Термин “CubeSat” обозначает стандарт для так называемых “наноспутников”, получивших своё название благодаря миниатюрным размерам. Их габариты соответствуют одному, двум или трём кубам со стороной 10 сантиметров, а вес варьируется от 1 до 10 килограмм. Хотя в ближайшем будущем не ожидается большого уменьшения размеров всех наноспутников до уровня настоящих наноразмеров, отдельные нанотехнологии уже успешно применяются при их создании. Ярким примером служит уникальное зеркало для оптического телескопа, изготовленное из эпоксидного компаунда с углеродными нанотрубками. Данный проект был реализован исследователями из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда. “Это – уникальная технология, ноу-хау которой принадлежит центру Годдарда” – рассказывает Питер Чен (Peter Chen), президент компании Lightweight Telescopes, Inc.,
привлеченной к процессу создания нового телескопа, – “Пока еще данная технология слишком молода для того, чтобы ее можно было сразу отправить в космос, сначала она должна пройти достаточно большое количество всесторонних испытаний”.
Но если телескопу с зеркалом из углеродных нанотрубок все же удастся попасть в космос, он станет частью оптической системы, в состав которой войдут три миниатюризированных спектрометра, предназначенных для работы с ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра. В опытном образце такой оптической системы все эти три спектрометра связаны оптоволоконными кабелями, которые подводят к приборам свет, сфокусированный трехдюймовым “нанотрубочным” зеркалом.
Использование нанотрубок в телескопе CubeSat обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с традиционными материалами, такими, как стекло или алюминий. Основную массу этих преимуществ обеспечивает специальный эпоксидный компаунд, имеющий определенные оптические характеристики. А добавление в этому компаунду углеродных нанотрубок делает этот материал легким и прочным, кроме этого поверхность зеркала из этого материала не требует полировки, сложного и дорогостоящего процесса, отнимающего достаточно большое количество времени.
Изначально такие полимерно-нанотрубочные зеркала планируется использовать только в малых телескопах стандарта CubeSat. Однако, в будущем ничего не может помешать использовать точно такую же технологию для создания зеркал крупных телескопов, таких, как 6.4-метровое зеркало телескопа James Webb Space Telescope, который придет на смену телескопу Hubble в октябре 2018 года.
Космические аппараты делятся на два крупных класса: автоматические и пилотируемые.
На пилотируемых аппаратах – космических кораблях – космонавты летают к международной космической станции (МКС). Важным отличием кораблей от автоматических космических аппаратов является наличие системы жизнеобеспечения. Устройство корабля заметно сложнее, ведь необходимо создать условия, в которых человеку будет более или менее комфортно находиться: возможность спать (и высыпаться), есть (и не голодать), поддерживать гигиену, и т.д.
Совсем другое дело – автоматические аппараты. Фактически, это роботы, способные выполнять задачи в космическом пространстве без вмешательства людей. За более чем полувековую историю космические аппараты получили заметное развитие: от первого спутника, способного передавать радиосигнал, мы пришли к аппаратам, способным исследовать Вселенную в различных диапазонах длин волн. Телескоп Хаббл, что работает на орбите уже более 30 лет. Спектр-РГ – отечественный телескоп, осмотрел небо уже 5 раз с 2019 года.
Так какие же аппараты бывают? В первую очередь, их классифицируют по массе:
| Сверхтяжёлые | От 35 тонн |
| Тяжёлые | 15..35 тонн |
| Средние | 5..15 тонн |
| Лёгкие | 0,5..5 тонн |
| Малые (мини-) | 100..500 кг |
| Сверхмалые (микро-) | 10..100 кг |
| Наноспутники | 1..10 кг |
| Пикоспутники | 0,1..1 кг |
| Фемтоспутники | Менее 100 г |
Примеры крупных аппаратов – весом более 5 тонн – хорошо известные нам корабли «Союз» (пилотируемый) и «Прогресс» (транспортный). Также к ним относят межпланетные автоматические аппараты, например «Кассини-Гюйгенс» для изучения Сатурна и его спутника Титана.
К аппаратам более 100 кг относятся спутники связи, навигации. Отечественный аппарат «Глонасс-К» используют для определения местоположения. Аппараты дистанционного зондирования Земли – «Ресурс-П» – также входят в категорию средних аппаратов.
Для нас ближе малые космические аппараты стандарта CubeSat. Это «учебная» версия космического аппарата. Вид служебных систем аппарата заметно отличается от аналогичных систем крупных спутников. Но благодаря этому они и в преимуществе – они гораздо меньше и легче, и для проведения малых экспериментов школьников или студентов ресурсов аппарата достаточно.
По вышеприведённым примерам («Спектр-РГ», «Союз», «Прогресс», «Ресурс-П» и т.д.) нетрудно догадаться, что аппараты разделяют на разные категории в зависимости от их назначения.
Комбинируя размеры аппаратов и их назначение, мы получаем новые космические аппараты, нацеленные на ту или иную миссию. Для малого аппарата типа CubeSat открыты к использованию многие из назначений, стоит только проявить смекалку.
