Рынок космических аппаратов типа cubesat. Как устроены «кубсаты» (CubeSat)? (6 фото)

Когда кубсаты стали большими April 14th, 2015

CubeSat - размерный стандарт микро и наноспутников, предложенный в 1999 году в США. За минувшие 15 лет идея единого стандарта сильно изменила облик беспилотной космонавтики, открыла возможность сравнительно недорого создавать космические аппараты частным компаниям, любителям, студентам, даже школьникам. Благодаря CubeSat многие страны, бюджеты которых не тянули традиционную космонавтику, смогли похвалиться первым собственным космическим аппаратом.

Особенность CubeSat - фиксированные габариты, которые меняются кратно, т.е. CubeSat 1U (unit) - это космический кубик 10х10х10 см, 2U - это уже два кубика т.е. 10х10х20 см, 3U - 10х10х30 см. Пока достигнутый предел - 6U или 10х20х30 см. Под стандарты CubeSat разработаны многие конструкционные элементы, батареи, платы, датчики, системы коммуникации... Постоянно придумывают что-то новое, то сублимационный двигатель, то электромагнитный парус, то плазменный двигатель. Сейчас готовятся к запуску кубсаты оборудованные настоящими солнечными парусами.

Создаются спутники CubeSat из электроники индустриального класса, т.е. той, которая предназначена для эксплуатации на Земле, и не готовилась к космосу. Несмотря на это, возможности современных чипов позволяют им работать в казалось бы непригодных условиях. Они могут быть недолговечны, но обеспечивают работоспособность аппаратов до года, а то и больше в несколько раз. Сейчас существуют целые интернет-магазины электроники для CubeSat, хотя до уровня современных компьютеров, которые можно закупить по частям и за один вечер собрать дома, пока еще далеко. Все равно приходится тщательно тестировать совместимость систем, писать программное обеспечение, паять, отлаживать, в общем работы для нескольких инженеров хватит не на один месяц. Обо всех сложностях хорошо написали наши коллеги из компании “Спутникс”.

Несмотря на имеющиеся сложности, работа с CubeSat намного проще чем в традиционной космонавтике, и они обеспечили настоящий прорыв в космос для сотен студентов, десятков энтузиастов, ученых и бизнесменов.

Стандартные габариты CubeSat значительно упрощают процедуру выведения в космос. Дело тут не только в их малом размере и массе. Обычно считается, что именно масса в килограммах спутника определяет его стоимость выведения. Но когда дело касается таких незначительных показателей как 1-3-9 кг, существенной статьей расходов становится т.н. адаптация. Ведь мало спутник прикрутить к ракете, потом надо чтобы он отстрелился в нужное время, на нужной высоте и с нужным ускорением. Под обычные спутники, даже маленькие, приходится проводить отдельную работу и конструировать адаптер, который позволит совместить конкретный спутник с конкретной ракетой или разгонным блоком. В случае с CubeSat вопрос решается при помощи адаптации специального контейнера.

Достаточно однажды провести адаптацию контейнера с конкретной ракетой или разгонным блоком, и в дальнейшем пользоваться этой схемой во время каждого запуска.

К примеру, в России сейчас частная компания "Даурия Аэроспейс" совместно с НПО им. Лавочкина ведет работу по адаптации контейнеров CubeSat на "Фрегат".

В результате упростится возможность выводить попутно кубсаты при запуске ракет Роскосмоса. Ранее, "кубики" десятками запускали конверсионной российско-украинской ракетой "Днепр", но сейчас от нее Роскосмос собирается отказываться для того чтобы загрузить работой российских производителей.

Еще есть возможность запускать кубсаты с Международной космической станции. Для этого на американском сегменте оборудована специальная роботизированная система частной космической компании NanoRacks. Система позволяет запускать пачками кубсаты, при этом она не требует выхода астронавтов в открытый космос.

С российского же сегмента CubeSat запускаются поштучно и классическим способом.

