Как запустить свой спутник
Что нужно, чтобы запустить свой собственный космический аппарат на околоземную орбиту? Кто-то скажет, что нужна ракета. В целом — верно, но если переходить от теории к практике, то чаще всего владельцу спутника для запуска в космос собственная ракета не нужна. Например, на Земле для перемещения из пункта А в пункт В не обязательно покупать автомобиль, поскольку есть такси, РЖД, «Аэрофлот»… В космонавтике точно так же есть пусковые операторы, которые уже подумали, как удовлетворить потребности всех производителей и пользователей спутников, надо лишь соблюсти формальности и технические требования.
Сейчас компании RuVDS и Orbital Express готовят к запуску малый космический аппарат OE-1 с полезной нагрузкой в виде орбитального сервера на борту. Кроме собственно технической разработки, нам предстоит прохождение всех процедур, которые должны превратить металлический каркас и несколько электронных плат в полноценный околоземный космический аппарат.
В мире есть несколько космических пусковых операторов, которые выполняют функции транспортных компаний. На некоторых направлениях они конкурируют, но где-то их интересы не пересекаются.
Так для запуска на высокую геостационарную орбиту многотонных телекоммуникационных спутников используются тяжёлые ракеты от операторов:
- SpaceX (ракеты Falcon 9, Falcon Heavy);
- ArianSpace (Ariane V);
- International Launch Services (ракеты «Протон-М», «Ангара-А5»);
- United Launch Alliance (ракеты Atlas V, Delta IV).
На низкую околоземную орбиту запускают:
- SpaceX (ракета Falcon 9);
- GK Launch, они же «Главкосмос Пусковые Услуги» (ракета «Союз-2»);
- Antrix (ракеты PSLV, GSLV);
- ArianeSpace (ракеты «Союз-СТ», Vega).
Если кто хочет сам слетать на орбиту туристом, то ему обращаться надо не в SpaceX или Роскосмос, а Space Adventures или Axiom Space. Хотя россияне могут идти напрямую в коммерческое подразделение Роскосмоса — АО «Главкосмос».
Малые спутники, как правило, запускаются попутно с большими на низкую околоземную орбиту. Реже для них выделяют специальные сверхлёгкие ракеты от компаний RocketLab и Virgin Orbital. Сейчас на подходе ещё несколько новых сверхлёгких и лёгких ракет.
Кроме собственно ракетных операторов, есть ещё «над-операторы», такие «космические Aviasales», которые специализируются на предоставлении как организационных и консультационных услуг, так и комплектующих для запуска, вплоть до «спутника под ключ». В мире этим занимаются компании Spaceflight, ISISpace, EXO Launch и другие. В проекте «Орбитальный сервер», часть такой работы взял на себя Orbital Express.
Для запуска нашего спутника OE-1 мы отправились к российскому оператору GK Launch. Это довольно уникальная для России компания, один из немногих успешных примеров частно-государственного партнёрства в космосе. GK Launch это дочерняя компания АО «Главкосмос», которое, в свою очередь, ответственно практически за всю коммерческую деятельность «Роскосмоса» начиная от космического туризма и заканчивая продажей календарей.
Возвращаемся к вопросу из заголовка: как же запустить спутник?
Шаг 0. Вам нужен спутник. Можно, конечно, запустить и просто кирпич, но обычно спутники просто так не запускают, и нужно определиться целью запуска, заказчиком и полезной нагрузкой. О том из чего состоит космический аппарат мы уже рассказывали. Если запускается спутник класса CubeSat, то надо позаботиться о транспортно-пусковом контейнере (ТПК) и его интеграторе. Сегодня в России есть всего одна такая компания Aerospace Capital, но можно воспользоваться и иностранными контейнерами.
В нашем случае мы запускаем спутник формата CubeSat размером 3U — это значит, что он будет иметь габариты примерно 10×10х30 см. Обычно транспортно-пусковые контейнеры выпускаются размерностью 6U или 12U, поэтому нам не нужен отдельный, и мы с кем-то разделим пространство в «ящике».
Шаг 1. Подписание контракта на запуск с одним из пусковых операторов. Мы уже подписали договор на запуск с GK Launch летом 2021 года на авиасалоне МАКС.
