Страница:
Однако иллюзий о возможности таким образом удешевить запуск малых спутников питать не следует. Конверсионные ракеты требуют немалых затрат для модернизации и адаптации к новым для них задачам. Да и «акулы рынка» запусков не допустят их широкого «демпингующего» использования. Все так, конечно, но… лед тронулся. Появилось другое понимание того, как можно решать задачи в космосе с меньшими временными и материальными затратами.
Продолжая тему снижения стоимости доставки малых спутников на орбиту, следует упомянуть интенсивно обсуждавшийся в прессе способ вывода малых спутников — с помощью, например, крылатых ракет. Было даже несколько авиационно-космических проектов вывода малых спутников на легких ракетах, несомых различными самолетами (Ту-160, «Мрия», МиГ-31), но большинство из них так и не воплотились в жизнь. Практически осуществить этот способ удалось лишь американцам на Pegasus’e с самолета B-52. В частности, 17 июля 1991 года с борта самолета B-52, базирующегося на авиабазе Эдвардс, так был осуществлен запуск ракеты-носителя Pegasus HAPS, которая вывела на низкую околоземную орбиту семь военных микроспутников связи Microsat-1, …, Microsat-7 массой 22 кг каждый. главными достоинствами такого способа являются малое время подготовки и реализации запуска и возможность вывода спутника на орбиту достаточно произвольного наклонения. Недостатком — малая масса выводимой полезной нагрузки.
ТЕОРИЯ
Разрешающая способность оптических приборов характеризует их способность давать раздельное изображение двух близких точек. Дж. Релей, используя теорию дифракции, ввел критерий, в соответствии с которым предельное угловое разрешение определяется выражением 1,2 l/d, где l — длина волны, d — диаметр входного отверстия оптической системы. Тем самым, исходя из этого критерия, независимо от класса спутника должна быть обеспечена минимально необходимая апертура оптической системы.
В начале 80-х годов в Центре космических полетов им. Годдарда (США) была разработана GAS-программа (Get Away Special Program), в рамках которой осуществлялся вывод микроспутников с борта шаттлов. Спутники массой до ста килограммов размещались в специальном контейнере цилиндрической формы и выталкивались с помощью пружинного толкателя после выхода шаттла на орбиту при минимальном участии экипажа корабля.
В настоящее время используются в основном два способа вывода малых спутников — либо на среднем носителе типа Ariane попутным запуском, либо на легком носителе типа «Днепр», специально ориентированном на групповой запуск [Помните, — с десяток боеголовок?.. — Ю.Р.] такого типа аппаратов. Недостаток обоих способов — в ожидании подходящего по срокам пуска и планируемой орбите вывода носителя. Появились даже фирмы, специализирующиеся на посредничестве в поиске и отслеживании нужных по срокам и орбитам носителей. В США для запуска малых спутников используются средства собственной разработки, например ракета «Дельта» в разных модификациях. При этом как в США, так и в Европе реализуются преференции в использовании национальных средств вывода спутников на орбиту («акулы рынка» не дремлют!).
Конечно же, не все задачи под силу решить малыми аппаратами — немыслимо ведь запустить космонавта на корабле с недостаточной надежностью или разместить большую оптическую систему на малом спутнике — отношение l к d еще никто не отменял. Фактически работает принцип из теории оптимизации на ограничениях — оптимум достигается не на границах интервала, а где-то между ними. Но где? В общем, все это требует более сложных методов принятия решений. Например, как утверждает поговорка, — хорошо быть здоровым и богатым. А если хотя бы один компонент отсутствует?
Допустим, имеющиеся материальные или финансовые ресурсы не позволяют быстро построить большой аппарат. «Длинных» ресурсов нет, но задачи же решать надо. Тогда можно попробовать использовать распределенный по времени ресурс — сегодня решаем часть задачи, придавая ей статус законченной, а при поступлении следующего ресурсного транша повторяем процедуру. Действуем «методом декомпозиции» — разбиением нерешаемой в целом задачи на подзадачи, каждую из которых удается решить имеющими средствами. Даже если ресурсы не поступают, то задача уже частично решена (накоплены знания, получена необходимая информация, проверена технология, продемонстрированы возможности).
МЕТАФОРА
При пролете планеты ее гравитационное поле изменяет скорость аппарата как по величине, так и по направлению. Действие гравитационного поля планеты можно сравнить с пращой. При этом необходимо точно обеспечить пролет аппарата на заданном удалении от ее поверхности. Маневр широко используется в межпланетных миссиях. Впервые был реализован во время полета спутника «Луна-3» в 1959 году для фотографирования обратной стороны Луны.