Запуск с МКС решает многие проблемы: он проще и дешевле ракет, для него не требуется адаптация и даже контейнер. Большинство CubeSat запускаются именно со станции. Но и здесь есть проблемы. Спутники доставляются на борту грузовых кораблей, могут пролежать до запуска несколько недель или даже месяцев, в результате чего бортовая батарея может разрядиться и спутник полетит мертвым. Воскрешать каждого у космонавтов не получается, хоть они и пытаются.

Другая проблема старта со станции - небольшой срок жизни спутника. На высоте МКС еще сравнительно сильно тормозящее воздействие земной атмосферы, поэтому даже маленькие кубсаты держатся меньше двух лет, а если у спутника есть еще раскладные солнечные батареи, то и года не летают. Это радует всех, кто переживает за чистоту космоса, но расстраивает создателей аппаратов, которые хотели бы дольше поработать со спутником, провести испытания оборудования и узнать его предельные возможности.

Более высокий и долговременный запуск требует контейнера, и поиска подходящей ракеты. Контейнер стоит денег, и немало, хотя и кажется, что это всего лишь алюминиевая коробка с крышкой. Вместе с контейнером стоимость запуска для CubeSat может меняться от $40 тыс. $100 тыс. и это только за 1U. Но это неизбежная плата, если есть цель запустить спутник, который должен работать долго и с пользой.

Теперь о пользе. Первое десятилетие кубсатов прошло под университетскими знаменами. Студенты то одного, то другого вуза (по большей части американского или британского) собирали свои кубики, за ними поспевали японские радиолюбители. И в профессиональной среде о CubeSat сложился стереотип какой-то несерьезной забавы, не совместимой ни с какими прикладными задачами. Действительно, тут взрослые дяди годами собирают аппараты по тонне и больше, а там какие-то студенты клепают килограммовые пищалки за несколько месяцев.

В то же время, первые поколения кубсатов позволили отработать массу технологических решений, перепробовать десятки различных схем и компоновок, испытать приборы полезной нагрузки. И ко второму десятилетию XXI века оказалось, что даже такие малыши годны к серьезной работе. Фактически сейчас вершится революция на наших глазах.

Одной из первых стала компания Planet Labs, кто решился весь бизнес построить на кубсатах. В 2013 году они запустили пару спутников Dove ("Голубь"), которые показали свои возможности. Размер их 3U, т.е. 10х10х30 см. В эти микроскопические, по меркам космонавтики, габариты, разработчики смогли разместить не только 90 мм телескоп и фотоматрицу, но и трехосевую систему ориентации, состоящую из трех двигателей-маховиков и магнитных катушек. Получился полноценный аппарат дистанционного зондирования Земли, размером с обычную фотозеркалку.

Сейчас их аппараты делают качественные снимки, которыми можно полюбоваться в их галерее .

Для сравнения, снимок с "настоящего" аппарата массой 450 кг

Разумеется надежность и производительность "Голубей" значительно ниже чем традиционных спутников, но их цена и возможность запуска десятками штук, открывает большие перспективы. При этом надежность каждого нового поколения повышается, т.к. инженеры получают огромный объем данных по системам, и могут оперативно заменять ненадежные элементы. Т.е. летные испытания и отработка проводится намного быстрее, чем это было с большими аппаратами.

Сейчас Planet Labs привлекла почти $140 млн инвестиций, и теперь их главная задача отстроить наземную инфраструктуру и найти эффективные пути монетизации спутниковых данных. Их цель - ежесуточно обновляемый аналог гуглокарт.

Про Planet Labs я уже неоднократно рассказывал, но мне больше нравится другой пример компании, которая выросла из кружка любителей Arduino. Сначала они на KickStarter закинули идею создать наноспутник ArduSat. Идея так понравилась сообществу, что запросив на один спутник, они набрали на два. Они привлекли внимание своей идеей предоставлять управление спутников всем желающим, за определенную плату. Еще до запуска, после успешной кампании сбора средств, они нашли первых инвесторов. В них вложился даже россиянин гендиректор и основатель Mail.Ru Дмитрий Гришин, правда выделил он "всего" $300 тыс. Об итогах запуска и испытаний спутников они особо не распространялись, но быстро переименовались из NanoSatisfy в Spire привлекли $20 млн инвестиций на развертывание целой спутниковой сети в несколько десятков аппаратов. Судя по их сайту они собираются выстроить обширную низкоорбитальную сеть приема АИС данных.

