Почему запуск 42 кубсатов и МКА попутной нагрузки 27 июня важен29.06.2023 12:32

КА «Метеор-М» перед накаткой головного обтекателя. На переднем плане видны пусковые контейнеры кубсатов на переходной ферме РБ «Фрегат». Источник: «Роскосмос»

27 июня ракетой-носителем «Союз-2.1 б» с разгонным блоком «Фрегат», стартовавшей с космодрома Восточный, был успешно выведен на орбиту российский спутник «Метеор-М» № 2–3. Вместе с ним попутной нагрузкой на орбиту было запущено ещё 42 кубсата и малых космических аппарата (МКА). Из них:

• 16 научно-образовательных кубсатов проекта Space Pi Фонда содействия инновациям (среди них и «СтратоСат ТК-1» с шестью пикосатами, в т. ч. спутник-сервер RUVDS);
• 9 кубсатов по программе «УниверСат» «Роскосмоса»;
• 17 кубсатов и МКА российских и зарубежных коммерческих заказчиков.

Что это за программы и почему состоявшийся пуск столь важен?

Попутная полезная нагрузка при запуске 27 июня

▍ Проект Space Pi

Во всём мире кубсаты стали удобной платформой для лётной отработки новейших технологий и компонентов больших спутников, это физическая основа многих научно-образовательных программ. Проект Space Pi программы «Дежурный по планете» Фонда содействия инновациям предназначен для вовлечения в техническое творчество и будущей профориентации не только студентов, но и школьников. Ближайшим его аналогом в США является программа NASA CubeSat Launch initiative (CSLI), по которой выведены более 140 студенческих кубсатов. Европейский аналог — менее масштабная программа Fly Your Satellite (до 30 кубсатов).

Запуск 27-го был уже третьим по проекту Space Pi, таким образом всего выведено 45 кубсатов. Формат 3U и стоимость примерно по несколько миллионов рублей, включая недорогую полезную нагрузку, — вот основа доступности и массовости этого проекта. Создание кубсатов финансируется на паритетных началах, со стороны вуза и Фонда, который оплачивает «Главкосмосу» их интеграцию в состав головной части ракеты-носителя. Сам запуск попутной нагрузкой «Роскосмос» осуществляет бесплатно.

Вузы, как правило не имеют возможностей разработать собственную спутниковую платформу, покупая её у российских коммерческих компаний, которые интегрируют туда их научные приборы и другую полезную нагрузку. В то же время специализированные космические вузы-участники проекта типа МГТУ им. Баумана или Самарского университета создают кубсаты самостоятельно.

Классификация кубсатов. Источник: NASA, 2021

▍ Что было запущено для Space Pi

На спутниковой платформе СПУТНИКС созданы 10 из 16 запущенных научно-образовательных кубсатов. Это основной технологический партнёр проекта, на его платформе, как правило, создаются около половины запускаемых для Space Pi аппаратов. Пусковые контейнеры для них разрабатывает «Аэроспейс Кэпитал». Какие кубсаты были запущены 27 июня?

