12 апреля исполнится 65 лет со дня первого полёта человека в космос. А какой же космос без атома?
12 апреля 1961 года человек впервые увидел Землю со стороны – и с этого момента космос перестал быть только мечтой. За историей полётов всегда оставалась другая, менее заметная часть космонавтики: техника, которая должна выжить в вакууме, не потерять ориентацию, выдержать радиацию и месяцами, а иногда и годами работать без права на ошибку. Сегодня именно такие «невидимые» технологии во многом определяют, каким будет космос XXI века – от бортовых комплексов управления до сверхмалых спутников и новых плазменных двигателей, над которыми работают предприятия и научные центры «Росатома».
Мозг спутника
С 2015 года в состав госкорпорации «Росатом» вошло Московское опытно-конструкторское бюро «Марс» - предприятие, которое к этому моменту уже 60 лет занималось разработками систем управления для спутников и космических кораблей. На сегодняшний день системами, разработанными в «Марсе», оснащены шесть видов спутников, находящихся на орбите Земли. В их числе – гидрометеорологические аппараты серий «Электро-Л» и «Арктика-М».
Когда говорят о космическом аппарате, чаще всего вспоминают двигатели, солнечные батареи, антенны, камеры или научные приборы. Но у любого спутника есть часть, без которой всё это превращается просто в набор железа. Это бортовой комплекс управления (БКУ). Если упростить – это мозг и нервная система спутника. Он принимает сигналы от датчиков, следит за состоянием всех систем, отдаёт команды приборам, управляет ориентацией аппарата и помогает ему не «потеряться» в пространстве. Именно он решает, куда должен быть направлен спутник, когда включить приборы, как скорректировать положение на орбите и что делать, если на борту возникла нештатная ситуация.
Такой комплекс – это целый набор взаимосвязанных устройств. В него входят бортовая цифровая вычислительная система, которая обрабатывает информацию и принимает решения; датчики ориентации, определяющие положение аппарата в пространстве; силовая автоматика, управляющая исполнительными механизмами; а также системы обмена данными, электропитания и контроля состояния борта. При этом требования к такой технике намного жёстче, чем к обычной электронике на Земле.
Особенно важна для спутника ориентация. На орбите недостаточно просто «лететь»: аппарат должен всё время понимать, где у него Земля, где Солнце, куда направлена антенна и куда смотрит камера или метеорологический прибор. Если спутник потеряет ориентацию, он может перестать передавать данные, не сумеет зарядить аккумуляторы от солнечных батарей или просто окажется бесполезен для своей миссии. Поэтому бортовой комплекс управления постоянно сверяет показания приборов и в буквальном смысле «удерживает аппарат в сознании».
Для гидрометеорологических спутников это особенно критично. Чтобы получить точные снимки облачности, атмосферы или поверхности Земли, аппарат должен сохранять очень устойчивое положение. Даже небольшая ошибка в ориентации может означать потерю качества данных. Поэтому спутниковая автоматика – одна из ключевых технологий современной космонавтики, и разрабатывают её в «Росатоме».
Сейчас на орбите находятся три гидрометеорологического спутника серии «Электро-Л». Их бортовые комплексы управления были разработаны и изготовлены в МОКБ «Марс». Задача спутников – наблюдать за облачностью, циклонами, атмосферными процессами и передавать на Землю многоспектральные изображения.
Ещё одна важнейшая серия спутников, оснащённых БКУ от «Марса», - «Арктика-М». Они следят за северными широтами – районом, которым метеорологи называют «кухней погоды». Благодаря данным, полученным от них, учёным удалось выяснить, как полярные циклоны (учёные называют их мезомасштабными) влияют на погоду на всей планете. Особенность «Арктики» в том, что она расположена на высокой орбите, поэтому дважды на каждом витке проходит так называемые радиационные пояса Земли, где высока плотность заряженных частиц, прилетевших из космического пространства и захваченных её электромагнитным полем. Это очень непростое испытание для бортовой аппаратуры, но специалистам МОКБ удалось справиться с этой проблемой.
Спутник размером с кубик
Ещё одна проблема освоения космического пространства – дороговизна. И чем тяжелее аппарат, который необходимо отправить на орбиту, тем дороже это будет стоить. Поэтому космические разработки взяли курс на миниатюризацию и удешевление.
Прорыв произошёл в 90-е годы прошлого века. В 1998 году инженеры и преподаватели из Калифорнийского политехнического и Стэндфордского университетов задумались над, казалось бы, простой, но на практике почти неразрешимой задачей: как дать студентам технических вузов возможность не только изучать космос, но и самостоятельно создавать и запускать собственные спутники, не имея при этом огромных бюджетов космических агентств. Решение оказалось неожиданно изящным. Они предложили ввести единый стандарт: создать небольшой контейнер- спутник строго заданной формы и размеров. Так появились спутники CubeSate (кубсат).
Кубсат выглядит как кубик, габариты которого составляют 10х10х10 см, или один «юнит» (1U), а масса не превышает 1,5 кг. Но чаще аппараты представляют собой соединенные «кубики». Например, такие устройства бывают размерностью 3U, 6U, 12U. В космос их запускают несколькими способами. Иногда выводят в ручном режиме с борта Международной космической станции, но чаще – попутно при запуске тяжёлой ракеты. Аппараты помещают в специальный контейнер на верхней ступени ракеты, после выведения на орбиту крышка контейнера открывается, и кубсаты «разлетаются» в космосе. При таком запуске есть нюанс: кубсаты выводятся не на конкретные запланированные орбиты, а на произвольные. Зато для этого не нужно тратить огромные средства, а значит, позволить себе «собственный спутник» могут многие.