Итогом станет быстрообновляемая карта перемещения судов в морях и океанах. Такие сервисы есть и сейчас, но в основном они работают на основе береговых станций, а АИС-спутников на орбите меньше двух десятков. Spire хотят запустить 100.

К слову об АИС, есть на орбите и пара наших кубсатов - Perseus-M - это совместная разработка американского и российского подразделений "Даурии Аэроспейс". Наши там участвовали в проработке общего дизайна, компоновки и написании ПО. Размер спутника 6U, полезная нагрузка тоже датчик АИС, летают с июня 2014 года. Недавно как раз завершилось тестирование полезной нагрузки, и спутники построили свою собственную карту мирового судоходства. Сейчас готовимся к развертыванию сети наземных станций, чтобы начать поставлять оперативные данные коммерческого качества.

Впрочем, цель "Даурии" не АИС бизнес. Просто такие датчики были выбраны для тестирования спутниковой платформы. А возможности ее намного больше, в том числе можно и камеру туда поставить. Собственно, на основе опыта полученного в разработке Perseus-M, российское подразделение “Даурии” создает два спутника в стандарте CubeSat по заказу Роскосмоса. Это гораздо более сложные аппараты, с трехосевой ориентацией, мультиспектральной камерой, высокопроизводительным передатчиком Ka-диапазона.

В перспективе, компания готова адаптировать платформу под различные виды нагрузок научного и прикладного назначения. Свой контейнер тоже разрабатываем, так что скоро Роскосмос сможет предлагать полный комплекс услуг, если кому надо запустить CubeSat. К примеру, лавочкинский "Фрегат" и на Марс, и на Венеру может, только надо дождаться попутного рейса.

Российский стартап “Лин Индастриал” взялся создать специальную микроракету как раз для запуска кубсатов. Вряд ли она выйдет дешевле $100 тыс., но она может быть интересна для тех орбит, куда попутно не долететь или долго ждать оказии.

Немного истории

История спутников CubeSat началась в 1999 году, когда Калифорнийский Технологический и Стенфордский Университеты совместно разработали документ, в котором были закреплены спецификации на малые спутники. В стандарте были определены размеры, вес и другие параметры спутников, а также процедуры тестирования и подготовки к запуску. Текущая версия стандарта доступна по адресу http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers .

Размеры спутников

В стандарте CubeSat определены спецификации для спутников размером 1 и 3 юнита, 1U и 3U, соответственно. Вес спутников не превышает 10кг, что по международной классификации соответстует классу наноспутников. Практически, наибольшее распространение получили спутники следующих размеров:

Размеры и вес спутников CubeSat

Обозначение	Размеры	Вес
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

Эти размеры получаются простым умножением стандартных размеров на величину юнита. Реже в практике встречаются промежуточные размеры спутников 0.5U и 1.5U. Размеры масштабируются таким образом, что в стандартный пусковой контейнер P-POD помещаются несколько спутников суммарным размером 3U.

Пусковой контейнер P-POD и три спутника. Фото с сайта http://www.spaceref.com

Для отделения спутников от ракеты-носителя не используется пиротехника, спутники выталкиваются пружиной. Это сделано из соображений безопасности, потому что, в основном, малые спутники выводятся на орбиту как попутная нагрузка в компании более крупных собратьев. Возможные неисправности в системах наноспутников не должны вызвать повреждений основного аппарата.

