросупутники

Мікросупутники ( microsatellite, microsat) мають повну масу від 10 до 100 кг (іноді термін застосовується і до трохи важчих апаратів).

Наносупутники

Наносупутники ( nanosatellite, nanosat) мають масу від 1 кг до 10 кг. Часто проектуються для роботи у групі ( "swarm"- рой), деякі групи вимагають наявності більшого супутника для зв'язку із Землею.

Сучасні наносупутники відрізняються відносно великою функціональністю, незважаючи на свій малий розмір. Їх сфера застосування широка - від спроб до космічних спостережень:

Відпрацювання новітніх технологій, методів та програмно-апаратних рішень;
Освітні програми;
Екологічний моніторинг;
Дослідження геофізичних полів;
Астрономічні спостереження.

Пікосупутники

Пікосупутниками ( picosatellite, picosat) називають супутники з масою від 100 г до 1 кг. Зазвичай проектуються для роботи в групі, іноді з більшим супутником. Супутники формату CubeSat (кубсат) має об'єм 1 літр і масу близько 1 кг і можуть вважатися або великими пікосупутниками, або легкими наносупутниками. Кубсати запускаються кілька одиниць за раз і мають вартість виведення кілька десятків тисяч доларів.

Фемтосупутники

Фемтосупутники ( femtosatellite, femtosat) мають масу до 100 г. Як і пікосупутники відносяться до надмалих . Супутники формату покетсат (буквально кишеньковий) мають масу розмірність у кілька сотень або десятків грамів і кілька сантиметрів і можуть вважатися або фемтосупутниками, або легкими пікосупутниками. Декілька покетсатів можуть компонуватися та запускатися в контейнерному місці та за ціною одного кубсату, тобто за кілька тисяч доларів кожен.

Така низька вартість та уніфікація платформ та комплектуючих дозволяє розробляти та запускати кубсати університетам і навіть школам, невеликим приватним компаніям та аматорським об'єднанням, а покетсати – приватним особам.

Також для виведення кубсатів та покетсатів розробляються надмалі ракети-носії - наноносії.

Застосування

Малі космічні апарати можуть застосовуватися для:

Дослідження систем зв'язку
Калібрування РЛС та оптичних систем контролю космічного простору(у тому числі пасивні КА)
Дистанційного Зондування Землі (ДЗЗ)
Дослідження тросових систем
В освітніх цілях.

Статистика

За період з 1990 по 2003 рік на орбіту було виведено 64 малі супутники з масою менше 30 кг, з них 41 - США.

Трохи історії

Історія супутників CubeSat розпочалася у 1999 році, коли Каліфорнійський Технологічний та Стенфордський Університети спільно розробили документ, у якому були закріплені специфікації на малі супутники. У стандарті було визначено розміри, вагу та інші параметри супутників, а також процедури тестування та підготовки до запуску. Поточна версія стандарту доступна за адресою http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers.

Розміри супутників

У стандарті CubeSat визначено специфікації для супутників розміром 1 та 3 юніту, 1U та 3U відповідно. Вага супутників не перевищує 10кг, що за міжнародною класифікацією відповідає класу наносупутників. Фактично, найбільшого поширення набули супутники таких розмірів:

Розміри та вага супутників CubeSat

Позначення	Розміри	Вага
1U	100х100х113, 5 мм	до 1,33 кг
2U	100х100х226,5 мм	до 2,67 кг
3U	100х100х340, 5 мм	до 4 кг
4U	100х100х533, 5 мм	до 5,33 кг
5U	100х100х665, 5 мм	6,67 кг
6U	100х200х340,5 мм	до 8 кг

Ці розміри виходять простим множенням стандартних розмірів на величину юніту. Рідше у практиці зустрічаються проміжні розміри супутників 0.5U та 1.5U. Розміри масштабуються таким чином, що стандартний пусковий контейнер P-POD поміщаються кілька супутників сумарним розміром 3U.

Пусковий контейнер P-POD та три супутники. Фото із сайту http://www.spaceref.com

Для відокремлення супутників від ракети-носія не використовується піротехніка, супутники виштовхуються пружиною. Це з міркувань безпеки, оскільки, переважно, малі супутники виводяться на орбіту як попутне навантаження у компанії більших побратимів. Можливі несправності в системах наносупутників не повинні спричинити пошкодження основного апарату.

Конструкція супутників

Конструктивно супутники є каркасом виконаним з анодованого алюмінію. 4 грані є рейками, якими супутник ковзає в момент відділення від ракети-носія. Бічні поверхні покриваються сонячними батареями. Там же розташовуються антени приймача та передавача.

Варіанти розміщення сонячних батарей. Фото із сайту http://www.clyde-space.com

Усередині корпусу розміщуються друковані плати різних систем супутника та корисного навантаження.
Базовими системами є:

Модуль центрального процесора
Радіоканал та антенно-фідерні пристрої
Система живлення, акумулятори та контролер заряду, сонячні батареї
Опціонально. Система визначення положення супутника
Опціонально. Система корекції положення супутника

Від базової системи виведено системну шину, до якої підключаються плати корисного навантаження. Системна шина містить лінії живлення та комунікаційні інтерфейси. Корисного навантаження надається доступ до радіоканалу для надсилання зібраних даних на Землю.

Склад Корисного Навантаження

Найчастіше до складу корисного навантаження входять фотокамери, а також різні датчики. Малі космічні апарати використовують для зміни магнітного та гравітаційного полів Землі, вимірювання складу та кількості заряджених частинок у навколоземному просторі (AAUsat2), передбачення землетрусів (QuakeSat). На борту супутника CubeSat проводився навіть біохімічний експеримент із бактеріями (GeneSat1). Часто наносупутники використовують для випробувань електронних компонентів, конструктивних та технологічних рішень в умовах реального космосу, щоб потім застосувати їх у виробництві більших космічних апаратів. Загалом, фантазія дослідників обмежується лише габаритами, вагою та енергетичними можливостями, що надаються на борту малого космічного апарату.

Ціна запитання

У специфікації CubeSat було закладено ідеологію, концепція якої виходить з кількох постулатах.

Зменшення часу розробки супутника до 1-2 років. Досягається з допомогою стандартизації конструкції.
Зменшення витрат за виробництво супутника. Це можна досягти завдяки широкому використанню, про COTS компонентів, тобто. звичайній електроніки замість спеціалізованих космічних електронних компонентів.
Залучення для розробки студентів та аспірантів.

В результаті за даними Вікіпедії (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat) вартість розробки супутника 1U CubeSat обходиться в 65-80 тисяч доларів, з яких 40000 $ припадає на послуги із запуску супутника на орбіту. На сайті однієї Голландської компанії вартість комплекту для збирання супутника 1U складає 39000 євро. В комплект входять: корпус, плата бортового комп'ютера, система живлення з акумуляторами, 6 сонячних батарей, 144/433МГц трансівер, антена система. Ми називаємо такий комплект Базовою платформою. Це на кілька порядків менше за вартість "звичайних" супутників, бюджети яких обчислюються мільйонами доларів.

Відносно низька вартість запуску дозволила стандарту Cubesat стати однією з найпоширеніших супутникових платформ у світі. Починаючи з червня 2003 до лютого 2012 року було запущено понад 60 супутників Cubesat http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php . Більшість запусків малих супутників було здійснено на ракетах російського виробництва з космодромів Плесецьк та Байконур.