Основные особенности стандарта CubeSat
Цель проекта CubeSat состояла в том, чтобы сократить стоимость и время разработки спутников, повысить доступность запусков. Поэтому был разработан формат CubeSat, который представляет собой класс спутников, которые имеют стандартный размер и форму. Для данного формата была принята единица измерения «U» («unit»). CubeSat 1U представляет собой куб со стороной 10 см и массой до 2 кг (рис. 1).
рис. 1 – CubeSat
Одно из важных требований к такому формату – монолитность структуры космического аппарата, т.е. CubeSat не может содержать отделяемых частей. Это условие позволяет уменьшить образование космического мусора на орбитах Земли. Ещё одним важным условием для комплектации CubeSat является то, что на борту аппарата запрещено устанавливать взрывные устройства или резервуары со взрывоопасными веществами, а также баки под давлением более 1,2 атмосфер. Это ограничивает спектр возможной аппаратуры (в первую очередь, двигательных установок), но зато создаёт возможность запуска аппаратов с борта Международной космической станции без угрозы для экипажа. Такая схема запуска считается перспективной в свете простоты изготовления аппаратов, развивающейся технологии создания формаций спутников и регулярности запусков транспортных кораблей к МКС.
Конструктивно CubeSat представляет собой алюминиевый каркас, внутри которого располагаются:
- модуль центрального процессора;
- радиоканал;
- антенно-фидерные устройства;
- система питания;
- аккумуляторы и контроллер заряда;
- солнечные батареи.
- система определения положения спутника;
- система коррекции его положения.
В качестве полезной нагрузки кубсата может выступать фотокамера, различные датчики для измерения, например, магнитного поля Земли. Часто наноспутники используют для испытания новых технологических решений в условиях реального космоса, чтобы потом применять их в более крупных космических аппаратах. А в 2006 году в рамках миссии GeneSat-1 на борту кубсата обеспечивалась жизнедеятельность бактерий (рис. 2).
рис. 2 – GeneSat-1
На сегодняшний день для запуска спутники комплектуются в сборки (рис. 3). В зависимости от количества аппаратов вес такой сборки будет составлять от 2 до 24 кг.
рис. 3. – Варианты сборки CubeSat
Безусловно, ограничения, которые наложены на формат CubeSat снижают функциональность аппаратов и диапазон потенциальных задач, которые они могли бы решать на орбите. Но в тоже время такими маленькими аппаратами можно легко составить большую группировку спутниковых систем, в которой задачи будут распределены между различными аппаратами. Спутников в такой группировке может быть несколько сотен, при этом они будут взаимодействовать друг с другом и реагировать на команды, как единый организм.
Использование единого формата CubeSat удобно для проектирования наноспутников. Они просты в изготовлении, низкие по стоимости запуска за счет небольшого веса, имеют стандартные форму и размер, что удобно для установки аппарата на ракету-носитель.
МКА имеют и недостаток: на них редко устанавливаются активные системы управления (двигательные установки, маховики или гиродины), из-за этого срок службы аппаратов сокращается в 3 или 4 раза, по сравнению с крупными аппаратами. Сейчас разрабатывают малогабаритные двигатели для коррекции и поддержания орбиты МКА.
Почему стандарт CubeSat набирает популярность?
Первые космические аппараты, которые запускали в 60-70-е годы прошлого века, были массой более одной тонны, а применялись для простой, казалось бы, задачи: фотографирование земной поверхности из космоса.
В условиях быстрого развития микроэлектроники появилась возможность создавать более лёгкие спутники, да и количество задач, выполняемых одним аппаратом, увеличилось. Такие спутники называют малыми космическими аппаратами. Согласно классификации, их делят на:
- мини – массой 100 – 500 кг,
- микро – массой 20 – 100 кг,
- нано – массой от 1 до 10 кг,
- пико – массой менее 1 килограмма,
- фемто – массой менее 0,1 кг.
Малые космические аппараты, так же, как и космические аппараты (КА) тяжёлых классов, нацелены на выполнение следующих задач на орбите:
- дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ),
- обнаружение и мониторинг техногенных катастроф,
- обеспечение различных средств связи,
- поиск полезных ископаемых,
- решение задач метеорологии,
- ряд других в интересах науки, экономики и обороноспособности страны.
Учитывая возможности такого типа аппаратов, удобно с их помощью решать и новые задачи в космосе, такие как:
- мониторинг технического состояния долгоживущих космических объектов, например космических станций;
- продление на орбите «жизни» важным дорогостоящим объектам, выполняя функции буксиров;
- решение проблем «космического мусора» (подготовка к уничтожению в плотных слоях атмосферы, затопление в специальных зонах океана фрагментов или аппаратов в целом) и другие.