Так что же нового привнесло понятие «малый спутник»? Ведь еще в 60-х годах ВНИИЭМ [ВНИИЭМ — российское предприятие, которое ранее разработало спутники серии МЕТЕОР и ГОМС для составления прогнозов погоды, РЕСУРС-О и их модификации для наблюдения Земли, льдов мирового океана] разработал и вывел на орбиту для отработки технологии управления угловым движением спутников с помощью электродвигателей-маховиков пару малогабаритных спутников массой около 100 кг («Электро-1» и «Электро-2» — их макет можно и сейчас увидеть в Политехническом музее в Москве); правда, тогда никто не называл их малыми спутниками (ведь и упомянутый выше первый искусственный спутник Земли тоже попадал в этот класс). Да многие исследовательские спутники на заре космической эры по массе вполне попадали в этот диапазон (навигационные спутники Transit, исследовательские GGSE, Magion, спутники серии «Радио» и Oscar и многие-многие другие). Мартин Свитинг (ныне технический директор SSTL [SSTL — предприятие, образованное на базе исследовательской лаборатории Университета графства Суррей на западе от Лондона и занимающееся разработкой, созданием и эксплуатацией микро— и наноспутников], получивший несколько лет назад почетное звание сэра от королевы Великобритании за заслуги в области освоения космоса) в 80-х годах, на заре своей трудовой деятельности, разработал и запустил вместе с коллегами несколько микроспутников, которые назывались «радиолюбительскими», но опять же их никто не называл «малыми».
Оказавшись в середине 90-х годов на Workshop’e, проходившем под эгидой Международной академии астронавтики (IAA) и посвященном малым спутникам, а потом посетив лабораторию Мартина Свитинга, я, будучи знаком с отечественными космическими разработками, с удивлением обнаружил совершенно иной подход к формированию идеологии и организации разработки и создания космических аппаратов. Попробуем сформулировать основные особенности этой идеологии: сочетание классических подходов (законы небесной и теоретической механики, требования по чистоте при интеграции аппарата, предполетные испытания никто не отменял) плюс сокращение традиционных конструкторских и технологических требований к разработке, созданию, запуску и эксплуатации [Таких, как количество экземпляров аппаратов, предоставляемых для испытаний, использование комплектующих в «космическом» исполнении, управление и передача данных через комплекс космической связи и центры управления и т. п.]. Именно отказ от строгого следования второй половине этих требований [Корни которых находятся в понятии «военная приемка» — обиходное название системы контроля качества изделий, поступающих «на вооружение». — Ю.Р.] позволил вовлечь множество университетов и небольших компаний по всему миру в разработку, создание и использование малых спутников.
Можно выделить два основных направления, по которым развиваются малые спутники. Первое направление (условно назовем его университетским) базируется на весьма противоречивой идее «Better, Faster, Cheaper» [Анализ эффективности предложенной парадигмы приведен в статье Jim Watzin (NASA Goddard Space Flight Center), Observations from over a Decade of Experience in Developing Faster, Better, Cheaper Missions for the Nasa Small Explorer Program, Acta Astronautica, 2001, Vol. 48. No. 5-12. pp. 853-858. Интерпретация для детей почему надо делать малые спутники в забавной форме приведена на сайте НАСА] («Лучше, быстрее, дешевле»), провозглашенной в американской программе НАСА X2000 (программа разработки и создания миниатюрных космических аппаратов). Хотя правильней уж сказать «lower cost», так как термин «cheap» носит смысл «дешевка», а не низкая стоимость. Спутники, разработанные по такой идеологии, действительно невелики (обычно 10—100 кг и несколько десятков сантиметров). При их изготовлении используются самые доступные компоненты, как правило, даже не проходящие сертификации для применения в условиях космоса — и это при обычно негерметичном исполнении корпуса спутника! Основная экономия имеет три «составные части»: недорогие комплектующие, дешевые студенческие рабочие руки и — при малой массе спутника — дешевый, а зачастую и бесплатный вывод на орбиту. Такие спутники, конечно, не решают сложные научные или технологические задачи. Полезная нагрузка для них может поставляться даже бесплатно — с целью, например, проверки ее работоспособности в условиях космоса перед использованием в дорогостоящих проектах.
Для космического радиотелескопа баллистиками была специально найдена необычная высоко апогейная орбита спутника Земли, на параметры которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около большой ее оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от спутника, на расстоянии более 50 000 км, тем не менее она оказывает постоянное слабое гравитационное воздействие на него. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.
Цель проекта состоит в том, чтобы создать совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов единую систему наземно-космического интерферометра для получения изображений, координат и угловых перемещений различных объектов Вселенной с исключительно высоким разрешением. Ширина лепестка интерферометра на самых коротких волнах будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что при отношении сигнала к шуму около 10 позволит проводить измерения до микросекунды дуги (примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза). Активные ядра галактик, окрестности черных дыр, а также квазары находятся от Земли так далеко, что различить их структуру с помощью использовавшихся до последнего времени инструментов невозможно.
Программа «РадиоАстрон», начатая Астрокосмическим центром (АКЦ) Физического института РАН совместно с другими институтами РАН и организациями Федерального Космического Агентства (ФКА), расширилась в глобальное международное сотрудничество. Ученые двадцати стран создают часть бортовых научных приборов, специальные телеметрические станции и центры обработки, участвуют в составлении научной программы и гарантируют подготовку и участие в проекте «РадиоАстрон» крупнейших наземных радиотелескопов. Станции приема информации и синхронизации разработаны в НАСА и Национальной радиоастрономической обсерватории США. Крупнейшие радиотелескопы мира предполагают участвовать в проекте. При этом Россия взяла на себя обязательство создать спутник, антенну космического радиотелескопа и часть бортовых приборов. Спутник и конструкция космического радиотелескопа будут разработаны в НПО им. Лавочкина.
