Космические системы становятся персональными, а серверы космическими
Вступление
Привет Хабр. Совсем недавно вы могли видеть новость о том, что RUVDS запустит свой сервер в космос. Могли и не видеть, но сейчас сходите посмотреть, чтобы понять о чём речь. Но если лень читать, процитирую:
Хостинг-провайдер RUVDS и компания «Малые космические системы» разработают спутник-сервер, размер которого составит 5 на 5 см. Об этом сообщили ТАСС в компании RUVDS.
Так вот, я ко-фаундер или как теперь стоит говорить соучредитель Малых космических систем и хочу вам рассказать подробнее о том, что это за спутник TinySat размером 5 на 5 см (Забыли ещё один размер — 5 × 5 × 5 см, так что речь о кубике, а не о квадратике).
Существующие пико-спутники
Все знают, что такое КубСаты, было масса материала и на хабре и вообще их запуски — это уже обычное дело. Только РФ за последние 3 года запустила 9 кубсатов:
- 05.07.2019 — «Сократ», «АмурСат» и «ВДНХ-80». МГУ, АмГУ и МГУ соответственно. Ну ВДНХ, ок, можно не считать он не очень-то и студентческий;
- 28.09.2020 — «Декарт», «Норби» и «Ярило». МГУ, НГУ, Бауманка;
- 22.03.2021 — CubeSX-HSE и CubeSX-Sirius-HSE. ВШЭ и центр «Сириус».
Рисунок 1. Состав студенческой группировки Универсата
И если кубсаты — это нано-спутники массой от 1 до 10 кг. Хотя вполне встречаются кубсаты и тяжелее 10. То вот TinySat это уже однозначно пико-спутник. Пико спутники вест от 0,1 до 1 кг.
Форм-фактор кубсатов стал настолько популярным, что практически стал катализатором NewSpace экономики и доступа частных компаний-стартапов в космос. Каждый второй кубсат, запущенный в космос теперь коммерческий. Но родился то этот формат ради науки! А тут пришли коммерсанты, и давай выкупать все места на ракетах.
Учёные люди пытливые, и в ответ на эти непотребства решили придумать форм-фактор ещё меньше. И придумали PocketQube. По размеру он ещё меньше кубсата, и занимает примерно 1/8 часть. Это кубик с гранью 5 см весом до 250 граммов. На самом деле придумали его не вчера, а ещё в 2009 году (Через десятилетие после кубсата), первые покеткубики полетели в 2013 году, и с тех пор их было запущено не более десятка.
Иначе говоря, если провести аналогии, то традиционные геостационарные аппараты — это десятки миллионов долларов, традиционные низколёты — просто миллионы, кубсаты — это сотни тысяч, а вот покеткубы — это уже десятки тысяч, а то и тысячи долларов. Например, мой самый любимый проект $50Sat — это именно покеткуб. Стоить он должен был судя из названия — 50$, но обошёлся в 200$, что лишь подтверждает тенденцию космических проектов увеличивать бюджеты в четыре раза даже для таких маленьких проектов.
В рядах пико-спутников ещё нет де-факто стандарта такого как кубсат, но ПокетКубы, как претендент — лидирует в этом форм-факторе. Хотя встречаются и кубсаты размером меньше 0,5U, которые тоже попадают в эту весовую категорию.
Посмотрим на парочку примеров.
▍ $50Sat
Это мой любимый пример, потому что в нём чувствуется дух старой школы. Такой настоящий спутник из гаража. Это именно то, что мы хотели бы принести своим стандартом, но о нём попозже.
Рисунок 2. Внешний вид $50Sat
Основная цель проекта 50$Sat — создание доступной по цене платформы для получения студентами реальных навыков работы с космическим аппаратом. КА был успешно выведен на орбиту РН Днепр 21.11.13 в составе КА UNISAT-5 (МКА, который, в свою очередь, нёс на себе несколько кубсатов и покеткубов).
Вся документация по КА открыта и доступна на сайте проекта 50dollarsat.info
▍ Swarm
У компании Swarm очень интересная история. Сначала FCC (Американская комиссия по коммуникациям) не хотела давать им разрешение на пуск аппарата, так как на тот момент это был самый маленький спутник и были опасения, что его невозможно будет отследить.