• ArcCube-01 с полезной нагрузкой разработки АНО «ФИРОН» (генератор случайных чисел для организации защищённого канала передачи данных).
• CubeSX-HSE-3 для ВШЭ (приём сигналов АИС с морских и воздушных судов).
• Vizard-meteo с двумя камерами среднего и низкого разрешения для мониторинга разливов нефти в Арктике разработки «НИС» и «ВИЗАРД».
• «УмКА-1» для СОШ №29 (Подольск) с телескопом «Лептонар-20955К» и астрономической цифровой камерой.
• «КузГТУ-1» для исследования вибротермического отклика корпуса в условиях космического полёта.
• UTМN-2 для ТюмГУ с полезной нагрузкой разработки НИИЯФ МГУ для диагностики тропосферы и водоёмов методом инфракрасной термометрии.
• Кубсаты «Монитор» № 3 и 4 с полезной нагрузкой НИИЯФ МГУ для наблюдений космических вспышек в рентгеновском и гамма-диапазонах.
• «Святобор-1» с обновлённым двигателем VERA и полезной нагрузкой разработки МИФИ (две камеры в ИК и видимом диапазоне для отслеживания лесных пожаров и стихийных бедствий).
• Кубсат «Нанозонд-1» с полезной нагрузкой совместной разработки МИЭТ, «Завода ПРОТОН» и ОГУ им. Тургенева. На борту сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000С для оценки воздействия космической среды на корпус спутника.
• По мере масштабирования проекта на студенческих кубсатах стали отрабатываться спутниковые платформы разработки и других российских разработчиков. В частности, два кубсата созданы на платформе «Нилакт ДОСААФ». Это ReshUCube-2 для СибГУ им. Решетнева, на котором планируются эксперименты с протоколами связи LoRaWAN для Интернета вещей. Видимо, это начало отработки полезной нагрузки МКА созвездия «Марафон IoT» федерального проекта «Сфера» (серийно производить их планируют рядом, на ИСС Решетнева в Железногорске). А второй кубсат — «Монитор» № 2 с гелиогеофизической аппаратурой разработки НИИЯФ МГУ.
• Кубсат «СтратоСат ТК-1» на спутниковой платформе «Геоскан» для компании «Стратонавтика». Вместо 1U размещён контейнер для полезной нагрузки в виде 6 пикосатов (четыре кубика с гранью 5 см и два сочленённых) для проведения школьных образовательных программ. У каждого на борту — радиопередатчики и фотокамеры. Индустриальным партнёром при создании одного из них стала компания RUVDS, разместив там небольшой веб-сервер. Задача материнского кубсата — съёмка процесса их отделения.
• Кубсат Sirius-SINP-3U создан на платформе «Нейро-Мастер» для компании «БГ-Оптикс». На борту у него детектор ДеКоР-2 для мониторинга заряженных частиц разработки НИИЯФ МГУ.
• Кубсат «Политех Юниверс-3» на платформе «Специального технологического центра» (СТЦ) для СПбПУ. Задача — отработка гибкой, программно-определяемой радиосистемы с широким диапазоном частот 0,1–18 ГГц. Кроме того, кубсат оснащён газовой двигательной установки собственной разработки СТЦ.
• И, наконец, последний для проекта Space Pi в этом запуске — кубсат «Ахмат-1», созданный на платформе ЮЗГУ для ЧГУ им. Кадырова. На нём установлен модуль системы автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) для воздушных судов в зоне, диаметром до 1500 км.

▍ Программа «УниверСат» «Роскосмоса»

Программа «УниверСат» имеет более практическую направленность и реализуется Госкорпорацией «Роскосмос» на базе своих опорных вузов. Это также третий запуск по программе — теперь по ней выведено 16 кубсатов. Здесь уже нет ограничений в 3U, но обязательным условием участия служит размещение унифицированной полезной нагрузки для решения общих научно-прикладных задач в интересах одного из федеральных заказчиков — как правило, Росгидромета. В частности, запущенные прежде по этой программе кубсаты имели на борту компактные гелиогеофизические приборы разработки НИИЯФ МГУ. Они дополняют работу основной группировки метеорологических спутников в части мониторинга космической погоды.

«Роскосмос» обеспечивает бесплатную интеграцию кубсатов и их выведение попутной полезной нагрузкой, но затраты на создание более дорогих и сложных кубсатов формата 6U и выше ложатся целиком на плечи вузов. Тем не менее, следует понимать, что помимо специфических научных приборов для решения задач Росгидромета, кубсат, особенно формата 6U и выше, может нести на борту и дополнительную полезную нагрузку. Поэтому есть возможность привлекать технологические компании для лётной отработки их спутниковых платформ, полезной нагрузки и компонентов.