Дальнейшим развитием этого направления будет подготовка аналогичного проекта для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Проект «Миллиметрон» (криогенный телескоп для исследований в автономном и интерферометрическом режимах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах) обеспечит еще более высокое угловое разрешение (до наносекунд дуги) и значительно более высокую чувствительность за счет глубокого охлаждения телескопа и расширения полосы приема.
www.asc.rssi.ru/radioastron/rus/index.html
www.laspace.ru/rus/spectrR.php
http://subscribe.ru/archive/science.news.texnologiy/200610/06205521.html
Пожалуй, главным результатом такого подхода является обучение специалистов через непосредственное участие в практической работе, пусть и несложной, но содержащей все основные этапы реальных проектов, чего не удается достигнуть при любом, сколь угодно изощренном аудиторном обучении.
Еще одним достоинством такого способа обучения является возможность для студента принять участие во всех этапах проекта — от замысла до обработки полетных данных в течение всего срока пребывания в университете. Назову некоторые из известных зарубежных университетов, интенсивно вовлекающих студентов в разработку малых спутников:
• Технический университет Берлина (наноспутники TUBSat);
• Центр космических технологий и микрогравитации Бременского университета (BremSat);
• Университет графства Суррей (ныне — организация SSTL; начиналось со спутников UoSat, всего на настоящий момент запущено 26 малых спутников);
• Университет штата Юта (аппарат NuSat);
• Стэнфордский университет: проект OPAL, пикоспутники StenSat массой 0,2 кг (!), QuakeSat, CubSat;
• Университет Санта Клара (спутник Artemis);
• Университет Рима La Sapienza (четыре микроспутника UniSat).
Интересное начинание предложил профессор Роберт Твиггс из Стэнфордского университета несколько лет назад: каждый желающий может запустить индивидуальный наноспутник массой 1 кг и размером 10х10х10 см — эдакий кубик, — и назвал его CubSat. Объявленная цена услуги — 50 тысяч долларов. Нельзя сказать, что выстроилась очередь из желающих, но то, что мода пошла на CubSat’ы, сказать можно. На фото изображен макет спутника в руках профессора Клауса Шиллинга из Университета Вюрцбурга (Wuerzburg University), Германия, под руководством которого по идеологии CubSat’a был разработан студентами и 27 октября 2005 года успешно выведен на орбиту спутник UWE-1. Всего к настоящему времени изготовлено тридцать с лишним спутников этой серии и большинство из них выведено на орбиту.
В России примером такого подхода являются проекты малых спутников, разрабатывавшиеся в недалеком прошлом и разрабатываемые сейчас в МАИ, МГТУ, МЭИ, САКУ, ВИКИ, МГУ и других вузах [Подробный перечень проектов микроспутников приведен на сайтах microsat.sm.bmstu.ru/source/mrewMICS.html и space.skyrocket.de]. В качестве примеров можно привести российско-американский наноспутник REFLECTOR массой 6 кг, разработанный НИИ прецизионного приборостроения совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ, и первый отечественный наноспутник ТНС-0, созданный в РНИИ космического приборостроения также совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ. Стоит упомянуть и микроспутник «Татьяна», запущенный в честь 250-летнего юбилея МГУ им. М. В. Ломоносова, и микроспутник «Колибри», разработанный ИКИ РАН.
Безусловно, заслуживает внимания опыт НАСА, профинансировавшего более сорока студенческих проектов малых спутников в университетах США — в частности, в Стэнфордском университете.
СМЕКАЛКА
Гравитационная штанга представляет собой устройство в форме стержня, разносящее части спутника друг от друга на определенное расстояние. Из-за того что сила притяжения каждой части спутника Землей зависит от расстояния до ее центра, создается механический момент, стремящийся выставить штангу вдоль направления на центр Земли (местной вертикали). Между прочим, именно несимметричность Луны заставляет ее постоянно смотреть на нас одной стороной. Это принцип ориентации широко используется в космической технике для обеспечения ориентации спутников, начиная с Международной космической станции и заканчивая пикоспутниками.
Примером успешного развития работ по линии студенческих проектов является уже упоминавшаяся английская коммерческая фирма SSTL (Small Satellite Technology Ltd), выросшая из исследовательской лаборатории университета графства Суррей (Великобритания), движущей силой которой является ее коммерческий директор Мартин Свитинг [www.sstl.co.uk]. Мартин еще в 80-х годах начал с обучения студентов, а в настоящее время на примере изготавливаемых его фирмой малых спутников обучает иностранных специалистов из развивающихся стран, выводя эти страны в разряд «космических». Эта деятельность не только приносит компании прибыль, но укрепляет ее авторитет на рынке космических и образовательных услуг. Молодежь с удовольствием идет на стажировку, в аспирантуру и на работу в STTL.
Европейское космическое агентство организовало международные студенческие проекты малых спутников ESEO (European Student Earth Orbiter) и ESMO (European Student Moon Orbiter) в рамках программы SSETI (Student Space Exploration and Technology Initiative), целью которых является обучение студентов работать в распределенной команде, состоящей из групп более чем из 20-ти европейских университетов.
Суммируя сказанное выше, можно утверждать, что инвестиции в такого рода студенческие проекты со стороны промышленности и государственных структур, например, Министерства образования и науки, Федерального космического агентства могут привести к важным прямым [Отработка новых технологий и технологических решений] и непрямым [Обучение молодых специалистов, способных к активному участию в реальных космических и других высокотехнологических проектах] положительным результатам.