Шаг 2. Необходимо изготовить не только сам спутник, но и его габаритно-массовый макет. Это требуется, если по каким-то причинам спутник окажется не готов к запуску. Ситуации бывают всякие, иногда по техническим причинам, иногда по бюрократическим, а иногда даже по политическим спутники снимают с запуска за несколько недель или дней до старта ракеты. В таком случае полетит его макет. Это происходит потому, что система управления ракеты и разгонного блока уже запрограммирована, и на определённом этапе подготовки старта переписывать уже поздно, и проще запустить «кирпич». Операторы стараются избежать засорения орбиты, поэтому стараются найти замену на освободившееся место. В крайнем случае запустят макет, но постараются его не отделять от разгонного блока (хотя не всегда получается). Если задержка произошла по объективным причинам, оператор может перенести запуск на следующую доступную ракету в рамках уже заключённого контракта.
Шаг 3. Большинство космических аппаратов отправляют на Землю информацию по радио. Радиообмен также требует согласования. Этот вопрос владелец спутника решает самостоятельно, и в нашем случае, для вещания в радиолюбительском диапазоне, необходимы согласование и регистрация через российский Государственный комитет по радиочастотам. Если кому-то необходим другой диапазон, то тут может потребоваться согласование в Международном союзе электросвязи.
Шаг 4. Подготовить технические требования и программу работы со своим аппаратом в Монтажно-испытательном корпусе космодрома. На космодромах всё строго с графиками работы и допусками, поэтому необходимо заранее согласовать предстартовые испытания, зарядку батарей, обновление программного обеспечения и т.п. Если этого не сделать, то на космодроме владелец спутника останется только в роли зрителя старта.
Шаг 5. Наземные испытания и сертификация.
Пусковому оператору всё равно, что произойдёт со спутником после его успешного запуска, но очень важно его состояние во время пуска. [Напоминаем, что «пуск» — это отрыв ракеты от стартового стола, а «запуск» — отделение космического аппарата от ракеты/разгонного блока]. Главная забота пускового оператора — чтобы попутные космические аппараты не повредили другую полезную нагрузку ракеты.
Чтобы убедиться в безопасности всех запускаемых аппаратов перед стартом — их необходимо «протрясти» — провести вибродинамические испытания. Спутник проверяется на устойчивость от различных воздействий: квазистатические ускорения, случайная вибрация, синусоидальная вибрация, ударные нагрузки, акустические нагрузки. Испытывается и сам спутник и его габаритно-массовый макет.
При этом недостаточно спутник провезти в багажнике автомобиля по российским дорогам и накричать на него. В России испытания проводятся только на сертифицированных «Роскосмосом» стендах, где аппарат пройдёт испытания по всем отечественным ГОСТам. Хотя, на самом деле, для малых спутников класса CubeSat это не так критично, ведь они запускаются не в голом виде, а в транспортно-пусковых контейнерах, которые обеспечивают дополнительную защиту (прежде всего окружающих).
Шаг 6. Разрешение Правительства РФ на запуск. Да-да, частная космонавтика — это не «заплатил и лечу куда хочу». Мировое космическое право не знает такого явления как «частный спутник» поэтому каждое государство отвечает за каждый свой аппарат, не различая его право собственности внутри страны. Нам не требуется какая-то экзотическая орбита, поэтому такое согласование довольно формальная процедура, которую проходят все участники запуска. Формальности берёт на себя GK Launch, поскольку всем малым спутникам на борту понадобится такое согласование, и компания получает его для каждого клиента на ракете.
Шаг 7. Примерочные испытания транспортно-пускового контейнера. Это сравнительно простая часть предстартовой подготовки: нужно поместить кубсат в ТПК, «нажать на кнопку» и убедиться, что аппарат свободно выходит из контейнера и включается по контакту отделения. Также проверяется и макет на способность покидать контейнер.
Хотя кажется, что кубсат — это простенький аппарат, но и с ним могут быть проблемы. В среде «кубсатостроителей» ходят шутки про «кубсат винтом», который получается при нарушении технологии изготовления и сборки аппарата.
После успешного прохождения примерочных испытаний, космический аппарат и его макет передаются оператору запуска — это происходит ещё в Москве. При необходимости владелец может получить доступ к своему аппарату на космодроме. Такое необходимо, например, для подзарядки батарей, переустановки программного обеспечения или работы с полезной нагрузкой. Однако, все эти работы не должны влиять на массово-инерционные характеристики, т.е. нельзя какую-нибудь деталь снять со спутника или добавить.