▍ Что было запущено для «УниверСат»

Пусковые контейнеры для кубсатов, запускаемых по этой программе, разрабатывает компания «Орбитальные системы» (ряд кубсатов созданы на их спутниковой платформе). Информации в открытых источниках по девяти запущенным аппаратам «УниверСата» мало. Полезная нагрузка практически для всех создана в НИИЯФ МГУ и профильных институтах РАН (ФИАН, ИЗМИ, ИПФ, ИСЗФ СО). Предназначена она для исследования космической погоды в составе распределённой группировки аппаратов, работающих как единый инструмент, и решения соответствующих задач Росгидромета: мониторинг солнечных вспышек, гелиогеофизических параметров на низкой орбите, изучения ионосферы и магнитосферы, регистрации УФ, гамма-всплесков, рентгеновского излучения. Всё это крайне важно, космическая погода напрямую влияет на земную.

Четыре кубсата созданы в МГТУ им. Баумана: два формата 3U «Ярило» №3, 4 (дополнительно планируется проведение технологических экспериментов по развёртыванию композитной штанги и надувной оболочки) и два формата 6U «Хорс» №1, 2 (дополнительная полезная нагрузка — приёмники АИС/АЗН-В, а также волновой плазменный двигатель).

Далее идут четыре кубсата формата 6U: «Авион» разработки НИИЯФ МГУ (доп. нагрузка — приёмник АЗН-В, также предстоит отработать ряд импортозамещённых бортовых систем); «Норби-2» совместной разработки Новосибирского госуниверситета и КБ «Пятое поколение» (доп. нагрузка для отработки космического IoT); «Импульс-1» совместной разработки МИСиС и «Орбитальных систем» (доп. нагрузкой идёт терминал лазерной связи «Вектор» от QSpace); «Сатурн» разработки КубГТУ. И замыкает когорту «УниверСата» кубсат 3U SamSat-ION разработки Самарского университета.

▍ Запущенные коммерческие кубсаты

По 17 кубсатам для российских и зарубежных заказчиков (выведение на коммерческих условиях) открытой информации тоже немного, но радует то, что впервые были запущены в том числе и серийные аппараты из состава перспективных частных российских группировок.

Прежде всего, это кубсаты СПУТНИКС SITRO-AIS для получения сигналов АИС морских судов. Это часть группировки системы АИС материнской Sitronics Group (входит в АФК «Система»). Кроме того, СПУТНИКС запустил и ZORКIY-2M — первый российский кубсат формата 12U. На борту — камера с разрешением 2,5 м для ДЗЗ в оптическом диапазоне, а также приёмник АИС. Такие большие кубсаты на собственной платформе 12U станут основой другой спутниковой группировки компании, для высокодетальной съёмки.

27 июня были запущены и три малых космических аппарата «Рассвет» (№ 1–3) массой по 80 кг разработки «Бюро 1440» (часть «ИКС Холдинг», стратегический партнёр «МегаФон»). Информации по ним мало, но по всей видимости, это МКА для лётной отработки платформы и полезной нагрузки аппаратов будущей низкоорбитальной системы спутникового ШПД Rassvet.

Кроме того, были запущены два кубсата формата 3U CSTP-1.1 и 1.2 разработки «Специальный технологический центр» (СТЦ). Об этой питерской компании следует рассказать отдельно (штат в несколько тысяч человек, производит для МО РФ много интересного, хотя сайт-визитка скуден). В настоящее время СТЦ разрабатывает полезную нагрузку для больших кубсатов. В частности, озвучены планы по совместной с Самарским университетом разработке радиолокационного кубсата «АИСТ-СТ» с синтезированной апертурой (SAR) и разрешением не хуже 2 м. В случае успешной лётной отработки производственные мощности СТЦ позволяют поставить производство таких радиолокационных кубсатов на поток, что радикально усилит отечественную группировку ДЗЗ, дав возможность наблюдать земную поверхность в любых метеоусловиях, днём и ночью.

Также 27 июня были запущены три кубсата для зарубежных заказчиков из ОАЭ (PHI-Demo), Малайзии и Беларуси (BSUSat-2).