Следует обратить внимание, что Европейское космическое агентство уделяет пристальное внимание вовлечению молодежи в космическую отрасль — существует специальная программа поддержки участия студентов и молодых исследователей в конгрессах Международной академии астронавтики — главного ежегодного мирового мероприятия. На этих конгрессах в последние годы открывается даже специальный павильон для общения молодежи, совместного прослушивания лекций, а фактически, — формирования будущего поколения исследователей и разработчиков, объединенных планами, интересами и устремлениями. Очень жаль, что наши молодые исследователи попадают на такие мероприятия лишь по инициативе их руководителей. Здесь требуется тоже программа поддержки. На последнем Конгрессе Международной федерации астронавтики (IAF), проходившем в Валенсии в октябре 2006 года, помимо преференций, отдаваемых молодежи, также была выделена группа убеленных сединами опытных исследователей и инженеров, привлекаемых к передаче опыта молодым участникам.
Кстати, проекты малых спутников — это те точки роста, вокруг которых охотно объединяются национальные и интернациональные молодежные коллективы. Сопутствующим фактором для создания интернациональных групп, в том числе и с участием российских студентов, является европейская программа Erasmus Mundus обмена студентами-дипломниками, но и здесь пока тоже все определяется инициативой и связями руководителей.
Можно сказать, что это, — первое направление приложения малых спутников, особенно важно для России, ибо космическая отрасль, будучи областью приложения высоких технологий из большинства отраслей науки и техники, должна служить одним из локомотивов инновационного развития России, о чем сейчас так часто говорят с высоких трибун.
Второе направление (условно назовем его «промышленным») инициируется космическими фирмами и агентствами с целью создания «серьезных» проектов в отличие от «студенческих».
Используемые современные технологии, конечно же, не способствуют удешевлению самого спутника. Чаще всего спутники становятся даже дороже. Ибо прямое, уменьшающее габариты масштабирование лишь увеличивает трудоемкость изготовления, например, малогабаритных приводов или реактивных двигателей, при очевидном снижении лишь затрат на материалы. Однако, применяя современные достижения в электронике, материаловедении и нетрадиционные подходы к конструированию, удается создать спутники, значительно отличающиеся по массе и размерам в меньшую сторону от традиционных аппаратов. При уменьшении массы спутника значительная экономия достигается в процессе его вывода на орбиту, особенно на орбиту межпланетных перелетов, так как цена запуска традиционно вычисляется «покилограммно». Примерами малых спутников, разработанных организациями космической отрасли, могут служить японский NOZOMI для полета на Марс (запуск — 1998 год), европейский SMART-1 массой 350 кг, выведенный на орбиту в 2003 году и достигший окрестности Луны с использованием двигателей малой тяги, разрабатываемый отечественный малый спутник «Фобос-Грунт» для доставки грунта с Фобоса. Вызывает несомненный интерес миссия Японского национального космического агентства под названием Hayabusa. После запуска с японского космодрома 9 мая 2003 года и совершения в мае 2004 года гравитационного маневра около Земли аппарат достиг окрестности астероида Итокава размером чуть больше полукилометра. А уже 20 и 26 ноября 2004 года аппарат три раза совершил посадку на астероид (вторая космическая скорость для этого астероида составляет лишь 0,2 м/с!), после чего взял курс на Землю с образцами грунта. Его прибытие ожидается в 2010 году.
Малые спутники инициировали еще один подход к космическим исследованиям. В настоящее время интенсивно разрабатываются полеты (Formation Flying) группировок малых спутников для проведения физических экспериментов. Formation Flying состоит из нескольких спутников, объединенных одной целевой задачей и выполняющих совместный полет на небольшом удалении друг от друга (от десятков метров до десятков километров). Взаимное положение и движение спутников контролируется и управляется. В 2008 году ожидается технологический запуск двух малых спутников Prisma (массой 150 и 40 кг), разрабатываемых Швецией совместно с Германией, Францией и Данией. Предполагается их групповой полет с маневрированием и стыковкой.
Большой интерес уделяется использованию малых спутников для наблюдения Земли из космоса, несмотря на пресловутое отношение l к d. Можно смело сказать, что каждая страна, входящая в «клуб космических держав», старается свой первый спутник снабдить камерой для съемки поверхности Земли. Помимо ежегодных Конгрессов Международной федерации астронавтики каждые два года в апреле месяце, в Берлине, начиная с 1996 года, на Симпозиум «Малые спутники для наблюдения Земли из космоса» собираются фанаты этого их применения. SSTL много сделала для распространения такого опыта и даже пошла дальше. Среди большого количества проектов, в том числе и реализованных, отмечу лишь два, с моей точки зрения, нетривиальных в идее и в исполнении. Это Flying Laptop, разрабатываемый в Институте космических систем Университета Штутгарта и в PRISM Лаборатории интеллектуальных систем Университета Токио.
Первый микроспутник массой около 100 кг несет три камеры наблюдения и прецизионную систему ориентации, содержащую, пожалуй, весь мыслимый набор датчиков и исполнительных органов, для обеспечения точности ориентации в 150 угловых секунд. Особенностью спутника является наличие программируемой вентильной матрицы с большими собственными вычислительными возможностями, которая может быть запрограммирована самим пользователем (в условиях космического полета с наземной станции). Скорость передачи данных на Землю — 100 Мбит/с. Спутник разрабатывается в кооперации с ведущими германскими организациями (например, Фраунгоферовский институт компьютерной архитектуры и технологии программ). Этот микроспутник вряд ли можно отнести к числу дешевых, «университетских».
