Что такое космическая платформа
Если взглянуть на разные космические аппараты, то кажется, что они мало похожи друг на друга, и выглядят как простое нагромождение различного оборудования. Отчасти это верно, т.к. аппараты создаются по разным технологиям, для разных условий, под разные задачи и разные носители. С другой стороны, спутники могут быть похожи внешне: кубик с солнечными батареями и антеннами, но при этом внутри они будут совершенно разными. Всё потому, что разработка каждого аппарата — уникальная, дорогая и долгая работа разных коллективов. Попытки унификации предпринимались с самого начала космонавтики, но и сегодня эта работа далека от идеала. Сегодня посмотрим на такую сторону космонавтики, как космическая платформа.
Снижение себестоимости космических разработок за счет стандартизации и унификации, казалось бы, очевидная мысль, но практика постоянно ей противоречит. Это противоречие объясняется любимой в NASA поговоркой: «Лучший пример универсального средства — это утка, она ходит, плавает и летает… и всё это делает плохо». В ракетостроении справиться с этим стереотипом удалось разве что Илону Маску с ракетой Falcon 9, а вот спутникостроение еще ждет своего маска.
На заре космонавтики унификации мешали незнакомые условия, в которых приходилось работать космическим аппаратам. Первые годы шел поиск оптимальных форм и конструкций.
Следующей проблемой стала наука. Ученые категорически отказывались делать научные приборы для изучения космоса и окрестных космических тел по единому стандарту. Военным тоже нужен то телескоп, то радар, то ретранслятор, и все на разные орбиты…
Сказывается и научно-технический прогресс — электроника развивается быстро, а космические программы медленно, пока сделают одну автоматическую межпланетную станцию, весь опыт её производства оказывается сильно устаревшим, и следующую приходится делать с нуля.
Наконец, немаловажным фактором остается конкуренция производителей. На каждом предприятии свои ноу-хау, свои традиции и освоенные технологии, и никто не хочет обмениваться или достигать унификации, чтобы не попасть в зависимость от конкурента. Этот фактор работал не только в капиталистических странах, но и во вполне плановой экономике Советского Союза.
Тем не менее, попытки создания некоторой универсальной системы, применимой к разным задачам, начинались с первых лет космонавтики. Тогда и родилось понятие «космическая платформа» (в англоязычной традиции spacebus). Космическая платформа — это несущая конструкция и набор служебных систем для обеспечения всем необходимым полезной нагрузки.
▍Что необходимо любому космическому телескопу, радару или ретранслятору?
Электропитание — это солнечные и/или аккумуляторные батареи, кабельная сеть, стабилизаторы напряжения. Это система электроснабжения.
Защита от перегрева или переохлаждения — практически любая активная полезная нагрузка во время своей работы нагревается, а многим телескопам необходимо выдерживать низкую температуру фотоматриц или детекторов, чтобы снизить шумы и повысить чувствительность. А в какие-то моменты полезную нагрузку лучше наоборот подогреть, чтобы её не повредил космический мороз. Система обеспечения теплового режима занимается этой задачей. В неё входят пассивные и активные средства. Пассивные — это экранно-вакуумная теплоизоляция, тепловые мосты и тепловые трубы, радиаторы. Активные — это нагреватели и системы охлаждения. В некоторых спутниках есть даже кулеры и внутренняя атмосфера (обычно такие спутники выглядят как бочки с герметичным объемом).
Ориентация и навигация— очень редко спутники могут себе позволить просто лететь не задумываясь о направлении и происходящем вокруг. Чаще всего любая полезная нагрузка должна быть куда-то точно сориентирована: телескопы на конкретные объекты космоса, ретрансляторы — на наземные приемные станции, исследователи планет — на объект изучения. Солнечные батареи должны регулярно разворачиваться к солнцу, ракетные двигатели направлены в нужную сторону во время выдачи разгонного импульса. Чтобы дать такую возможность космическому аппарату нужна система ориентации. Смежная система навигации занимается определением положения и траектории полёта космического аппарата.