Линейка кубсатных платформ от СПУТНИКС и их возможности. Источник

Тенденции российского рынка кубсатов

Как и во всём мире кубсаты по проекту Space Pi и программе «УниверСат» играют роль технологических демонстраторов — это доступная платформа для отработки новых платформ, компонентов и полезной нагрузки для серийных кубсатов и больших спутников. К примеру, на запущенном в прошлый раз кубсате SXC3–219 ИСОИ прошёл лётные испытания первый отечественный сверхкомпактный гиперспектрометр для кубсатов массой всего 1,6 кг совместной разработки ИСОИ РАН и Самарского университета. На запущенных вместе с ним кубсатах также отрабатывали первые российские микродвигательные установки, а на ReshUCube-1 — российские микропроцессоры.

Единственно, хотелось бы всё-таки увидеть переход от некоторой «разношёрстности» проекта Space Pi к унификации полезной нагрузки студенческих кубсатов, наземной инфраструктуры и интеграции разрозненных студенческих ЦУПов, чтобы можно было решать общие прикладные задачи. К примеру, тот же гиперспектрометр может стать основой группировки кубсатов для получения вегетационных индексов — важной задачи в сельском хозяйстве. А программу «УниверСат» хочется просто масштабировать — нужен переход от «штучности» и уникальности каждого кубсата, решающего конкретную практическую задачу, к целым группировкам на его основе для роста периодичности наблюдений. И, конечно, с учётом возросшей активности частных российских компаний, от «Роскосмоса» требуется предоставить больше ракет-носителей для запуска попутной нагрузки. Одного-двух стартов в год уже явно не хватает.

Вторым важным мировым трендом видится взросление кубсатов, рост их массы и габаритов — форматы 6U и выше становятся стандартом для коммерческих разработчиков, позволяя размещать в них более производительную полезную нагрузку. Так кубсаты Urdaneta-Armsat 1&2 формата 16U от Satlantis Microsats уже имеют пространственное разрешение камеры в 1,8 м. И, вероятно, это не предел. При этом специализированные российские компании типа СПУТНИКС и СТЦ, а также сильные космические способны разрабатывать (или интегрировать) полезную нагрузку для таких больших кубсатов: камеры с пространственным разрешением 3–4 м и радиолокаторы с разрешением 2 м. Кроме того, форматы 6U/12U просто более оптимальны для проектирования, разработки блоков электроники под заданную стоимость (design to cost), лучшей энергетики, размещения двигателей и большего запаса топлива, повышения надёжности и лучшего теплоотвода.

Соответственно, по мере роста возможностей полезной нагрузки кубсатам всё чаще поручают решение серьёзных прикладных задач. По данным на январь 2023 года, коммерческих кубсатов на орбите было уже в два раза больше, чем университетских (1174 против 598). Поэтому первые частные серийные спутники, запущенные 27 июня — важная веха в развитии российского космического рынка. Конечно, впереди — ещё большой и тернистый путь. Нужно не только успешно провести лётные испытания и развернуть орбитальную группировку, но и создать наземную инфраструктуру для потоковой обработки спутниковых данных, их «упаковки» в удобные конечному потребителю услуги и аналитические сервисы. Хрестоматийным примером здесь служит компания Planet, но все говорят лишь о 200 кубсатах Dove, забывая о мощном наземном сегменте, включающем глобальную сеть из 45 приёмных антенн диаметром до 8 м.

Тем не менее, начало положено. Определённый оптимизм внушает и то, что разработанной совместной с российским бизнесом «дорожной карте» «Роскосмоса» планируется выделить 40 млрд рублей на закупку данных и сервисов ДЗЗ у частных компаний для стимулирования развития рынка (предстоит ещё выиграть традиционное бодание с Минфином).