Второй спутник относится к классу наноспутников, имея массу менее 5 кг и размеры 15х15х20 см. Спутник создан на базе идеологии CubSat, прошедшей испытания на предыдущем выведенном на орбиту пикоспутнике CubeSat XI массой около 1 кг. Особенностью спутника является использование гравитационной штанги для создания управляющего момента и формирования длиннофокусного объектива. При этом штанга сплетена из упругих тонких пластиковых стержней, подобно корзине из ивовых прутьев. В сложенном состоянии она похожа на плоское птичье гнездо, а в развернутом — представляет собой жесткий «скелет» трубы длиной около 60 см, на конце которой закреплен объектив камеры. Ожидаемое разрешение составляет 10—15 метров на пиксель. Система ориентации включает в себя три маховика и три токовых катушки с солнечным, магнитным и гироскопическим датчиками ориентации.
Продолжая тему снижения стоимости доставки малых спутников на орбиту, следует упомянуть интенсивно обсуждавшийся в прессе способ вывода малых спутников — с помощью, например, крылатых ракет. Было даже несколько авиационно-космических проектов вывода малых спутников на легких ракетах, несомых различными самолетами (Ту-160, «Мрия», МиГ-31), но большинство из них так и не воплотились в жизнь. Практически осуществить этот способ удалось лишь американцам на Pegasus’e с самолета B-52. В частности, 17 июля 1991 года с борта самолета B-52, базирующегося на авиабазе Эдвардс, так был осуществлен запуск ракеты-носителя Pegasus HAPS, которая вывела на низкую околоземную орбиту семь военных микроспутников связи Microsat-1, …, Microsat-7 массой 22 кг каждый. главными достоинствами такого способа являются малое время подготовки и реализации запуска и возможность вывода спутника на орбиту достаточно произвольного наклонения. Недостатком — малая масса выводимой полезной нагрузки.
ТЕОРИЯ
Разрешающая способность оптических приборов характеризует их способность давать раздельное изображение двух близких точек. Дж. Релей, используя теорию дифракции, ввел критерий, в соответствии с которым предельное угловое разрешение определяется выражением 1,2 l/d, где l — длина волны, d — диаметр входного отверстия оптической системы. Тем самым, исходя из этого критерия, независимо от класса спутника должна быть обеспечена минимально необходимая апертура оптической системы.
В начале 80-х годов в Центре космических полетов им. Годдарда (США) была разработана GAS-программа (Get Away Special Program), в рамках которой осуществлялся вывод микроспутников с борта шаттлов. Спутники массой до ста килограммов размещались в специальном контейнере цилиндрической формы и выталкивались с помощью пружинного толкателя после выхода шаттла на орбиту при минимальном участии экипажа корабля.
В настоящее время используются в основном два способа вывода малых спутников — либо на среднем носителе типа Ariane попутным запуском, либо на легком носителе типа «Днепр», специально ориентированном на групповой запуск [Помните, — с десяток боеголовок?.. — Ю.Р.] такого типа аппаратов. Недостаток обоих способов — в ожидании подходящего по срокам пуска и планируемой орбите вывода носителя. Появились даже фирмы, специализирующиеся на посредничестве в поиске и отслеживании нужных по срокам и орбитам носителей. В США для запуска малых спутников используются средства собственной разработки, например ракета «Дельта» в разных модификациях. При этом как в США, так и в Европе реализуются преференции в использовании национальных средств вывода спутников на орбиту («акулы рынка» не дремлют!).
Конечно же, не все задачи под силу решить малыми аппаратами — немыслимо ведь запустить космонавта на корабле с недостаточной надежностью или разместить большую оптическую систему на малом спутнике — отношение l к d еще никто не отменял. Фактически работает принцип из теории оптимизации на ограничениях — оптимум достигается не на границах интервала, а где-то между ними. Но где? В общем, все это требует более сложных методов принятия решений. Например, как утверждает поговорка, — хорошо быть здоровым и богатым. А если хотя бы один компонент отсутствует?
Допустим, имеющиеся материальные или финансовые ресурсы не позволяют быстро построить большой аппарат. «Длинных» ресурсов нет, но задачи же решать надо. Тогда можно попробовать использовать распределенный по времени ресурс — сегодня решаем часть задачи, придавая ей статус законченной, а при поступлении следующего ресурсного транша повторяем процедуру. Действуем «методом декомпозиции» — разбиением нерешаемой в целом задачи на подзадачи, каждую из которых удается решить имеющими средствами. Даже если ресурсы не поступают, то задача уже частично решена (накоплены знания, получена необходимая информация, проверена технология, продемонстрированы возможности).
МЕТАФОРА
При пролете планеты ее гравитационное поле изменяет скорость аппарата как по величине, так и по направлению. Действие гравитационного поля планеты можно сравнить с пращой. При этом необходимо точно обеспечить пролет аппарата на заданном удалении от ее поверхности. Маневр широко используется в межпланетных миссиях. Впервые был реализован во время полета спутника «Луна-3» в 1959 году для фотографирования обратной стороны Луны.