Системы ориентации и навигации обладают двумя подсистемами, первая собирает информацию об окружающем пространстве, а вторая — способна вносить изменение в положении аппарата в нём. В первом случае это солнечные датчики, звездные датчики, гироскопы, акселерометры, а на околоземной орбите магнитометры и GPS/Глонасс приемники. Вторая подсистема — исполнительная, она позволяет разворачивать космический аппарат относительно его центра массы, чтобы он смотрел куда надо либо перемещать центр массы — совершать коррекции траектории и орбиты. Тут участвуют двигатели-маховики, гиродины, ракетные двигатели малой тяги, на околоземной орбите — магнитные катушки.
Изменение орбиты, межорбитальные и межпланетные перелёты, «разгрузка» двигателей-маховиков — это работа двигательной установки или нескольких. Это система из ракетных двигателей разной тяги, и пневмогидросистемы: трубопроводов, клапанов, топливных баков.
Служебная телеметрическая система и бортовой радиокомплексзанимаются передачей данных о состоянии спутника на управляющую станцию и приему команд.
Всем этим хозяйством нужно управлять. Этим занимается бортовой вычислительный комплекс — БВК. Благодаря научно-фантастическим книгам его часто называют «бортовой компьютер» хотя это название в космонавтике стараются не использовать. БВК — это такая «материнская плата» всей системы, которая принимает и анализирует информацию, распределяет энергию и раздает команды на исполнительные органы.
Вместе мы — космическая платформа!
В СССР одной из первых космических платформ можно считать Е-6. Создавалась она королёвской ОКБ-1, а потом была передана в «НПО им. С.А. Лавочкина». Е-6 началась как средство доставки первых лунных посадочных станций ракетой серии Р-7. После успешной посадки «Луны-9» платформа Е-6 смогла доставить и первый лунный спутник, и эволюционировать до первого советского телевизионного околоземного ретранслятора «Молния», а развитие платформы доставляло первые спускаемые аппараты на Венеру.
Другим успешным примером можно считать платформу, с которой началась серия автоматических межпланетных станций «Марс-2» и «Марс-3». Здесь проявились все выгоды универсальности платформы и серийного производства. Первые, довольно посредственные «Марсы» со второго по седьмой позволили выявить все недостатки. Модернизированная платформа дала успешные автоматические станции серии «Венера» и «Вега» и космические телескопы «Астрон» и «Гранат». Но и её время вышло, когда космонавтика стала переходить на негерметичной технологии.
В 90-е годы на том же «НПО им. С.А. Лавочкина» начали разрабатывать новую негерметичную платформу«Навигатор».
Она полетела в 2011 году как метеоспутник «Электро-Л», а через полгода, как космический радиотелескоп «Спектр-Р» («РадиоАстрон»). Сегодня платформа работает и в межпланетном пространстве в составе рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ», и готовится обеспечивать ультрафиолетовый телескоп «Спектр-УФ» и миллиметровый «Спектр-М». Но даже такая стабильная серия «Навигаторов» запускается в среднем раз в пять лет.
Практически каждое крупное спутникостроительное предприятие обладает своими платформами, на основе которых и строит аппараты. Но между предприятиями разработки практически не унифицированы.
Первый серьезный шаг к универсальности космических платформ от разных производителей сделан в малых спутниках CubeSat. Это нано- и микроспутники размером от 10×10х10 см, которые могут размещаться в стандартные транспортно-пусковые контейнеры.
В кубсатах стандартизации подверглись только внешние габариты и некоторые внутренние интерфейсы, в остальном же это по-прежнему свобода для творчества. Этот стандарт можно сравнить с персональными компьютерами, которые занимают примерно один объем под столом, но внутри могут сильно различаться, при этом создаваясь на одной и той же электронно-компонентной базе.
Даже в России есть несколько частных и государственных разработчиков и производителей малых космических платформ класса CubeSat. О том как мы выбирали платформу для нашего космического эксперимента «Сервер на орбите», и на чем остановили свой выбор — предмет отдельного рассказа.