В результате то, что начиналось как учебный проект, довольно быстро вышло за пределы университетских лабораторий. Уже через несколько лет кубсаты перестали быть исключительно студенческими аппаратами: их начали использовать исследовательские центры, частные компании и даже государственные космические программы. Для некоторых стран, не имеющих собственной космической программы, они стали первыми спутниками, выведенными на орбиту.
Конечно, жёсткое ограничение по габаритам привносит определённые сложности, но внутри этого «кубика» учёные умудряются размещать самое разное оборудование для реализации самых разных идей: от научных экспериментов до новых инженерных решений. Главное условие, чтобы начинка была безопасной.
В России одним из центров развития этого направления стал НИЯУ МИФИ – опорный вуз «Росатома». Первый и самый известный спутник-кубсат, созданный в институте, - «Святобор-1».
Разрабатывали «Святобор-1» в Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ – там же, где ведутся работы над плазменными двигателями Vera и Lena для малых космических аппаратов (о них ниже). Проект получил поддержку по грантовой программе «Дежурный по планете», которую курирует Фонд содействия инновациям. Идея этой программы проста: дать школьникам и студентам возможность не только читать о космосе, но и участвовать в создании настоящей космической техники. Поэтому спутник с самого начала был не только инженерным, но и образовательным проектом. Над ним работала большая команда молодых исследователей, а рядом со студентами трудились старшеклассники – не в роли наблюдателей, а как полноправные участники работы. Так, ученица 11 класса московской школы № 2083 Ульяна Французова занималась оптимизацией магнитной системы плазменного двигателя, а лицеист предуниверситария МИФИ Кирилл Азаров участвовал в подготовке конденсаторной батареи.
Создание спутника обошлось почти в 8 млн рублей: 3,95 млн – средства гранта, ещё столько же – софинансирование от института. Эти средства позволили не только собрать аппарат, но и прямо в лаборатории создать собственный центр управления полётом. То есть университет получил не просто спутник, а целую инфраструктуру для работы с ним. Основная часть средств ушла на приобретение спутниковой платформы – для «Святобор-1» выбрали отечественную, разработанную компанией «Спутникс».
Аппарат создали формата 3U, из трёх стандартных «кубиков». В двух из них разместили бортовой компьютер, систему питания, маховики и гироскопы, которые помогают удерживать нужную ориентацию в пространстве. Третий отсек отвели под полезную нагрузку. Разработчики заранее придумали функционал для своего аппарата – он должен наблюдать за лесными пожарами на территории России, – поэтому в третьем отсеке установили две камеры, работающие в разных диапазонах. Одна из них – инфракрасная, она позволяет замечать участки с повышенной температурой, то есть фиксировать возможный очаг возгорания. Вторая – оптическая, нужная уже для уточнения: действительно ли перед спутником лесной пожар, а не, например, облачность или выброс с промышленного объекта. Тепловизионная камера способна заметить очаг пожара размером около 100 метров, а оптическая – рассмотреть его уже с разрешением порядка 17 метров. Запустили «Святобор-1» 27 июня 2023 года.
Пока государственные структуры к проекту присматриваются, но, например, волонтёрское сообщество «Битва за тайгу» отреагировало на работу спутника с большим интересом. За первые два года экспериментальной работы аппарат уже зафиксировал два таёжных пожара. Один снимок был сделан 1 сентября 2024 года в бассейне реки Вилюй в Якутии, второй – 8 октября того же года в районе озера Харитом в Бурятии. Спутник до сих пор успешно работает на околоземной орбите.
C Vero-й в будущее
Ещё одна уникальная особенность спутника, созданного в НИЯУ МИФИ, – плазменный двигатель Vera, разработанный учёными института Ла Плаз (входит в состав МИФИ).
Этот двигатель относится к типу абляционных импульсных плазменных двигателей. В качестве топлива он использует твёрдое рабочее вещество – специальный диэлектрик, материал, похожий по свойствам на очень устойчивый пластик. Внутри двигателя есть два электрода и участок этого твёрдого материала. Когда на систему подаётся короткий, но мощный электрический импульс, небольшой слой вещества на поверхности буквально испаряется и почти мгновенно превращается в плазму – облако заряженных частиц. Плазма попадает в магнитное поле, которое её сжимает, направляет и выбрасывает наружу. По сути, двигатель каждый раз «откусывает» микроскопическую порцию твёрдого вещества, превращает её в плазменную струю и выталкивает назад, соответственно, спутник при этом получает толчок вперёд.
Сила этого толчка очень мала – человек её бы даже не заметил. Но в космосе это не проблема: там нет воздуха, трения, и даже крошечный импульс, если повторять его много раз, постепенно меняет орбиту спутника или помогает ему маневрировать. Для маленьких спутников это особенно важно: в кубсатах очень мало места, разместить на них бак с топливом или сложную систему подачи газа трудно. А VERA весит всего 400 гр и имеет размеры 8,3×8,3×5,5 см.
Успешные испытания двигателя и спутника привели к тому, что МИФИ удалось получить ещё один грант. И в 2027 году на околоземной орбите может появиться их новая разработка: спутник «Сварог -1» с новым двигателем Lena. Проектом заинтересовались коммерческие компании, и у студенческого стартапа есть шанс стать «новым двигателем» космических разработок.
Татьяна Козлова, по данным открытых источников
1 Aufruf
Отзывы
Мы в Телеграм