Так что же нового привнесло понятие «малый спутник»? Ведь еще в 60-х годах ВНИИЭМ [ВНИИЭМ — российское предприятие, которое ранее разработало спутники серии МЕТЕОР и ГОМС для составления прогнозов погоды, РЕСУРС-О и их модификации для наблюдения Земли, льдов мирового океана] разработал и вывел на орбиту для отработки технологии управления угловым движением спутников с помощью электродвигателей-маховиков пару малогабаритных спутников массой около 100 кг («Электро-1» и «Электро-2» — их макет можно и сейчас увидеть в Политехническом музее в Москве); правда, тогда никто не называл их малыми спутниками (ведь и упомянутый выше первый искусственный спутник Земли тоже попадал в этот класс). Да многие исследовательские спутники на заре космической эры по массе вполне попадали в этот диапазон (навигационные спутники Transit, исследовательские GGSE, Magion, спутники серии «Радио» и Oscar и многие-многие другие). Мартин Свитинг (ныне технический директор SSTL [SSTL — предприятие, образованное на базе исследовательской лаборатории Университета графства Суррей на западе от Лондона и занимающееся разработкой, созданием и эксплуатацией микро— и наноспутников], получивший несколько лет назад почетное звание сэра от королевы Великобритании за заслуги в области освоения космоса) в 80-х годах, на заре своей трудовой деятельности, разработал и запустил вместе с коллегами несколько микроспутников, которые назывались «радиолюбительскими», но опять же их никто не называл «малыми».
Оказавшись в середине 90-х годов на Workshop’e, проходившем под эгидой Международной академии астронавтики (IAA) и посвященном малым спутникам, а потом посетив лабораторию Мартина Свитинга, я, будучи знаком с отечественными космическими разработками, с удивлением обнаружил совершенно иной подход к формированию идеологии и организации разработки и создания космических аппаратов. Попробуем сформулировать основные особенности этой идеологии: сочетание классических подходов (законы небесной и теоретической механики, требования по чистоте при интеграции аппарата, предполетные испытания никто не отменял) плюс сокращение традиционных конструкторских и технологических требований к разработке, созданию, запуску и эксплуатации [Таких, как количество экземпляров аппаратов, предоставляемых для испытаний, использование комплектующих в «космическом» исполнении, управление и передача данных через комплекс космической связи и центры управления и т. п.]. Именно отказ от строгого следования второй половине этих требований [Корни которых находятся в понятии «военная приемка» — обиходное название системы контроля качества изделий, поступающих «на вооружение». — Ю.Р.] позволил вовлечь множество университетов и небольших компаний по всему миру в разработку, создание и использование малых спутников.
Международный проект «Радиоастрон»
«Запуск российской астрофизической обсерватории „Радиоастрон“, оснащенной мощным научно-информационным комплексом, а также раскрывающейся в космосе 12-метровой параболической антенной, планируется в середине 2007 года. Запуск будет осуществлен на украинской ракете-носителе „Зенит“ с космодрома Байконур», — сообщил на пресс-конференции в Институте космических исследований (ИКИ) ведущий эксперт астрономического центра ФИАН профессор Николай Кардашев.Для космического радиотелескопа баллистиками была специально найдена необычная высоко апогейная орбита спутника Земли, на параметры которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около большой ее оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от спутника, на расстоянии более 50 000 км, тем не менее она оказывает постоянное слабое гравитационное воздействие на него. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.
Цель проекта состоит в том, чтобы создать совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов единую систему наземно-космического интерферометра для получения изображений, координат и угловых перемещений различных объектов Вселенной с исключительно высоким разрешением. Ширина лепестка интерферометра на самых коротких волнах будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что при отношении сигнала к шуму около 10 позволит проводить измерения до микросекунды дуги (примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза). Активные ядра галактик, окрестности черных дыр, а также квазары находятся от Земли так далеко, что различить их структуру с помощью использовавшихся до последнего времени инструментов невозможно.
Программа «РадиоАстрон», начатая Астрокосмическим центром (АКЦ) Физического института РАН совместно с другими институтами РАН и организациями Федерального Космического Агентства (ФКА), расширилась в глобальное международное сотрудничество. Ученые двадцати стран создают часть бортовых научных приборов, специальные телеметрические станции и центры обработки, участвуют в составлении научной программы и гарантируют подготовку и участие в проекте «РадиоАстрон» крупнейших наземных радиотелескопов. Станции приема информации и синхронизации разработаны в НАСА и Национальной радиоастрономической обсерватории США. Крупнейшие радиотелескопы мира предполагают участвовать в проекте. При этом Россия взяла на себя обязательство создать спутник, антенну космического радиотелескопа и часть бортовых приборов. Спутник и конструкция космического радиотелескопа будут разработаны в НПО им. Лавочкина.
Дальнейшим развитием этого направления будет подготовка аналогичного проекта для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Проект «Миллиметрон» (криогенный телескоп для исследований в автономном и интерферометрическом режимах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах) обеспечит еще более высокое угловое разрешение (до наносекунд дуги) и значительно более высокую чувствительность за счет глубокого охлаждения телескопа и расширения полосы приема.
www.asc.rssi.ru/radioastron/rus/index.html
www.laspace.ru/rus/spectrR.php
http://subscribe.ru/archive/science.news.texnologiy/200610/06205521.html
Пожалуй, главным результатом такого подхода является обучение специалистов через непосредственное участие в практической работе, пусть и несложной, но содержащей все основные этапы реальных проектов, чего не удается достигнуть при любом, сколь угодно изощренном аудиторном обучении.