Конструкция спутников

Конструктивно спутники представляют собой каркас выполненный из анодированного алюминия. 4 грани являются рельсами, по которым спутник скользит в момент отделения от ракеты-носителя. Боковые поверхности покрываются солнечными батареями. Там же располагаются антенны приемника и передатчика.


Варианты размещения солнечных батарей. Фото с сайта http://www.clyde-space.com

Внутри корпуса располагаются печатные платы различных систем спутника и полезной нагрузки.
Базовыми системами являются:

1. Модуль центрального процессора
2. Радиоканал и антенно-фидерные устройства
3. Система питания, аккумуляторы и контроллер заряда, солнечные батареи
4. Опционально. Система определения положения спутника
5. Опционально. Система коррекции положения спутника

От базовой системы выведена системная шина, к которой подключаются платы полезной нагрузки. Системная шина содержит линии питания и коммуникационные интерфейсы. Полезной нагрузке предоставляется доступ к радиоканалу для отправки собранных данных на Землю.

Состав Полезной Нагрузки

Чаще всего в состав полезной нагрузки входят фотокамеры, а так же различные датчики. Малые космичечкие аппараты используют для изменения магнитного и гравитационного полей Земли, измерения состава и количества заряженных частиц в околоземном пространстве (AAUsat2), предсказание землетрясений (QuakeSat). Не борту спутника CubeSat проводился даже биохимический эксперимент с бактериями (GeneSat1). Часто наноспутники используют для испытаний электронных компонентов, конструктивных и технологических решений в условиях реального космоса, чтобы потом применить их в производстве более крупных космических аппаратов. В общем, фантазия исследователей ограничивается только габаритами, весом и энергетическими возможностями предоставляемыми на борту малого космического аппарата.

Цена вопроса

В спецификации CubeSat была заложена идеология, концепция которой базируется на нескольких постулатах.

• Уменьшение времени разработки спутника до 1-2 лет. Достигается за счет стандартизации конструкции.
• Уменьшение затрат на производство спутника. Это достижимо благодаря широкому использованию, так называемых COTS компонентов, т.е. обычной электроники вместо специализированных космических электронных компонентов.
• Привлечение для разработки студентов и аспирантов.

В результате по данным Википедии (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat) стоимость разработки спутника 1U CubeSat обходится в 65-80 тысяч долларов, из которых 40000$ приходится на услуги по запуску спутника на орбиту. На сайте одной Голландской компании стоимость комплекта для сборки спутника 1U составляет 39000 евро. В комплект входят: корпус, плата бортового компьютера, система питания с аккумуляторами, 6 солнечных батарей, 144/433МГц трансивер, антенная система. Мы называем такой комплект Базовой платформой . Это на несколько порядков меньше стоимости "обычных" спутников, бюджеты которых исчисляются миллионами долларов.

Относительно низкая стоимость запуска позволила стандарту Cubesat стать одной из самых распространенных спутниковых платформ в мире. Начиная с июня 2003 по февраль 2012 года было запущено более 60 спутников Cubesat http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php . Большинство запусков малых спутников было произведено на ракетах российского производства с космодромов Плесецк и Байконур.

Одной из определяющих характеристик современной эпохи освоения космоса является ее открытая природа. В прошлом космос был фронтиром, доступным лишь двум национальным космическим агентствам - программам США и СССР. Но благодаря развитию новых технологий и сокращению расходов на те или иные аспекты, коммерческий сегмент уже активно предлагает собственные услуги по запуску чего-либо в космос.

Кроме того, научные учреждения и малые страны строят собственные спутники для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Так вот, именно CubeSat («кубсат»), миниатюрный спутник, позволяет им проводить вполне недорогие космические исследования.

«Кубсаты», известные также как наноспутники, строятся в стандартном размере 10 х 10 х 11 сантиметров (1U) и выполнены в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий - 1U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник 1,33 кг на U. Кубсаты выше 3U по размерам - это большие прототипы, составленные из трех кубиков, которые находятся в цилиндре.

В последние годы предлагались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20 x 20 x 30 сантиметров). Она позволила бы расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий, включая более сложную науку и оборонку.