МКА имеют ряд преимуществ, по сравнению с более крупными аппаратами, что и объясняет интерес к ним:
- короткие сроки создания космических аппаратов (1-2 года по сравнению с 5 годами для больших аппаратов);
- многократное снижение стоимости разработки и создания (напрямую зависит от уменьшения массы выводимого спутника и от сроков его создания);
- снижение затрат на выведение КА (выведение 1 кг на околоземную орбиту стоит порядка 10 тысяч долларов, за один пуск ракеты-носителя выводят от 2 до 20 МКА);
- утилизация с помощью торможения об атмосферу.
К недостаткам CubeSat относят их малую функциональность и диапазон возможных задач из-за размеров и массы. Для исследования дальнего космоса, вывода на орбиту и дальнейшего маневрирования потребуется дополнительная двигательная установка и топливо.
Какие испытания должен пройти спутник перед полётом.
Космические аппараты запускают в космос, чтобы они выполняли поставленную им задачу, например, дистанционное зондирование Земли или радиосвязь. Но до того, как спутник отправится в свой полёт необходимо проверить работоспособность всех его систем (раскрываются ли солнечные батареи, заряжаются ли аккумуляторы, работает ли система ориентации и т.п.) Поэтому до полёта на опытном образце проводят так называемые функциональные испытания.
Но даже если все системы в аппарате работают исправно для того, чтобы космический аппарат мог попасть в список полезной нагрузки миссии, он должен пройти ряд испытаний, чтобы подтвердить, что при заданных условиях полёта он будет безопасен для самой ракеты-носителя и её остальной полезной нагрузки.
Тестирования спутников проводятся в соответствии с требованиями поставщика запуска. Виды испытаний, которые должен пройти космический аппарат перед запуском определяют отдельно для каждой миссии. Рассмотрим некоторые из испытаний, которые проходят кубсаты перед полётом:
Вибрационные испытания
Во время старта ракеты-носителя и в процессе её прохождения через плотные слои атмосферы полезная нагрузка испытывает серьёзные перегрузки (до 10g в направлении полётной оси и 5 – 9g в каждом из поперечных направлений при времени воздействия до 10 мин по каждой из осей) и вибрации от работы двигательных установок. Всё это может привести к усталостным разрушениям элементов конструкции космического аппарата, механическим повреждениям приборов и аппаратуры, нарушению герметичности. Для имитации этого воздействия на космический аппарат и проверки его выносливости проводят вибрационные испытания, в рамках которых аппарат помещают на специальный встряхивающий стол, который способен создавать имитацию перегрузки, которую испытывает спутник во время запуска.
Вибрационные испытания необходимы, чтобы проверить прочность конструкции космического аппарата, определить фактический запас его прочности, проверить прочность крепления комплектующих аппарата и оценить их работоспособность после имитации воздействия нагрузок.
Термовакуумные испытания
Прежде чем отправлять космический аппарат в космос необходимо убедиться, что на его работоспособность не повлияют космический вакуум и резкие перепады температуры. Для проведения термовакуумных испытаний космический аппарат помещают в камеру, способную поддерживать крайне низкое давление, и нагревают с помощью электронагревателей, имитируя температуру на солнечной орбите Земли. Таким образом проверяют уровень термической усталости материалов, т.е. при каких повторно возникающих резких температурных перепадах материалы аппарата начнут разрушаться. Дополнительно в таких камерах устанавливается имитатор солнечного излучения, чтобы проверить не будут ли подвержены деградации материалы, из которых изготовлен аппарат и его комплектующие.
Ударные испытания
В случае удара в элементах конструкции космического аппарата образуется колебательная реакция. Это может привести к деформации комплектующих спутника, их поломке или сбою в настройках. Поэтому перед полётом необходимо проверить способность аппарата и всех его элементов выполнять свои функции после ударного воздействия. Для проведения ударных испытаний используется стол, моделирующий условия удара при запуске.
Имитация магнитного поля
В связи с ограниченными размерами и проблемой недостатка энергии для кубсатов оптимальным вариантом по точности ориентации спутника на орбите является активная магнитная система ориентации. Магнитная калибровка и тестирование малых спутников перед запуском проводится с помощью клетки Гельмгольца. Внутри клетки создаётся однородное магнитное поле. В центре стенда подвешивается космический аппарат, так, чтобы он мог свободно вращаться. Стенд способен создавать контролируемую электромагнитную среду с минимальным полем 10 нТл для проверки системы ориентации аппарата. При этом можно измерить реальную скорость и точность ориентации, проверить работу программного обеспечения системы ориентации и стабилизации.
Стенд полунатурного моделирования для отработки систем ориентации, стабилизации и навигации
Тестирование электромагнитных помех
Такие испытания проходят в безэховой камере. Проверяется эффективность экранирования и подавления электрических помех космическим аппаратом. Стены такой камеры обиты резиноподобным материалом из графита и железа. Такой материал не пропускает радиоволны. В камере проверяют влияние на аппарат радиоволн с частотой от 437 МГц до 26 ГГц.
В каком виде кубсаты запускаются на орбиту.
Контейнер для запуска PPOD (США)