Еще одним достоинством такого способа обучения является возможность для студента принять участие во всех этапах проекта — от замысла до обработки полетных данных в течение всего срока пребывания в университете. Назову некоторые из известных зарубежных университетов, интенсивно вовлекающих студентов в разработку малых спутников:
• Технический университет Берлина (наноспутники TUBSat);
• Центр космических технологий и микрогравитации Бременского университета (BremSat);
• Университет графства Суррей (ныне — организация SSTL; начиналось со спутников UoSat, всего на настоящий момент запущено 26 малых спутников);
• Университет штата Юта (аппарат NuSat);
• Стэнфордский университет: проект OPAL, пикоспутники StenSat массой 0,2 кг (!), QuakeSat, CubSat;
• Университет Санта Клара (спутник Artemis);
• Университет Рима La Sapienza (четыре микроспутника UniSat).
В России примером такого подхода являются проекты малых спутников, разрабатывавшиеся в недалеком прошлом и разрабатываемые сейчас в МАИ, МГТУ, МЭИ, САКУ, ВИКИ, МГУ и других вузах [Подробный перечень проектов микроспутников приведен на сайтах microsat.sm.bmstu.ru/source/mrewMICS.html и space.skyrocket.de]. В качестве примеров можно привести российско-американский наноспутник REFLECTOR массой 6 кг, разработанный НИИ прецизионного приборостроения совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ, и первый отечественный наноспутник ТНС-0, созданный в РНИИ космического приборостроения также совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН при участии студентов МФТИ. Стоит упомянуть и микроспутник «Татьяна», запущенный в честь 250-летнего юбилея МГУ им. М. В. Ломоносова, и микроспутник «Колибри», разработанный ИКИ РАН.
Безусловно, заслуживает внимания опыт НАСА, профинансировавшего более сорока студенческих проектов малых спутников в университетах США — в частности, в Стэнфордском университете.
СМЕКАЛКА
Гравитационная штанга представляет собой устройство в форме стержня, разносящее части спутника друг от друга на определенное расстояние. Из-за того что сила притяжения каждой части спутника Землей зависит от расстояния до ее центра, создается механический момент, стремящийся выставить штангу вдоль направления на центр Земли (местной вертикали). Между прочим, именно несимметричность Луны заставляет ее постоянно смотреть на нас одной стороной. Это принцип ориентации широко используется в космической технике для обеспечения ориентации спутников, начиная с Международной космической станции и заканчивая пикоспутниками.
Примером успешного развития работ по линии студенческих проектов является уже упоминавшаяся английская коммерческая фирма SSTL (Small Satellite Technology Ltd), выросшая из исследовательской лаборатории университета графства Суррей (Великобритания), движущей силой которой является ее коммерческий директор Мартин Свитинг [www.sstl.co.uk]. Мартин еще в 80-х годах начал с обучения студентов, а в настоящее время на примере изготавливаемых его фирмой малых спутников обучает иностранных специалистов из развивающихся стран, выводя эти страны в разряд «космических». Эта деятельность не только приносит компании прибыль, но укрепляет ее авторитет на рынке космических и образовательных услуг. Молодежь с удовольствием идет на стажировку, в аспирантуру и на работу в STTL.
Европейское космическое агентство организовало международные студенческие проекты малых спутников ESEO (European Student Earth Orbiter) и ESMO (European Student Moon Orbiter) в рамках программы SSETI (Student Space Exploration and Technology Initiative), целью которых является обучение студентов работать в распределенной команде, состоящей из групп более чем из 20-ти европейских университетов.
Суммируя сказанное выше, можно утверждать, что инвестиции в такого рода студенческие проекты со стороны промышленности и государственных структур, например, Министерства образования и науки, Федерального космического агентства могут привести к важным прямым [Отработка новых технологий и технологических решений] и непрямым [Обучение молодых специалистов, способных к активному участию в реальных космических и других высокотехнологических проектах] положительным результатам.
Следует обратить внимание, что Европейское космическое агентство уделяет пристальное внимание вовлечению молодежи в космическую отрасль — существует специальная программа поддержки участия студентов и молодых исследователей в конгрессах Международной академии астронавтики — главного ежегодного мирового мероприятия. На этих конгрессах в последние годы открывается даже специальный павильон для общения молодежи, совместного прослушивания лекций, а фактически, — формирования будущего поколения исследователей и разработчиков, объединенных планами, интересами и устремлениями. Очень жаль, что наши молодые исследователи попадают на такие мероприятия лишь по инициативе их руководителей. Здесь требуется тоже программа поддержки. На последнем Конгрессе Международной федерации астронавтики (IAF), проходившем в Валенсии в октябре 2006 года, помимо преференций, отдаваемых молодежи, также была выделена группа убеленных сединами опытных исследователей и инженеров, привлекаемых к передаче опыта молодым участникам.
Кстати, проекты малых спутников — это те точки роста, вокруг которых охотно объединяются национальные и интернациональные молодежные коллективы. Сопутствующим фактором для создания интернациональных групп, в том числе и с участием российских студентов, является европейская программа Erasmus Mundus обмена студентами-дипломниками, но и здесь пока тоже все определяется инициативой и связями руководителей.