Основная причина миниатюризации спутников заключается в снижении стоимости развертывания и поскольку их можно развернуть на остатках мощности ракеты. Это позволяет снизить различные риски, а также существенно ускорить процесс запуска.

Также их можно делать на основе готовых коммерческих электронных компонентов, что относительно легко. Обычно миссии с участием кубсатов запускаются на самую низкую околоземную орбиту, а через несколько дней или недель они уже повторно входят в атмосферу, что позволяет проигнорировать излучение и использовать обычную технику, как из магазина электроники.

Кубсаты делают из четырех определенных типов алюминиевого сплава, чтобы гарантировать, что у них с ракетой-носителем будет один и тот же коэффициент теплового расширения. Спутники также покрываются защитным слоем оксида на всех поверхностях, что предотвращает холодную сварку с местом под большим давлением.

Компоненты «кубсатов»

Кубсаты зачастую оснащены множеством бортовых компьютеров для проведения исследований, а также для управления ориентацией, подруливающими устройствами и коммуникациями. Как правило, обилие бортовых компьютеров позволяет перераспределить нагрузку в случае избытка данных. Основной компьютер отвечает за делегирование задач другим компьютерам - например, управление ориентацией, расчет орбитальных маневров и планирование задач. Также основной компьютер можно использовать для выполнения задач, связанных с грузом, вроде обработки изображений, анализа данных и сжатия данных.

Миниатюрные компоненты, обеспечивающие управление ориентацией, состоят из маховиков, движителей, звездных трекеров, датчиков Земли и Солнца, датчиков угловых скоростей, GPS-приемников и антенн. Многие из этих систем часто используются в сочетании, чтобы компенсировать недостатки и обеспечить уровень избыточности.

Датчики Солнца и звезд используются для направления спутника, а датчик Земли и ее горизонта необходим для проведения земных и атмосферных исследований. Солнечные датчики также нужны, чтобы кубсат получал максимум солнечной энергии.

В то же время движение происходит в разных формах, все из которых включают миниатюрные двигатели, обеспечивающие различный импульс. Спутники также подвержены радиационному нагреву Солнца, Земли и отраженного солнечного света, не говоря уж о тепле, вырабатываемом их компонентами.

Поэтому кубсат имеет изоляционные слои и теплозащиту, которая гарантирует, что компоненты не будут нагреваться выше положенного и что избыточное тепло будет рассеиваться. Зачастую для наблюдения за температурой включат датчики температуры.

Для связи кубсат полагается на антенну, которая работает в VHF, UHF, L-, S-, C- или X-диапазонах. Они ограничены двумя ваттами энергии из-за небольших размеров и ограниченных возможностей спутников. Эти антенны могут быть спиральными, дипольными или монопольными, хотя бывают и более сложные модели.

Движение кубсата

Кубсаты полагаются на множество различных методов движения, что в свою очередь привело к прогрессу в разных сферах технологий. Самые распространенные методы включают холодный газ, химическое, электрическое движение и солнечные паруса. Тяга на холодном газе подразумевает хранение инертного газа (например, азота) в баке и выпуск через сопло для движения.

Это самая простая, полезная и безопасная система, которую может использовать кубсат, поскольку большинство газов холодные и не являются ни летучими, ни едкими. Тем не менее они также предполагают ограниченную эффективность и не позволяют особо разогнаться или поманеврировать. Поэтому они используются в системах управления высотой, а не в качестве основных двигателей.

Системы химической тяги опираются на химические реакции для получения газа под высоким давлением и при высокой температуре, которые затем направляется в сопло для создания тяги. Они могут быть жидкими, твердыми или гибридными и, как правило, сводятся к комбинации химических веществ и катализаторов или окислителей. Эти двигатели просты (а значит и миниатюрны), имеют низкие требования к мощности и очень надежны.