Шаг 8. Предстартовый мандраж. После «упаковки» кубсатов в транспортно-пусковые контейнеры их владельцы и создатели получают возможность принять участие в традиционных «церемониях».
Как правило, GK Launch заботится не только о технической составляющей подготовки к запуску, но и о культурной. Заказчиков приглашают на Байконур или Восточный для просмотра старта ракеты, водят по местным музеям, кормят пирогами и в целом стараются сформировать положительный образ нашей космонавтики. В нарастающей мировой конкуренции пусковых операторов это важная часть борьбы за клиента и бизнес-необходимость. Даже ракету красиво покрасили.
За три дня до пуска проходит вывоз ракеты: ранним утром, в лучах прожекторов и предрассветной заре, ракета в горизонтальном положении эффектно вывозится из Монтажно-испытательного корпуса. Я дважды наблюдал подобное действо и всегда это волнительно, ведь, по сути — это рождение ракеты в её окончательном виде, как говорят в отрасли: РКН — ракеты космического назначения.
Железнодорожный состав с «новорождённым» движется со скоростью пешехода, и можно немного проводить его, но постоянно её сопровождают технические специалисты и охрана, а зрителей перевозят к стартовому столу, откуда уже можно наблюдать прибытие и вертикализацию РКН.
Для владельцев крупных спутников работа ещё не заканчивается. При наличии необходимых интерфейсов под обтекателем ракеты, они могут вести работу со своим аппаратом. Кубсаты же надёжно упакованы в ТПК и доступа к ним уже нет, их владельцам остаётся ждать запуска.
В стартовый день напряжение возрастает. Примерно за час до старта все заинтересованные участники собираются на наблюдательных площадках на безопасном расстоянии от ракеты. На Восточном это около 3-х километров, на Байконуре можно подобраться ближе. Если небо ясное, то можно в полной мере насладиться космическим действом.
Шаг 9. Старт:
Шаг 10. Идентификация спутника. После запуска оператор передаёт владельцам спутника телеметрию отделения: время, орбитальные параметры и положение разгонного блока в момент отделения. На этом обязательства пускового оператора заканчиваются. Но не заканчиваются обязательства владельца спутника перед государством. После кластерного запуска малых спутников на орбите оказывается целая вереница космических объектов, похожая на «паровоз Starlink».
В этой очереди каждый должен «найти себя». Каждый владелец спутника должен сообщить в «Роскосмос» орбитальные характеристики своего аппарата, а «Роскосмос» уже сам отметит его в своей базе космических объектов, и передаст информацию о нём для учёта в международных регистрах.
Службы постоянного слежения за космическим пространством есть у США и России. Американская система NORAD публикует результаты своих наблюдений в открытом доступе, и регулярно выпускает обновления, чем упрощает работу владельцам малых спутников, у которых нет возможности самостоятельно определять точные орбитальные характеристики. После старта ракеты и отделения спутников, все их владельцы с нетерпением обновляют онлайн-страницу, где выходят сообщения NORAD. Американская система не определяет принадлежность спутников и не устанавливает с ними связь, она просто находит новые объекты на орбите, и вносит их в свой каталог. Для владельцев кубсатов эти обновления дополнительно подтверждают, что отделение спутника от ракеты прошло удачно. По каталогу сложно определить тип космического объекта, это может быть и малый спутник, и разгонный блок, и отделяемый топливный бак, и какой-нибудь элемент системы отделения ракеты (например, при запусках Starlink отваливается пара «коромысел»).
Владельцам спутников, особенно кубсатов, приходится использовать все возможности для идентификации своих аппаратов, это могут быть особенности поведения спутников, положение относительно друг друга, телеметрическая информация по радио. После подтверждения принадлежности спутника и его успешного выхода на связь, можно считать рождение нового космического аппарата состоявшимся!
В проекте «Орбитальный сервер» RuVDS и Orbital Express идут этим путём, чтобы запустить спутник OE-1 с сервером и другой полезной нагрузкой на борту. Мы будем рассказывать и показывать прохождение важных этапов, которые должны привести нас в космос.