Можно сказать, что это, — первое направление приложения малых спутников, особенно важно для России, ибо космическая отрасль, будучи областью приложения высоких технологий из большинства отраслей науки и техники, должна служить одним из локомотивов инновационного развития России, о чем сейчас так часто говорят с высоких трибун.
Второе направление (условно назовем его «промышленным») инициируется космическими фирмами и агентствами с целью создания «серьезных» проектов в отличие от «студенческих».
Используемые современные технологии, конечно же, не способствуют удешевлению самого спутника. Чаще всего спутники становятся даже дороже. Ибо прямое, уменьшающее габариты масштабирование лишь увеличивает трудоемкость изготовления, например, малогабаритных приводов или реактивных двигателей, при очевидном снижении лишь затрат на материалы. Однако, применяя современные достижения в электронике, материаловедении и нетрадиционные подходы к конструированию, удается создать спутники, значительно отличающиеся по массе и размерам в меньшую сторону от традиционных аппаратов. При уменьшении массы спутника значительная экономия достигается в процессе его вывода на орбиту, особенно на орбиту межпланетных перелетов, так как цена запуска традиционно вычисляется «покилограммно». Примерами малых спутников, разработанных организациями космической отрасли, могут служить японский NOZOMI для полета на Марс (запуск — 1998 год), европейский SMART-1 массой 350 кг, выведенный на орбиту в 2003 году и достигший окрестности Луны с использованием двигателей малой тяги, разрабатываемый отечественный малый спутник «Фобос-Грунт» для доставки грунта с Фобоса. Вызывает несомненный интерес миссия Японского национального космического агентства под названием Hayabusa. После запуска с японского космодрома 9 мая 2003 года и совершения в мае 2004 года гравитационного маневра около Земли аппарат достиг окрестности астероида Итокава размером чуть больше полукилометра. А уже 20 и 26 ноября 2004 года аппарат три раза совершил посадку на астероид (вторая космическая скорость для этого астероида составляет лишь 0,2 м/с!), после чего взял курс на Землю с образцами грунта. Его прибытие ожидается в 2010 году.
Малые спутники инициировали еще один подход к космическим исследованиям. В настоящее время интенсивно разрабатываются полеты (Formation Flying) группировок малых спутников для проведения физических экспериментов. Formation Flying состоит из нескольких спутников, объединенных одной целевой задачей и выполняющих совместный полет на небольшом удалении друг от друга (от десятков метров до десятков километров). Взаимное положение и движение спутников контролируется и управляется. В 2008 году ожидается технологический запуск двух малых спутников Prisma (массой 150 и 40 кг), разрабатываемых Швецией совместно с Германией, Францией и Данией. Предполагается их групповой полет с маневрированием и стыковкой.
Большой интерес уделяется использованию малых спутников для наблюдения Земли из космоса, несмотря на пресловутое отношение l к d. Можно смело сказать, что каждая страна, входящая в «клуб космических держав», старается свой первый спутник снабдить камерой для съемки поверхности Земли. Помимо ежегодных Конгрессов Международной федерации астронавтики каждые два года в апреле месяце, в Берлине, начиная с 1996 года, на Симпозиум «Малые спутники для наблюдения Земли из космоса» собираются фанаты этого их применения. SSTL много сделала для распространения такого опыта и даже пошла дальше. Среди большого количества проектов, в том числе и реализованных, отмечу лишь два, с моей точки зрения, нетривиальных в идее и в исполнении. Это Flying Laptop, разрабатываемый в Институте космических систем Университета Штутгарта и в PRISM Лаборатории интеллектуальных систем Университета Токио.
Первый микроспутник массой около 100 кг несет три камеры наблюдения и прецизионную систему ориентации, содержащую, пожалуй, весь мыслимый набор датчиков и исполнительных органов, для обеспечения точности ориентации в 150 угловых секунд. Особенностью спутника является наличие программируемой вентильной матрицы с большими собственными вычислительными возможностями, которая может быть запрограммирована самим пользователем (в условиях космического полета с наземной станции). Скорость передачи данных на Землю — 100 Мбит/с. Спутник разрабатывается в кооперации с ведущими германскими организациями (например, Фраунгоферовский институт компьютерной архитектуры и технологии программ). Этот микроспутник вряд ли можно отнести к числу дешевых, «университетских».
Второй спутник относится к классу наноспутников, имея массу менее 5 кг и размеры 15х15х20 см. Спутник создан на базе идеологии CubSat, прошедшей испытания на предыдущем выведенном на орбиту пикоспутнике CubeSat XI массой около 1 кг. Особенностью спутника является использование гравитационной штанги для создания управляющего момента и формирования длиннофокусного объектива. При этом штанга сплетена из упругих тонких пластиковых стержней, подобно корзине из ивовых прутьев. В сложенном состоянии она похожа на плоское птичье гнездо, а в развернутом — представляет собой жесткий «скелет» трубы длиной около 60 см, на конце которой закреплен объектив камеры. Ожидаемое разрешение составляет 10—15 метров на пиксель. Система ориентации включает в себя три маховика и три токовых катушки с солнечным, магнитным и гироскопическим датчиками ориентации.