Среднего разрешения кубсатов и высокой периодичности съёмок за счёт массовости группировки хватает для решения задач сельского и лесного хозяйства, землеустройства, экологического мониторинга, добывающего сектора и т. д. Но какие задачи ещё, помимо ДЗЗ, решают кубсаты в мире? Прежде всего, это коммуникации и связь, особенно для Интернета вещей (созвездие Orbcomm из 50 кубсатов и Swarm Technologies из 160 кубсатов формата 0,25U). Кроме того, это геолокация навигационных и радиочастотных сигналов морских и воздушных судов (AIS, АЗН-В), для этого работает созвездие Spire Global из 110 кубсатов и созвездие HawkEye 360 из 30 кубсатов формата 24U. Наконец, ещё одна перспективная ниша — метеорология. Один из недавних примеров — кубсаты NASA TROPICS для оперативного мониторинга тропических циклонов. Из-за редкого наклонения орбиты в 30 градусов их пришлось запускать попарно сверхлёгкими РН Electron основной нагрузкой.

Для решения всех этих задач критично иметь как можно большее число спутников на орбите, чтобы обеспечить глобальный охват и высокую периодичность. Одновременно, это не требует размещения массивной полезной нагрузки, что в сумме с доступностью и возможностью массового запуска попутной нагрузкой делает кубсаты идеальной платформой. Если посмотреть на задачи, которые декларируются при создании коммерческих группировок в России, то они вполне коррелируют с общемировыми.

Сверху слева первый кубсат в дальнем космосе миссии MarCO с рефлекторной антенной, в центре — интеграция CAPSTONE на РБ Photon и его траектория полёта к Луне. Для связи с ним использовалась 70 м антенна дальней космической связи NASA в Goldstone, CA

Российские кубсаты в дальнем космосе?

Если освоение низкой околоземной орбиты (НОО) коммерческими и научно-образовательными кубсатами — свершившийся факт, то следующий этап их взросления связан уже с миссиями в дальний космос. 2022 год оказался богат на такие примеры. Это не только драматический выход CAPSTONE на высокоэллиптическую полярную лунную гало-орбиту, но и съёмка кубсатом LICIACube последствий тарана астероида Диморфос основным аппаратом миссии DART. Естественно, были и неудачные микромиссии. Так, лишь 3 из 10 кубсатов, запущенных попутной нагрузкой при старте сверхтяжа SLS миссии Artemis I, «выжили» и продолжают свои миссии.

Каждый такой кубсат — штучный «товар» для отработки новейших технологий (формат 6U и выше, радиационно-стойкая ЭКБ, специфические траектории для экономии топлива, уникальные антенны и прочее). Поэтому и риски возрастают. Но число микромиссий в дальний космос будет только расти, — кубсаты полетят попутной нагрузкой к Луне в рамках программы NASA CLPS, заявлены они в дальних миссиях Европы и Китая. Естественно, нужны такие микромиссии и России.

Что для этого нужно? Прежде всего, институциональная поддержка в виде государственных программ типа NASA SIMPLEx по финансированию малых научных миссий (кубсаты LunaH-Map или Lunar Trailblazer). А кроме того, для запуска основной нагрузкой нужна реализация «в железе» проектов сверхлёгких ракет-носителей (к примеру, Paragon/Hybris и BERIK) и малых разгонных блоков (AERIS, малый разгонный блок БОТ от МГТУ). Ну или нужно учиться договариваться с Индией и Китаем по запуску нашей «попутки». Для этого компаниям даже не нужно ждать помощи сверху, — сборы международных заявок открытые, главный критерий — научная ценность (см. к примеру, конкурс на попутную нагрузку для миссии Chang«E-7).

А технически российские компании к кубсатам для дальнего космоса уже готовы, что СТЦ, что СПУТНИКС (прорабатывал вопрос отправки кубсата к Луне). Понятно, что дальние миссии сложны, дороги и длительны. Но кубсаты и МКА — это самая лёгкая точка входа. Они дадут возможность продолжить научные исследования между редкими в силу объективных обстоятельств запусками больших межпланетных миссий. А ещё такие миссии позволят, наконец, поднять нам голову к небу, и вновь посмотреть на звёзды широко открытыми детскими глазами.

© Habrahabr.ru