Тогда компания в обход запрета на пуск запустила спутники с индусами. За что была оштрафована, но тем не менее продемонстрировала и то, что спутники прекрасно отслеживаются, и то, что в таком форм-факторе реально собрать спутники для коммерческого использования.
По факту у компании Swarm сейчас самые маленькие спутники, которые уже оказывают коммерческую услугу — ¼U (11×11 x 2.8 cm, размеры чуть больше привычных 10×10, потому что они ловко используют возможности пусковых контейнеров. Видно на фото).
Рисунок 3. Внешний вид КА SpaceBEE 0.25U CubeSat компании Swarm
Про этот проект есть подробная статья на хабре, поэтому про него много писать не буду.
Почему TinySat?
Что же тогда из себя представляет TinySat, и почему мы говорим о нём как о стандарте/форм-факторе, а не просто как об экземпляре пико-спутника?
Узкое горлышко многих пико-спутников — это доставка в космос. Сам-то спутник можно сделать за копейки (В космических масштабах), а трудности возникают, когда хочется отправить его в космос. Решение с половинами или четвертинами кубсатов достаточно удачное и могут использовать существующую инфраструктуру запуска кубсатов, но не всем проектам подходит плоская компоновка.
А первый по популярности форм-фактор ПокетКуб для запуска использует направляющую пластину и поэтому требует собственного пускателя. Такой есть у английской компании Alba Orbital и у института Гаус, который собирает образовательные кубсаты и покеткубы и запускает их с космического аппарата-носителя. Это серия космических миссий Unisat (Не путать с нашим универсатом! См. часть про $50Sat).
Собственно наше «ноу-хау» состоит в том, что мы придумали использовать для запуска пико-спутников кубсат-носитель и его пусковую инфраструктуру, а по размеру сделать стандарт, совместимый с ПокетКубом. Поэтому возможностей запуска станет столько же, сколько у кубсатов. Т.е. если не на каждой ракете, то на каждой второй. И спутник по-прежнему можно будет сделать в гараже.
Рисунок 4. Процесс доставки Тайнисатов при помощи материнского спутника CuneSat
Первый такой кубсат отправится в космос в 2023 году с грузом образовательных тайнисатов, полезную нагрузку для которых придумывали школьники в рамках проекта Space-π Фонда Содействия Инновациям. И сейчас большую его часть составляет, вполне обыкновенный кубсат. Во-первых, можно рассматривать его как некую космическую лабораторию, которая будет с минимального расстояния контролировать первые тайнисаты, во-вторых, это же и видео-оператор, который должен заснять процесс доставки первых тайнисатов. В-третьих, он может выполнять функции ретранслятора, если в расчёте или реализации бортового радио были допущены ошибки.
В последующем соотношение доставляемых тайнисатов к бортовым системам кубсата-носителя будет сокращаться, вплоть до заполнения всего объёма кубсата тайнисатами, а управляющая электроника отправится на боковые стенки. Мы тоже умеем хитро использовать доступное пространство в пускателях кубсатов.
Что включает базовая комплектация
Несмотря на размер, спутник включает функционально все системы, которые есть у спутника.
Рисунок 5. Общий вид базовой комплектации Тайнисата
Это и бортовой компьютер, и система ориентации, и система питания и радио и управление полезной нагрузкой и средства обеспечения теплового режима.
Да, конструктивно они сильно проще, чем у «взрослых» братьев, но для проектирования их все надо иметь в виду.
В качестве платы управления полезной нагрузкой используется готовый компьютер NanoPi NEO. Поэтому свои идеи вы можете реализовывать в стиле проекта на Распбери Пи. Ну и чтобы не скучно было, в базовую конфигурацию включена простенькая камера. Такая идея.
Дальше пару слов о подсистемах, но без конкретики. Не то чтобы это была большая тайна, но просто мы сами пока окончательно не определились с составом. В наш первый полёт помимо самого сервера RUVDS полетит три версии базового блока. Кроме того, идеология стандарта и родство с ПокетКубом как бы приглашает взяться за какой-то из узлов и сделать его самостоятельно.