Электрическая тяга полагается на электрическую энергию для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей. Двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели - это все сюда. Этот вид тяги сочетает высокий удельный импульс с высокой эффективностью, а его компоненты можно легко уменьшить. Недостатком является то, что они требуют дополнительной мощности, а значит нужны будут и более крупные солнечные батареи, и более сложные системы питания.

Для движения также используются солнечные паруса, которые полезны, поскольку не нуждаются в топливе. Солнечные паруса также можно масштабировать в зависимости от размеров кубсата, а малая масса спутников приводит к значительному ускорению при помощи паруса.

Тем не менее солнечные паруса должны быть достаточно велики по сравнению со спутником, что добавляет механической сложности и возможностей для потенциального отказа. В настоящее время не так много кубсатов оснащали солнечным парусом, но поскольку это единственный метод на текущий момент, который не требует ракетного топлива и не включает опасные материалы, интерес к нему не исчезает.

Поскольку двигатели миниатюрны, с этим сопряжено несколько технических проблем. Например, операции с вектором тяги невозможны при небольших двигателях. Управление вектором тяги осуществляется за счет использования асимметричной тяги из множества сопел или за счет изменения центра массы относительно геометрии кубсата.

История «кубсата»

Начиная с 1999 года Политехнический университет штата Калифорния и Стэнфордский университет разрабатывали спецификации CubeSat, чтобы помочь университетам всего мира «выйти в космос». Термин CubeSat был придуман для обозначения наноспутников, которые соответствуют стандартам, указанным в проектных спецификациях.

Основы этих спецификаций были заложены профессором авиационно-космической техники Джорди Пьюиг-Суари и Бобом Твиггсом из Стэнфордского университета. С тех пор на основе этой работы выросло международное партнерством более 40 институтов, которые разрабатывают ценный груз для наноспутников при проведении собственных исследований.

Первоначально, несмотря на их малые размеры, научные учреждения были существенно ограничены, вынужденные ждать возможности запуска годами. В некоторой степени это было исправлено появлением Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), созданного Политехническим калифорнийским университетом. P-POD монтируются к пусковой ракете и выводят кубсаты на орбиту, выпуская их после получения правильного сигнала от носителя.

Если коротко, P-POD позволили запускать множество кубсатов в строго указанное время.

Производством кубсатов занимается множество компаний, включая Boeing. Но большая часть интереса проистекает со стороны научного сообщества, с гремучей смесью успешно запущенных на орбиту кубсатов и проваленных миссий. С момента создания кубсаты использовались множество раз.

Например, для развертывания системы автоматической идентификации для мониторинга морских судов; удаленных датчиков Земли; для проверки долгосрочной жизнеспособности космических тросов, а также для проведения биологических и радиологических экспериментов.

Внутри академического и научного сообщества эти результаты являются общими и достигаются за счет широкого вовлечения институтов и сотрудничества разработчиков.

Авторы

Космодемьянский Е. В. 1 * , Кириченко А. С. 1 * , Клюшин Д. И. 1 * , Космодемьянская О. В. 1 * , Макушев В. В. 1 * , Альмурзин П. П. 2 **

1. Ракетно-космический центр «Прогресс», ул. Земеца, 18, Самара, 443009, Россия
2. Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

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

Аннотация

В статье приведена статистика пусков малых космических аппаратов нано-класса формата «CubeSat», включая 2013 год, сделан вывод о росте и значимости рынка пусковых услуг КА данного класса, описаны средства выведения, создаваемые в настоящее время в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» и предлагаемые к разработке для обеспечения миссий МКА формата «CubeSat». Подробно описаны предлагаемое пусковое устройство и транспортно-пусковой контейнер для МКА формата «CubeSat», сделаны выводы о возможности организации миссий по выведению КА данного формата с использованием новых организационно-технических приёмов и занятии нашей страной лидирующих позиций по обеспечению данной услуги.

Ключевые слова:

малый космический аппарат, Cubesat, универсальная платформа, пусковое устройство, web-технологии, транспортно-пусковой контейнер

Библиографический список

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