▍ Бортовой компьютер
В качестве бортового компьютера рассматриваются микроконтроллеры общего назначения. На трёх демонстрационных тайнисатах будут варианты как с ардуино, так и с популярным микроконтроллером семейства СТМ.
Главное отличие от более взрослых спутников тут скорее в том, что весь спутник рассматривается как один прибор, и, соответственно, для обмена между подсистемами применяются интерфейсы I2C, SPI, UART, а не более сложные CAN, RS и т.д.
▍ Система ориентации
В базовой комплектации мы рассматриваем три основных варианта ориентации. Первый самый простой — её отсутствие. Второй — пассивная магнитная ориентация, когда на спутник устанавливается постоянный магнит таким образом, чтобы спутник был сориентирован в магнитном поле Земли нужным образом в регионе с наземной станцией. И третий — активная магнитная ориентация.
Этот вариант хорошо зарекомендовал себя в кубсатах и вполне реализуем и в тайнисатах. Так как места в спутнике не сказать, что много, то магнитные катушки вытравлены в печатных платах солнечных панелей.
В дальнейших планах есть идеи использовать и маховики. Такие опыты уже проводили с ПокетКубами, значит, и с тайнисатами получится. Тут главное помнить, что аппарат весит меньше килограмма, поэтому и маховики для его ориентации нужны довольно миниатюрные. Не нужно представлять себе колёса размера даже как у кубсатов. Скорее надо представить себе моторчики самых маленьких квадрокоптеров.
Также можно подумать и об использовании различного рода движителей. Опять же, для ПокетКубов такие эксперименты проводились. И именно для этого нужны пико-спутники — снизить цикл разработка–наземные испытания–натурные испытания в космосе. После которого уже можно масштабировать технологии на бОльшие космические аппараты.
▍ Система электропитания
Тут отличий от кубсата практически нет. В качестве генератора электрической энергии используются солнечные панели, хранится энергия в литий-ионных аккумуляторах. Но если на кубсатах распространены 18650, то в тайнисат такой аккумулятор не влезет. Но среди стандартного типоряда есть элементы 18350, которые уже влезают без всяких препятствий.
Хотя стоит признаться солнечные панели — это одна из самых сложных частей всего проекта. Потому что в базовый кубик стандартные космические призмы 40×80 не влезают. А это самый массовый элемент. Зато он прекрасно влезает на спутник размером в два кубика.
▍ Бортовое радио
Всё чаще мы видим, что в качестве бортового радио на ПокетКубах применяются чипы для IoT американской компании Semtech с применением протоколов IoT. Мы тут не стали исключением, так как управляться первые спутники будут в радиолюбительских диапазонах, то такие SDR-на-чипе, как SX1278 — подходят отлично.
▍ Средства обеспечения теплового режима
Это одна из самых вырожденных систем на нано- и пико-спутниках, так как они невелики по объёму и по массе. Тем не менее в составе спутников есть литиевые элементы, которые совсем не заряжаются при отрицательных температурах. Поэтому все средства обеспечения сводятся к двум вещам:
Моделированию теплового режима, который подтверждается тепло-вакуумными испытаниями. И настройка подогрева аккумуляторов.
▍ Полезная нагрузка
Ну и напоследок самое вкусное. А какие же задачи могут выполнять такого рода спутники? Понятна их ценность как DIY-комплекта, готового для сборки в гараже и запуск просто потому, что это круто!
Сюда же можно отнести и работу со спутником как таковым, т.е. обучение процессу разработки, изготовления, испытания, эксплуатации и вывода из эксплуатации спутниковой системы. Тайнисат — это дешёвая альтернатива, на которой аэрокосмические инженеры могут выполнять свои дипломные проекты. Так, первая партия тайнисат запускается в образовательных и исследовательских целях.
Рисунок 6. Полный жизненный цикл космической техники «из гаража»
Но в то же время на примере ПокетКуба мы видим, что в таком форм-факторе уже есть спутники для съёмки земли, спутники для связи и, в частности, интернета вещей. Масса технологических экспериментов. Как говорил классик И.В. Гёте: «Лишь в ограничении познаётся мастер»
